使用頻譜分析儀檢測(cè)電路信號(hào)質(zhì)量

使用頻譜分析儀檢測(cè)電路信號(hào)質(zhì)量頻譜分析儀有許多功能，能察覺元件在電路中的變化，分析其頻率響應(yīng)來說明電路特性；也能測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)信號(hào)失真有幫助；也能測(cè)量頻率占有率，防范鄰近信號(hào)干擾；并且是兼具計(jì)頻器與功率計(jì)的儀器。日常生活里充斥頻譜(Spectrum)的概念，各種不同頻率信號(hào)以機(jī)率分配方式存在。在一般時(shí)域分析(Time-domainAnalysis)中，很容易從時(shí)間軸上觀察到任何信號(hào)波形變化事件，只要用示波器測(cè)量，就能看出任何具有時(shí)間函數(shù)的電子信號(hào)事件的瞬間物理量。頻譜分析儀的發(fā)展起源，從早期通信系統(tǒng)上頻率測(cè)量開始，為實(shí)現(xiàn)以頻率為基準(zhǔn)點(diǎn)，在頻域上檢測(cè)信號(hào)而研發(fā)的儀器，廣泛用于測(cè)量通信系統(tǒng)的各種重要參數(shù)，如平均噪聲位準(zhǔn)(AverageNoiseLevel)、動(dòng)態(tài)范圍(DynamicRange)、頻率范圍(FrequencyRange)等。此外還可用在時(shí)域測(cè)量，如測(cè)量傳輸輸出功率等。從功能面看，一般計(jì)頻器只能測(cè)量信號(hào)頻率，功率計(jì)能測(cè)量信號(hào)功率，頻譜分析儀可視為兼具計(jì)頻器與功率計(jì)的測(cè)量?jī)x器(表1，*：指模擬解調(diào))。頻譜分析與時(shí)域分析相輔相成如要理清信號(hào)特性，除使用示波器從時(shí)域(TimeDomain)觀察信號(hào)外，需從頻率的角度，簡(jiǎn)稱頻域(FrequencyDomain)去分析信號(hào)。用示波器觀察信號(hào)無法一窺全貌，只能看到組成后的波形。法國數(shù)學(xué)家傅立葉(Jean-Baptiste-JosephFourier)認(rèn)為，任何時(shí)域上的電子信號(hào)現(xiàn)象，皆由多組適當(dāng)?shù)念l率、振幅與相位的弦波信號(hào)(SineWave)組成。因此，任何有適當(dāng)濾波功能的電子系統(tǒng)，必可將信號(hào)波形分解成多個(gè)分別不同的弦波或頻率，不同弦波則由其所具有的振幅與相位來決定信號(hào)特性。換言之，借由這種組成分析，可將弦波信號(hào)由時(shí)域轉(zhuǎn)為頻域。對(duì)無線射頻(RF)與微波信號(hào)而言，不加入分析要素時(shí)，保留相位信息往往會(huì)使轉(zhuǎn)換過程變得復(fù)雜，因此要設(shè)法隔離相位信息。當(dāng)分析周期性信號(hào)時(shí)，通過傅立葉詮釋能了解，在頻域中個(gè)別組成弦波之間的距離單位為頻率(f)或1/T(T是弦波信號(hào)的周期)。由時(shí)域轉(zhuǎn)換至頻域，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)性計(jì)算，一般進(jìn)行信號(hào)觀察，只以一小段時(shí)間范圍內(nèi)特性來概括全貌。運(yùn)用傅立葉變換(FourierTransform)，能從頻域觀點(diǎn)轉(zhuǎn)換至?xí)r域空間思考，不過要先把沿著頻率軸范圍的頻譜與個(gè)別成分之相位計(jì)算出來。例如，要將一個(gè)時(shí)域中的方波轉(zhuǎn)換到頻域后，再反轉(zhuǎn)換回時(shí)域時(shí)，往往因相位參數(shù)未加以保留，而產(chǎn)生鋸齒波失真。時(shí)域中任意信號(hào)，必為一群弦波信號(hào)的線性組合信號(hào)或合成信號(hào)，如圖1所示，頻譜的頻域象限中呈現(xiàn)的弦波信號(hào)特性，可用振幅與頻率來表達(dá)，而非純弦波波形的信號(hào)，包含二次諧波(SecondHarmonic)組成信號(hào)。雖然如此，但頻譜分析(SpectrumAnalysis)并不能完全取代時(shí)域分析；后者在大部分信號(hào)測(cè)量仍占有一席之地，且能提供信號(hào)脈波的上升與下降時(shí)間、信號(hào)過沖與振蕩現(xiàn)象等。所以，頻譜分析與時(shí)域分析可視為相輔相成的方法。圖1時(shí)域與頻域的差異RF電路中可能有放大器(Amplifier)、振蕩器(Oscillator)、混頻器(Mixer)、濾波器(Filter)等電路元件，單純用示波器來看，無法察覺這些元件在電路中的變化，此時(shí)必須使用頻譜分析儀，分析其頻率響應(yīng)來說明電路的特性。頻域中有對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度可測(cè)量，所以頻域分析是找出待測(cè)信號(hào)各諧波成分的最佳解決方法，尤其對(duì)通信工程人員最重視的諧波失真分析有重要貢獻(xiàn)。例如，在無線電話系統(tǒng)中的載波信號(hào)上，必須常檢查其他系統(tǒng)的諧波干擾是否造成信號(hào)失真，而影響到通話質(zhì)量的情況。此外，通信工程人員也關(guān)心載波信號(hào)上的調(diào)變信號(hào)失真程度。如發(fā)生交互調(diào)變現(xiàn)象所產(chǎn)生的失真成分，往往落在所攸關(guān)的帶寬中難以濾除。頻譜的占據(jù)率，也是在頻域分析上一種重要測(cè)量。為了防范鄰近頻率信號(hào)干擾，針對(duì)調(diào)變信號(hào)所進(jìn)行的展頻動(dòng)作，往往是基于有效規(guī)范各種發(fā)射頻譜之帶寬的考慮。各式各樣通信電子產(chǎn)品的普遍使用下，造成不必要的電磁信號(hào)無所不在，成為電磁污染源。而電磁干擾是一種頻譜的占據(jù)現(xiàn)象，無論是輻射式或傳導(dǎo)式電磁干擾，都會(huì)造成其他電子系統(tǒng)在操作運(yùn)轉(zhuǎn)上的損害，因此電子或電器產(chǎn)品制造廠商，都必須依據(jù)電子電器商品相關(guān)法令規(guī)范，來進(jìn)行電磁輻射測(cè)試，才能上市。頻譜分析儀種類各有千秋頻譜分析儀分兩類，實(shí)時(shí)性(RealTime)頻譜分析儀(SA)與掃描調(diào)諧(SweepTuned)頻譜分析儀。SA能立即把信號(hào)濾出來，使用許多平行架構(gòu)的濾波器來分布在所有的帶寬范圍中，信號(hào)一經(jīng)輸入之后能馬上表示(圖2)，為實(shí)時(shí)性頻譜分析儀的架構(gòu)。實(shí)時(shí)性頻譜分析儀能立刻將信號(hào)濾出，濾波器的帶寬可以依照不同的跨度(Span)來作調(diào)整與改變，不過這類型的頻譜儀，最大的問題在使用大量濾波器作實(shí)時(shí)處理，所以價(jià)格昂貴，且?guī)捦ǔ２粫?huì)很高，一般約10M～30MHz左右。圖2實(shí)時(shí)性頻譜分析儀架構(gòu)SweepTuned頻譜分析儀，可分為兩大類，分別是RF調(diào)諧方式、超外差掃描方式。圖3為RF調(diào)諧方式架構(gòu)而成的頻譜分析儀方塊圖，使用一個(gè)帶通可調(diào)的濾波器(TunableFilter)，由一掃描儀來調(diào)變期帶通寬度，進(jìn)而使得相關(guān)的頻率信號(hào)通過，并加至垂直偏向版(即CRT中的橫軸)，而CRT中的水平軸受掃描儀頻率同步的控制，使不同的頻率信號(hào)在水平軸上分別對(duì)應(yīng)地呈現(xiàn)。圖3RF調(diào)諧方式的頻譜分析儀架構(gòu)此種方式構(gòu)成的頻譜分析儀較簡(jiǎn)單，能包含較廣的頻率范圍，而且價(jià)格便宜，但靈敏度與頻率特性等效能較差，濾波器的帶寬固定，頻率的分辨率無法改變。此種調(diào)諧型的頻譜分析儀較為經(jīng)濟(jì)，以及所能測(cè)量的頻率范圍較廣，故早期微波帶寬常常使用這一方式。可惜此種方式以掃描儀來調(diào)變?yōu)V波器的帶通，故掃描儀的掃描速度不能太快，通常在數(shù)個(gè)MHz/s左右，當(dāng)掃描超出這個(gè)比值，濾波器對(duì)信號(hào)的響應(yīng)尚未達(dá)到100%時(shí)，濾波器的帶通范圍已經(jīng)改變，所以測(cè)出的值往往較小于原來信號(hào)而不準(zhǔn)確。由于調(diào)諧式頻譜分析儀的靈敏度與準(zhǔn)確性不高，所以目前使用最廣的是超外差式的頻譜分析儀(圖4)。此種方式是將輸入濾波器的帶通固定，使用一個(gè)頻率可變的本地振蕩器(LocalOscillator,LO)，使之產(chǎn)生隨時(shí)間而線性變化的振蕩頻率。將此可變的振蕩頻率與輸入信號(hào)在混波器(Mixer)混合后，產(chǎn)生一中頻。此中頻成為接收機(jī)的輸出，加至屏幕的垂直偏向板(橫軸)，巨齒波電壓亦同時(shí)加至水平偏向板(縱軸)，在屏幕上顯示出的信號(hào)為頻率與振幅的對(duì)應(yīng)關(guān)系。以下將針對(duì)圖4中每個(gè)單元進(jìn)行介紹：圖4超外差式頻譜分析儀簡(jiǎn)易架構(gòu)·衰減器因?yàn)榛觳ㄆ鞯腞F輸入最大線性范圍有限，對(duì)一般測(cè)量不夠用，因此須將過大信號(hào)預(yù)先衰減到混波器RF輸入線性范圍。經(jīng)過混波器之后，再利用放大器把信號(hào)還原。但這種架構(gòu)會(huì)造成頻譜分析儀上的顯示噪聲位準(zhǔn)，隨著衰減器(InputAttenuator)的值起伏?！せ觳ㄆ鱎F信號(hào)與LO信號(hào)經(jīng)過混波器之后，產(chǎn)生許多兩者之間頻率倍數(shù)相加減的信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)與本地振蕩器經(jīng)過混頻之后，會(huì)產(chǎn)生三種中頻的可能(或者更多)，可用以下公式來求出所要的正確中頻信號(hào)：第(1)式中fIF所產(chǎn)生的中頻頻率，遠(yuǎn)高過頻譜分析儀內(nèi)中頻濾波器的協(xié)振頻率，故不能為此儀器所接受。第(3)式所產(chǎn)生的中頻，其輸入信號(hào)之頻率fRF必須比fLO高，所以此種fRF信號(hào)比振蕩頻率fLO高的RF就會(huì)被排除在外。最后只有第(2)式中所產(chǎn)生的中頻，才為正確的中頻信號(hào)。·解析帶寬解析帶寬(ResolutionBandwidth,RBW)濾波器也稱中頻濾波器，其作用是將RF頻率與本地振蕩頻率相檢的信號(hào)，也就是所謂的IF信號(hào)，由混波器產(chǎn)生的眾多頻率中過濾出來。使用者可借由面板上的RBW控制鈕，選擇不同的3dB帶寬的RBW濾波器。由圖5可看出，RBW設(shè)的越窄，所觀察到的頻率分布就越細(xì)微，也降低噪聲位準(zhǔn)。圖5不同RBW與噪聲位準(zhǔn)關(guān)系·電壓控制振蕩器頻譜分析儀上電壓控制振蕩器(VCO)頻率，必須由高于最高輸入頻率延伸到至少最高輸入頻率兩倍頻率以上。對(duì)工作在1G以上的頻譜分析儀而言，這就代表著振蕩器至少要由1～3G。實(shí)際的設(shè)計(jì)中，大多數(shù)為2～3.5G左右。這種頻率范圍通常需要具有調(diào)諧電路的振蕩器，而非低頻振蕩器中典型的線圈與電容?！z波器若直接將中頻信號(hào)輸出到屏幕上，會(huì)造成一團(tuán)雜波。所以必須通過檢波器(Detector)，將中頻的交流電(AC)信號(hào)振幅轉(zhuǎn)換為直流(DC)偏壓，再輸出到屏幕行程相對(duì)的傳值偏向，呈現(xiàn)各個(gè)頻率的大小。現(xiàn)行的頻譜分析儀，大多以數(shù)字取樣的方式，將波型呈現(xiàn)在屏幕上?！ひ曅艓捴蓄l振幅的直流偏壓送到屏幕前，須經(jīng)過視信濾波器。它是一個(gè)低通濾波器，可將屏幕的垂直偏壓變化變得較平緩。超外差式的頻譜分析儀混頻之后，因中頻放大緣故，可以得到較大的靈敏度，且改變中頻濾波器的帶寬，能很容易的改變頻率的分辨率。但由于超外差式的頻譜分析儀是在頻袋內(nèi)掃描緣故，因此無法得到實(shí)時(shí)性分析(瞬間分析全部頻譜)，除非掃描時(shí)間趨近于零。況且，若使用比中頻濾波器的時(shí)間常數(shù)小的掃描時(shí)間來掃描的話，無法得到信號(hào)的正確振幅(即功率)，因此想要提高頻譜分析儀的頻率分辨率，且得到精準(zhǔn)的響應(yīng)，掃描速度要調(diào)整適當(dāng)。從上述得知，在超外差的頻譜分析儀中，無法分析瞬時(shí)信號(hào)(TransientSignal)或單一脈沖信號(hào)(Impulse)，主要應(yīng)用在測(cè)試周期性信號(hào)或者其他離散信號(hào)。頻譜分析儀操作特性分析頻率分辨率(FrequencyResolution)，是頻譜分析儀對(duì)于一些頻率相隔很近之信號(hào)區(qū)分的能力。決定此分辨率有兩個(gè)因素，一是中頻放大器的帶寬(Bandwidth)或選擇性(Selectivity)；另一個(gè)為頻譜分析儀本身的頻率穩(wěn)定度(Stability)，此穩(wěn)定度決定于頻率漂移(Drift)、殘余的FM信號(hào)(ResidualFM)，以及本地振蕩器上面的噪聲大小。頻譜分析儀的掃描速度太快，會(huì)導(dǎo)致掃描靈敏度的衰檢(SweepDesensitization)，將造成振幅、選擇性與分辨率的損失，可通過以下方法改善：當(dāng)掃描信號(hào)被維持在中頻濾波器的帶寬，而有夠長(zhǎng)時(shí)間允許信號(hào)幅度在濾波器建立一個(gè)適當(dāng)值時(shí)，只要掃描的速度(Hz/s)不超過中頻濾波器3dB帶寬的平方，就能避免掃描靈敏度的衰減。衡量最微弱信號(hào)檢出的能力稱為靈敏度。最大靈敏度是由頻譜分析儀內(nèi)所發(fā)生的噪聲來決定。通常內(nèi)部的噪聲分成兩種，熱噪聲與其他噪聲。熱噪聲的電功率為：PN=雜音電功率(KTB)

K：BoltzmanConstant(1.38x10-23Joul/oK)

T：絕對(duì)溫度

B：用Hz表示系統(tǒng)的帶寬由此可知噪聲大小與帶寬成比例，因此當(dāng)帶寬下降1/10時(shí)，噪聲水平(NoiseFloor)會(huì)減少10dB，靈敏度也改善10dB。理清基本參數(shù)定義頻譜分析儀幾個(gè)基本設(shè)定參數(shù)，如圖6所示。頻率顯示的范圍，可以經(jīng)由設(shè)定開始頻率和截止頻率，也就是頻率的最大值與最小值，或者也可以設(shè)定想要的中心頻率，再設(shè)定所要展開的帶寬；位準(zhǔn)顯示范圍有助于最大位準(zhǔn)的顯示與間距；當(dāng)頻譜分析儀以外差式原理來操作，頻率的分辨率是由IF濾波器的帶寬來設(shè)定的，也就是上面所提到的RBW。掃描時(shí)間(SweepTime)主要針對(duì)外差式的頻譜分析儀設(shè)定，指紀(jì)錄所要全部頻率范圍所需時(shí)間。如果希望得到較小的解析帶寬，掃描時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)。圖6頻譜分析儀示意圖頻譜分析儀RF輸出端，通常有兩種不同的接頭，BNC頭跟N-Type頭(圖7)兩種。BNC接頭通常能測(cè)試范圍較小，且通過BNC測(cè)試出來的高頻部分較易產(chǎn)生誤差，所以現(xiàn)今的高頻測(cè)試儀器，幾乎都以N-Type接頭為主。圖7頻譜分析儀RF端測(cè)試接頭NType接頭在測(cè)試系統(tǒng)中有各類型接頭做測(cè)試。除NType、BNC接頭外，還有SMA接頭、F接頭等常見的接頭。SMA接頭常用在高頻測(cè)試或者電路板連接部分，F(xiàn)接頭較常使用在有線電視系統(tǒng)，或在AV信號(hào)。其他還有像是TNC接頭、M接頭、UHF接頭等接頭，較常在無線電系統(tǒng)中被使用。這些類型的接頭雖然在RF通信系統(tǒng)中并不常用，但是在測(cè)量某些特殊規(guī)格或者測(cè)試過程中，還是有可能用到。線材的分類是以信號(hào)衰減量、阻抗值、導(dǎo)體材料等單位來區(qū)分。常見RF線材RG223、RG316等，較常使用在高頻通信上；RG58、RG59等較常用在低頻測(cè)試上。RF部分的測(cè)量，常以RG316線材作測(cè)試線材。不同待測(cè)物/信號(hào)可變化各式測(cè)試方式頻譜分析儀應(yīng)用非常廣，依照不同待測(cè)物、不同信號(hào)即可變化出各式各樣的測(cè)試方式。傅立葉變換，是目前十分重要且廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的數(shù)字信號(hào)分析技術(shù)，當(dāng)儀器測(cè)量所得的信號(hào)為時(shí)間-振幅的數(shù)據(jù)時(shí)，可以用傅立葉變換將此一信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率-振幅，來進(jìn)行此一信號(hào)的頻率特性分析。傅立葉積分的定義為：滿足狄里赫利條件的周期信號(hào)，可展開成對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)式為：其中式中a0、an、bn為傅立葉系數(shù)；T0為周期，也就是信號(hào)基頻成分的周期；為信號(hào)的基頻，nW0為次諧波。正弦波、方波、三角波等的頻譜，如圖8、9、10所示，使用信號(hào)源輸入到頻譜分析儀中，即可驗(yàn)證各波形的頻譜變化。圖8正弦波信號(hào)與頻譜圖9方波信號(hào)與頻譜圖10三角波信號(hào)與頻譜諧波測(cè)量也是一種測(cè)量方式，任何的信號(hào)都會(huì)有所謂的諧波效應(yīng)，比較不同的是電路的設(shè)計(jì)將諧波效應(yīng)抑制下來，如使用一臺(tái)信號(hào)源送入100MHz信號(hào)，在其N倍頻下通常能看到其諧波的信號(hào)(圖11)。圖11主波與諧波表示圖另外，在頻譜分析儀上裝設(shè)天線，可以接收到天線響應(yīng)范圍內(nèi)信號(hào)，如電臺(tái)信號(hào)、無線電信號(hào)、手機(jī)信號(hào)等。如圖12所示，在接收范圍內(nèi)有125MHz、700MHz、1GHz等信號(hào)出現(xiàn)，在頻譜儀上就可清楚接收。圖12通信監(jiān)測(cè)示意圖再來是相位噪聲測(cè)試。理想信號(hào)在頻譜分析儀上可用一條垂直線代表，換言之，只有在此頻率上才有信號(hào)功率值，在信號(hào)的左右完全沒有功率。但真實(shí)世界中，因物理特性關(guān)系，不可能有如此完美的信號(hào)存在，如圖13所示。一個(gè)信號(hào)除本身頻率外，還會(huì)有殘留功率在附近，稱為相位噪聲。圖13相位噪聲表示圖信道功率是以設(shè)定信道寬度大小的帶寬測(cè)定，并計(jì)算其中的總功率值。如信號(hào)帶寬設(shè)定1MHz(即中心頻率左右各500kHz)，通道功率就以這范圍來測(cè)量整個(gè)帶寬中的總功率。換言之，如果帶寬設(shè)定在100kHz，那通道功率就會(huì)以100kHz內(nèi)的總功率來計(jì)算(圖14)。圖14通道功率示意圖然后是調(diào)變信號(hào)測(cè)試。目前數(shù)字信號(hào)幾乎是屬于調(diào)變過后的信號(hào)，因?yàn)檎{(diào)變信號(hào)可以加強(qiáng)信號(hào)的安全性，常見的調(diào)變信號(hào)有AM、FM、FSK以及其他常被提及的調(diào)變方式。不同的調(diào)變信號(hào)可讓設(shè)計(jì)者或系統(tǒng)來判別，接收到的信號(hào)是否為所想要信號(hào)，圖15、16、17即是使用頻譜分析儀來作信號(hào)檢