使用頻譜分析儀檢測電路信號質量

日常生活里充斥頻譜(Spectrum)的概念，各種不同頻率信號以機率分配方式存在。在一般時域分析(Time-domain Analysis)中，很容易從時間軸上觀察到任何信號波形變化事件，只要用示波器測量，就能看出任何具有時間函數(shù)的電子信號事件的瞬間物理量。

頻譜分析儀的發(fā)展起源，從早期通信系統(tǒng)上頻率測量開始，為實現(xiàn)以頻率為基準點，在頻域上檢測信號而研發(fā)的儀器，廣泛用于測量通信系統(tǒng)的各種重要參數(shù)，如平均噪聲位準(Average Noise Level)、動態(tài)范圍(Dynamic Range)、頻率范圍(Frequency Range)等。此外還可用在時域測量，如測量傳輸輸出功率等。從功能面看，一般計頻器只能測量信號頻率，功率計能測量信號功率，頻譜分析儀可視為兼具計頻器與功率計的測量儀器(表1，*：指模擬解調(diào))。

頻譜分析與時域分析相輔相成

如要理清信號特性，除使用示波器從時域(Time Domain)觀察信號外，需從頻率的角度，簡稱頻域(Frequency Domain)去分析信號。用示波器觀察信號無法一窺全貌，只能看到組成后的波形。法國數(shù)學家傅立葉(Jean-Baptiste-Joseph Fourier)認為，任何時域上的電子信號現(xiàn)象，皆由多組適當?shù)念l率、振幅與相位的弦波信號(Sine Wave)組成。因此，任何有適當濾波功能的電子系統(tǒng)，必可將信號波形分解成多個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特性。換言之，借由這種組成分析，可將弦波信號由時域轉為頻域。

對無線射頻(RF)與微波信號而言，不加入分析要素時，保留相位信息往往會使轉換過程變得復雜，因此要設法隔離相位信息。當分析周期性信號時，通過傅立葉詮釋能了解，在頻域中個別組成弦波之間的距離單位為頻率(f)或1/T(T是弦波信號的周期)。由時域轉換至頻域，必須對信號進行連續(xù)性計算，一般進行信號觀察，只以一小段時間范圍內(nèi)特性來概括全貌。運用傅立葉變換(Fourier Transform)，能從頻域觀點轉換至時域空間思考，不過要先把沿著頻率軸范圍的頻譜與個別成分之相位計算出來。例如，要將一個時域中的方波轉換到頻域后，再反轉換回時域時，往往因相位參數(shù)未加以保留，而產(chǎn)生鋸齒波失真。

時域中任意信號，必為一群弦波信號的線性組合信號或合成信號，如圖1所示，頻譜的頻域象限中呈現(xiàn)的弦波信號特性，可用振幅與頻率來表達，而非純弦波波形的信號，包含二次諧波(Second Harmonic)組成信號。雖然如此，但頻譜分析(Spectrum Analysis)并不能完全取代時域分析；后者在大部分信號測量仍占有一席之地，且能提供信號脈波的上升與下降時間、信號過沖與振蕩現(xiàn)象等。所以，頻譜分析與時域分析可視為相輔相成的方法。

圖1 時域與頻域的差異

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，此時必須使用頻譜分析儀，分析其頻率響應來說明電路的特性。

頻域中有對應的信號強度可測量，所以頻域分析是找出待測信號各諧波成分的最佳解決方法，尤其對通信工程人員最重視的諧波失真分析有重要貢獻。例如，在無線電話系統(tǒng)中的載波信號上，必須常檢查其他系統(tǒng)的諧波干擾是否造成信號失真，而影響到通話質量的情況。此外，通信工程人員也關心載波信號上的調(diào)變信號失真程度。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量。為了防范鄰近頻率信號干擾，針對調(diào)變信號所進行的展頻動作，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式電磁干擾，都會造成其他電子系統(tǒng)在操作運轉上的損害，因此電子或電器產(chǎn)品制造廠商，都必須依據(jù)電子電器商品相關法令規(guī)范，來進行電磁輻射測試，才能上市。

頻譜分析儀種類各有千秋

頻譜分析儀分兩類，實時性(Real Time)頻譜分析儀(SA)與掃描調(diào)諧(Sweep Tuned)頻譜分析儀。

SA能立即把信號濾出來，使用許多平行架構的濾波器來分布在所有的帶寬范圍中，信號一經(jīng)輸入之后能馬上表示(圖2)，為實時性頻譜分析儀的架構。實時性頻譜分析儀能立刻將信號濾出，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時處理，所以價格昂貴，且?guī)捦ǔ２粫芨撸话慵s10M～30MHz左右。

圖2 實時性頻譜分析儀架構

Sweep Tuned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)諧方式架構而成的頻譜分析儀方塊圖，使用一個帶通可調(diào)的濾波器(Tunable Filter)，由一掃描儀來調(diào)變期帶通寬度，進而使得相關的頻率信號通過，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，使不同的頻率信號在水平軸上分別對應地呈現(xiàn)。

圖3 RF調(diào)諧方式的頻譜分析儀架構

此種方式構成的頻譜分析儀較簡單，能包含較廣的頻率范圍，而且價格便宜，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，以及所能測量的頻率范圍較廣，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MHz/s左右，當掃描超出這個比值，濾波器對信號的響應尚未達到100%時，濾波器的帶通范圍已經(jīng)改變，所以測出的值往往較小于原來信號而不準確。

由于調(diào)諧式頻譜分析儀的靈敏度與準確性不高，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，使用一個頻率可變的本地振蕩器(Local Oscillator, LO)，使之產(chǎn)生隨時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在混波器(Mixer)混合后，產(chǎn)生一中頻。此中頻成為接收機的輸出，加至屏幕的垂直偏向板(橫軸)，巨齒波電壓亦同時加至水平偏向板(縱軸)，在屏幕上顯示出的信號為頻率與振幅的對應關系。以下將針對圖4中每個單元進行介紹：

圖4 超外差式頻譜分析儀簡易架構

·衰減器

因為混波器的RF輸入最大線性范圍有限，對一般測量不夠用，因此須將過大信號預先衰減到混波器RF輸入線性范圍。經(jīng)過混波器之后，再利用放大器把信號還原。但這種架構會造成頻譜分析儀上的顯示噪聲位準，隨著衰減器(Input Attenuator)的值起伏。

·混波器

RF信號與LO信號經(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。當輸入信號與本地振蕩器經(jīng)過混頻之后，會產(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：

第(1)式中fIF所產(chǎn)生的中頻頻率，遠高過頻譜分析儀內(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，其輸入信號之頻率fRF必須比fLO高，所以此種fRF信號比振蕩頻率fLO高的RF就會被排除在外。最后只有第(2)式中所產(chǎn)生的中頻，才為正確的中頻信號。

·解析帶寬

解析帶寬(Resolution Bandwidth, 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，也就是所謂的IF信號，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設的越窄，所觀察到的頻率分布就越細微，也降低噪聲位準。

圖5不同RBW與噪聲位準關系

·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。實際的設計中，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。

·檢波器

若直接將中頻信號輸出到屏幕上，會造成一團雜波。所以必須通過檢波器(Detector)，將中頻的交流電(AC)信號振幅轉換為直流(DC)偏壓，再輸出到屏幕行程相對的傳值偏向，呈現(xiàn)各個頻率的大小?，F(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。

·視信帶寬

中頻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，因此無法得到實時性分析(瞬間分析全部頻譜)，除非掃描時間趨近于零。況且，若使用比中頻濾波器的時間常數(shù)小的掃描時間來掃描的話，無法得到信號的正確振幅(即功率)，因此想要提高頻譜分析儀的頻率分辨率，且得到精準的響應，掃描速度要調(diào)整適當。從上述得知，在超外差的頻譜分析儀中，無法分析瞬時信號(Transient Signal)或單一脈沖信號(Impulse)，主要應用在測試周期性信號或者其他離散信號。

頻譜分析儀操作特性分析

頻率分辨率(Frequency Resolution)，是頻譜分析儀對于一些頻率相隔很近之信號區(qū)分的能力。決定此分辨率有兩個因素，一是中頻放大器的帶寬(Bandwidth)或選擇性(Selectivity)；另一個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(Residual FM)，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，會導致掃描靈敏度的衰檢(Sweep Desensitization)，將造成振幅、選擇性與分辨率的損失，可通過以下方法改善：當掃描信號被維持在中頻濾波器的帶寬，而有夠長時間允許信號幅度在濾波器建立一個適當值時，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：Boltzman Constant(1.38 x 10-23Joul/oK)
T：絕對溫度
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，因此當帶寬下降1/10時，噪聲水平(Noise Floor)會減少10dB，靈敏度也改善10dB。

理清基本參數(shù)定義

頻譜分析儀幾個基本設定參數(shù)，如圖6所示。頻率顯示的范圍，可以經(jīng)由設定開始頻率和截止頻率，也就是頻率的最大值與最小值，或者也可以設定想要的中心頻率，再設定所要展開的帶寬；位準顯示范圍有助于最大位準的顯示與間距；當頻譜分析儀以外差式原理來操作，頻率的分辨率是由IF濾波器的帶寬來設定的，也就是上面所提到的RBW。掃描時間(Sweep Time)主要針對外差式的頻譜分析儀設定，指紀錄所要全部頻率范圍所需時間。如果希望得到較小的解析帶寬，掃描時間會變長。

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接頭通常能測試范圍較小，且通過BNC測試出來的高頻部分較易產(chǎn)生誤差，所以現(xiàn)今的高頻測試儀器，幾乎都以N-Type接頭為主。

圖7 頻譜分析儀RF端測試接頭N Type接頭

在測試系統(tǒng)中有各類型接頭做測試。除N Type、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。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，但是在測量某些特殊規(guī)格或者測試過程中，還是有可能用到。

線材的分類是以信號衰減量、阻抗值、導體材料等單位來區(qū)分。常見RF線材RG223、RG316等，較常使用在高頻通信上；RG58、RG59等較常用在低頻測試上。RF部分的測量，常以RG316線材作測試線材。

不同待測物/信號可變化各式測試方式

頻譜分析儀應用非常廣，依照不同待測物、不同信號即可變化出各式各樣的測試方式。傅立葉變換，是目前十分重要且廣泛應用于各行業(yè)的數(shù)字信號分析技術，當儀器測量所得的信號為時間-振幅的數(shù)據(jù)時，可以用傅立葉變換將此一信號轉換為頻率-振幅，來進行此一信號的頻率特性分析。

傅立葉積分的定義為：

滿足狄里赫利條件的周期信號，可展開成對應的數(shù)學式為：

其中

式中a0、an、bn為傅立葉系數(shù)；T0為周期，也就是信號基頻成分的周期；為信號的基頻，nW0為次諧波。

正弦波、方波、三角波等的頻譜，如圖8、9、10所示，使用信號源輸入到頻譜分析儀中，即可驗證各波形的頻譜變化。

圖8 正弦波信號與頻譜

圖9 方波信號與頻譜

圖10 三角波信號與頻譜

諧波測量也是一種測量方式，任何的信號都會有所謂的諧波效應，比較不同的是電路的設計將諧波效應抑制下來，如使用一臺信號源送入100MHz信號，在其N倍頻下通常能看到其諧波的信號(圖11)。

圖11 主波與諧波表示圖

另外，在頻譜分析儀上裝設天線，可以接收到天線響應范圍內(nèi)信號，如電臺信號、無線電信號、手機信號等。如圖12所示，在接收范圍內(nèi)有125MHz、700MHz、1GHz等信號出現(xiàn)，在頻譜儀上就可清楚接收。

圖12 通信監(jiān)測示意圖

再來是相位噪聲測試。理想信號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功率值，在信號的左右完全沒有功率。但真實世界中，因物理特性關系，不可能有如此完美的信號存在，如圖13所示。一個信號除本身頻率外，還會有殘留功率在附近，稱為相位噪聲。

圖13 相位噪聲表示圖

信道功率是以設定信道寬度大小的帶寬測定，并計算其中的總功率值。如信號帶寬設定1MHz(即中心頻率左右各500kHz)，通道功率就以這范圍來測量整個帶寬中的總功率。換言之，如果帶寬設定在100kHz，那通道功率就會以100kHz內(nèi)的總功率來計算(圖14)。

圖14 通道功率示意圖

然后是調(diào)變信號測試。目前數(shù)字信號幾乎是屬于調(diào)變過后的信號，因為調(diào)變信號可以加強信號的安全性，常見的調(diào)變信號有AM、FM、FSK以及其他常被提及的調(diào)變方式。不同的調(diào)變信號可讓設計者或系統(tǒng)來判別，接收到的信號是否為所想要信號，圖15、16、17即是使用頻譜分析儀來作信號檢測的圖例。

圖15 AM信號測試(調(diào)變信號測試圖)

圖16 FM信號測試(調(diào)變信號測試圖)

圖17 FSK信號測試(調(diào)變信號測試圖)

最后是Gain/Loss的測量。頻譜分析儀結合信號追蹤器(Tracking Generator, TG)就成為一個激發(fā)響應(Stimulus Response)測量系統(tǒng)。使用TG來發(fā)射信號可當作一信號發(fā)生器，把RF接收端當成接收器；由于TG與RF的信號同步，所以可容易找出產(chǎn)品頻率響應點(Insertion Loss)，如果搭配Directional Coupler配件，可測量返回損失(Return Loss)。不論測試頻率響應點或者返回損失，測試時都須先標準化，標準化有兩種方式：短路與開路(圖18、19)。標準化意義在將儀器、制具、接頭、線材等損失先扣除，就可以直接測量出待測物發(fā)出信號的結果。

圖18 測試Insertion Loss前標準化與標準化后將待測物放上(Gain/Loss測量方式)

圖19 測試Return前標準化與標準化后將待測物放上(Gain/Loss測量方式)

一般直接使用TG來傳送信號、用RF來接收信號的測試方式(即中間無耦合器等線路)，其標準化會先將待測物拿掉，先行將兩端短路，然后利用頻譜分析儀內(nèi)的標準化功能(一般須加裝TG才會開啟這功能)。校正后再將待測物放上，即可測試。另一種使用Coupler方式，使用網(wǎng)橋當作中間Coupler，這樣的測試方式，會先將網(wǎng)橋的來源(Source)端接上TG、Reflected接到RF端，然后將待測裝置(DUT)端先行開路，等標準化后再將待測物接上DUT端，即可測試完成。