[頻譜操作]頻譜分析儀構造簡介Spectrum

頻譜分析儀Spectrum Analyzer顧名思義是用來觀察訊號是由哪些頻率組成,所以螢幕上的橫軸是頻率,下方是一個弦波實際呈現在頻譜上看到的樣子,中間凸起來的訊號就是1.369G Hz弦波的頻率。相較於示波器來說,頻譜用在頻域(Frequency domain),而示波器則用在時域(Time domain)。

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訊號的成分

所有的週期訊號都能夠拆解成不同頻率的正弦波,這件事情在數學上已經得到證明,相關的數學可以參考傅立葉轉換(Fourier Transform)或是傅立葉級數(Fourier Series)

下圖左方有個波型看起來像弦波,但卻又不那麼純粹,若只利用示波器Scope觀察,很難知道這個波型是否還有其他頻率存在,頻譜Spectrum的任務就是把所有的頻率展開排排站,讓使用者能一目瞭然。以下圖來說,用spectrum觀察就能看到如右方的頻譜圖,使用者馬上知道這個訊號除了基頻的弦波之外,還有另一個振福稍微小一些的二倍頻弦波。

spectrum_freq_domain
本圖摘自Keysight的文獻
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5952-0292.pdf

頻譜的架構

下方是掃瞄式頻譜(Sweep spectrum)的構造,它其實就是一台比較進階的超外差收音機。簡單來說就是把Input signal降頻成為中頻訊號(Intermediate Frequency),再將此中頻的功率畫在螢幕上。

spectrum-diagram

 

衰減器Attenuator

為了避免輸入訊號過大,造成Spectrum內部元件飽和甚至損壞,通常會先將訊號衰減,之後顯示在螢幕上時再將讀值放大,因此在螢幕上看到的功率就是實際的功率,無須再自行換算。衰減量通常會顯示在螢幕上給使用者參考

衰減量通常標示在上方如下紅框圖示
screen_0000_cr

混波器Mixer

由於中頻濾波器(IF filter)的輸入頻率是固定的,Mixer的作用就是將目標頻率降至IF的頻率,這個動作稱為降頻downconversion。Mixer將RF輸入訊號與本地振盪器(Local oscillator)相乘後會同時得到兩組頻率,一個是fout=(fosc-fRF)的頻率,另一個是fout=(fosc+fRF)的頻率,最後只有較小的fout=(fosc-fRF)會通過IF filter。這個IF=(fosc-fRF)中頻訊號的功率就是輸入訊號在頻率fRF的功率,將來在螢幕上就會以一個點來表示,點的位置高低就表示功率大小。關於mixer的說明,這篇文章有數學模型http://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-design/mixers/rf-mixers-mixing-basics-tutorial.php

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掃頻器Sweep generator

剛才的IF訊號功率,只表示輸入訊號中單一特定頻率的功率,所以只有顯示一個點,更嚴謹的說就是這個點表示IF filter那窄窄的頻寬範圍內的總功率。若使用者想把某段頻率範圍的功率曲線都畫出來,理論上就需要不斷的移動IF filter的中心頻率來獲得該頻段的功率曲線圖,可惜實際上IF filter的中心頻率是固定的,所以我們只能調整LO(Local Oscillator)的頻率。LO本身是可以由電壓來控制頻率的,它其實是個VCO(Voltage control oscillator),因此Sweep generator就擔任了voltage controller這個角色,這樣我們就能藉由Sweep generator的電壓改變LO的頻率,將輸入訊號的不同頻率轉送到IF filter。

下圖顯示Spectrum如何掃描輸入訊號的頻譜
上排淺綠色軌跡是待測訊號的原始頻譜,深綠色的凸起表示IF filter的頻率響應,藉由LO改變頻率讓淺綠色的訊號移動,每移動一次IF filter就對淺綠色的待測訊號取樣(頻譜相乘),取樣的結果便繪製在下排圖,用以表示Spectrum的螢幕是如何顯示。你可以發現當待測訊號是個弦波時,雖然在理論上它的頻譜應該是個脈衝,但實際上頻譜顯示的卻是個山峰,因為這時你看到的是IF filter的形狀。

sweep
本圖摘自Keysight的文獻
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5952-0292.pdf

解析頻寬Resolution Bandwidth

由上面的五格漫畫大家應該了解,若要更忠實呈現訊號的頻譜,IF filter的寬度當然是越窄越好,但相對付出的代價就是掃描時間會拉長。IF filter的頻寬就稱為解析頻寬Resolution Bandwidth(RBW),若待測訊號的頻率太靠近甚至等於RBW的話,我們將很難區分出頻率成分,稱之為Selectivity很低。下圖是兩個成分頻率的間距剛好等於RBW,大概也只能約略看出有兩個波峰。
selectivity1
本圖摘自Keysight的文獻
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5952-0292.pdf

如果成分頻率剛好一高一矮,較矮的訊號又剛好低於IF filter的裙擺之下,就甚麼都看不到了。要將RBW設定得窄一些,才有機會看到。下圖有兩個軌跡,上方軌跡的RBW較寬,雖然有兩個頻率但卻只能看到最高的那一個。下方
軌跡的RBW較窄,因此可以看到有兩個波峰存在。
selectivity2
本圖摘自Keysight的文獻
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5952-0292.pdf

視訊頻寬Video Bandwidth

Video bandwidth(VBW)可以將頻譜圖變得更平滑,尤其是當待測訊號的功率非常接近noise floor的時候,肉眼很不容易辨識。此時只要將VBW調小,經驗上只要VBW比RBW小,就能達到平滑的效果。Video filter是一個Low pass filter,用來過濾IF filter之後的包絡波(envelope),而envelope最差就是貼著IF訊號走,最大頻率不會超過RBW,因此VBW設得越小就越能緩和envelope的變動率。

看個實例,下圖中央有個16MHz的頻率,功率非常小,在目前的設定之下並不容易觀察到,它幾乎被雜訊給淹沒。

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當VBW調小時,雜訊的變動跟著變小(如下圖),就能看見訊號,但是付出的代價是sweep time變長,從0.15秒變成8秒。

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螢幕Display

顯示器是最終畫出頻譜的地方,上圖黃色線就是頻譜圖,顯示以16MHz為中心左右各50KHz範圍內的頻譜圖。中間凸起來的就是待測訊號功率大約-105dBm,兩邊帶有鬚鬚的橫線就是雜訊(Noise Level)大約-110dBm,這裡所看到的功率指的是在RBW之內所計算出來的功率,所以當RBW變大的時候,Noise floor會變高,因為雜訊會隨著頻寬變大而把其他頻率上的雜訊納進來。但待測訊號的功率讀值並不會因為RBW的大小而有所變化,因為待測訊號的頻率是固定的。

表格最上方的橫線稱為Reference level,以上圖來說Reference level=-25dBm, Y軸的刻度一格是10dB,往下一格代表功率小十分之一,往下四格就是一萬分之一。X軸代表頻率,左邊是開始頻率(Start)右邊是結束頻率(Stop),你也可以用中心頻率(Center)與展開頻率(Span)來設定頻率範圍。

各位若對於Spectrum analyzer有興趣想深入了解
請參閱下列keysight的連結
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5952-0292.pdf

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