Zero Span-頻譜儀變成示波器-原來零展頻這樣用

做研發工作的朋友應該很常用頻譜儀Spectrum,只要設定好頻率範圍Start frequency ~ Stop frequency,就能看到頻段內的訊號。但是若開始頻率與結束頻率相同,也就是Zero Span的時候,這代表甚麼意思呢? 助教就來為各位說明一下。

混頻器Mixer

先稍微帶一下頻譜的方塊圖,頻譜之所以能偵測到高頻的訊號功率,是因為有個混頻器Mixer把輸入頻率與本地震盪運算之後轉為中頻,才有機會畫在螢幕上,這個功能稱為降頻Downconvert。

由於本地振盪器會不斷的變化頻率,才能將待測頻段的訊號從Start frequency一路畫到Stop frequency,因而得到頻譜軌跡Trace,換句話說你在Span設定的頻寬,就會是Local generator掃描的頻寬。

這部分的詳情請參考頻譜原理-Spectrum內部構造簡介,牽涉到的通訊數學原理在這裡RF Mixer & RF Mixing / Multiplication Tutorial,這部分並沒有很難,大家不要看到數學就嚇到,你要學工程三角函數是基本,我先假設各位都懂這一部分,後面你們才看得懂。

頻譜方塊圖 Spectrum diagram
頻譜方塊圖 Spectrum diagram

我來舉個一般操作的例子,各位比較有感覺。若待測訊號範圍在1000MHz~1100MHz之間,頻譜Frequency選項就需要設定Start=1000MHz、Stop=1100MHz,而Span選項頻譜會同步幫你算好,也就是1100-1000=100MHz。以Keysight的頻譜E4401B來說,它的中頻在2421.4MHz,若頻譜要畫出1000~1100MHz的trace,本地振盪器LO需要提供多少頻率呢? 請看下面

  • Start=1000MHz,LO=Input+IF=1000+2421.4=3421.4 MHz
  • Stop=1100MHz,LO=Input+IF=1100+2421.4=3521.4 MHz

所以為了畫出Start~Stop的頻譜軌跡,LO需要從3421.4MHz一路掃到3521.4MHz,才能完成工作。可能有人會問為何會有兩個中頻? 我不知道,也許是要克服雜訊,也許要克服諧波,可以確定的是降到100MHz以下一般電路會比較好處理。

Downconverter (Quote from Keysight E4401B service guide)
Downconverter (Quote from Keysight E4401B service guide)

零展頻-Zero Span

那如果我們把Start與Stop頻率都設定為相同,也就是Span=0Hz的時候,會發生甚麼事情呢? Zero span的時候,本地振盪LO不會有掃描的動作,它只會固定輸出一個頻率。

如果你學過通訊系統,或是至少瞄過剛剛我貼的通訊數學原理連結,你就會發現當LO固定的時候,它就是一台調幅AM(Amplitude Demodulator)的解調器,講白話一點它就是一台收音機,只是頻率不在一般的接收頻道。

如果你把頻率調在AM電台的頻率上,那是真的可以收到電台訊號喔! 有些頻譜儀會附上聲音旋鈕,我聽說有人當兵時是用頻譜儀來聽收音機,用這麼高級的收音機會不會太奢侈了。

實機操作

坐而言不如起而行,實際來試看看Zero Span吧。我拿了個訊號產生器,輸出50MHz的訊號當作載波,同時用500Hz的方波當做AM調變訊號,所以,整個輸出的調變訊號應該要像是下面這個圖一樣的波形。當然下圖只是示意圖,實際上500Hz的一個週期會包含10萬個50MHz的載波週期,基本上因為很密很難畫。

AM調變波示意圖,Carrier=50MHz、Modulation signal=500Hz
AM調變波示意圖,Carrier=50MHz、Modulation signal=500Hz

實際的機器設定會像下圖這個樣子,輸出功率設定為-20dBm,但為何訊號產生器的設定會是-14.3dBm? 因為這台訊號產生器的輸出阻抗是50 ohm,而頻譜儀的輸入阻抗是75 ohm,兩者阻抗不同,因此需要加裝一個阻抗匹配的Matching PAD,才不會發生訊號反射,而Matching PAD會耗損5.7dB的能量,所以我必須提高能量,才能剛好輸出-20dBm。

Signal generator
Signal generator

為了後續能循序漸進的介紹,我先把Modulation關掉,讓單純無調變的50MHz載波訊號直接進入Zero span的頻譜,看看會發生甚麼事情? 你會發現螢幕上出現一條橫線,最左邊是50MHz、最右邊也是50MHz。

由於LO在頻率上完全沒有變化,所以頻譜儀只是把50MHz載波的能量從螢幕最左邊畫到最右邊,而且花了10ms的時間。你有沒有發現這很像示波器的概念? 沒錯,它就是。

Zero span for single tone
Zero span for single tone

如果LO掃描的過程中,輸入訊號的振福隨著時間變化,就會反應在頻譜的Trace上,這種訊號的變化方式(或者稱為調變方式),就稱為振福調變AM(amplitude modulation)。也就是說頻譜儀看到的trace,將會是訊號產生器的調變訊號Mod output。

把Mod打開,頻譜上便出現了5個週期的方波,根據頻譜的資訊,掃描時間sweep time=10ms,所以這個方波的頻率是5/10ms=500Hz,也就是訊號產生器的調變波被還原了,或稱為解調Demodulate出來了。

理論上將sweep time調小可以看到更細緻的波形變化,但實際上這部分與頻譜的性能有關,sweep time無法一直往下調,畢竟它不是示波器,就像示波器的FFT功能也只是臨時軋一腳而已。

Zero span for square AM signal
Zero span for square AM signal

雖然上圖中的trace是靜止的,但實際上這個方波會不斷左右移動Rolling,因為沒有觸發點Trigger point的關係。若要讓波形穩定下來,則需要把訊號產生器的調變訊號Mod output,接到Spectrum背後的EXT TRIG IN,這樣頻譜才能像示波器一樣做正緣或負緣觸發,才能得到穩定的解調波形。

External trigger input - Spectrum rear panel
External trigger input – Spectrum rear panel

相關文章

VBW Video bandwidth做甚麼用? 頻譜軌跡的化妝師

RBW 調低讓低功率訊號浮出水面-觀察小訊號的好方法

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*