spectrum 頻譜-如何操作-讓你分析訊號得心應手

當你初次看到頻譜分析儀( spectrum Analyzer )的時候,是否覺得有點頭大? 面板按鈕這麼多,到底該從哪裡學起? 我想這是大多數人會遇到的問題,別擔心! 阿信助教會慢慢告訴你。

spectrum analyzer Agilent CXA
spectrum analyzer Agilent CXA

下圖是我把衛星QPSK訊號接入頻譜所呈現的 spectrum 畫面,這個像頂帽子的黃色軌跡會看起來大小適中,是因為我預先調整過設定。接下來我會以這個訊號為例,告訴各位如何調整設定得到這樣的軌跡。

DVB-S 數位訊號在 spectrum 上呈現的頻譜軌跡
DVB-S 數位訊號在 spectrum 上呈現的頻譜軌跡

Spectrum 設定-訊號規格

使用頻譜之前,我們必須先知道訊號的樣子,這裡的訊號是我從別台機器送出來的,因此我可以很清楚訊號規格,我先列出如下。

  • Carrier Frequency = 1800MHz
    中心載波,所以上圖的中心頻率是1.8G Hz
  • Symbol Rate = 27.5MHz
    其實它就是俗稱的鮑率(Baud Rate),代表每秒傳送多少符號(Symbol),Symbol Rate決定了訊號的頻寬
  • Modulation = QPSK
    QPSK的每個Symbol可以表示2 bit,所以每個Symbol可以有4種變化,分別落在四個像限中,但這台掃描式的頻譜只能看到功率,並無法看到相位,因此在這裡看不到QPSK的星座圖。
  • Content = PRBS23
    原本內容Content應該是影像串流(Stream),不過這裡為了測試,我用數學方式產生亂數串流,它會有類似白雜訊的效果,這樣我可以省下一台Stream player的空間。事實上即便是用真實的video stream,在頻譜上看起來也會很像白雜訊,因為stream當初在壓縮時,就已經把訊號用演算法將資料打散了。

Spectrum 頻率設定-FREQ/SPAN

根據待測訊號的規格,我們知道訊號的中心頻率在1800MHz,因此頻譜的中心頻率也要設定為1800MHz,如下圖白色中心線的位置,至於SPAN的寬度我就大概抓個100MHz。

在面板右方有按鈕FREQ與SPAN,這兩個按鈕負責頻率的設定,FREQ選項讓你可以針對起始頻率Start Freq與結束頻率Stop Freq作設定,這兩者之間的頻率差距稱為展距Span,螢幕中間的頻率稱為中心頻率Center Freq。

以下是常用的動作,若要調整任何數值,可以按數字鈕、旋鈕或是上下鍵:

  • 想平移整個軌跡:    調整Center Freq (此時Start/Stop Freq會連帶跟著調整)
  • 想讓軌跡變寬:    調整Span (此時Start, Stop會連帶同時往內或往外,Center不會變)
Spectrum 的頻率設定
Spectrum 的頻率設定

Spectrum 設定-振福AMPTD

頻譜與示波器最大的不同,就是示波器是看波形電壓,頻譜看的是功率,因此頻譜在Y軸上的單位是功率單位,例如常用的dBm,它是個功率的絕對單位,意思是與1mW比較的dB值。除了dBm之外還有dBmV、dBuV與dBc等等單位,我會另外撰文解釋。

首先看到下圖的表格頂端橫線,它稱為參考準位Reference Level,畫面中簡寫為Ref Level,指的是畫面頂端的功率準位。如下圖的標示Ref=-58.8dBm,所以頂端綠色的線表示-58.8dBm。從Ref Level開始每往下一格就小5dB,這個設定在右邊的橘色框選項Scale/Div可以看到,每格的衰減值也可以在畫面左上角看到5 dB/div字樣。所以畫面中訊號的高原處,從上往下數大約就是-66dBm。

以下是常用的動作

  • 把訊號軌跡抬高:    將Ref Level調小
  • 讓訊號的最高最低落差多一些:    把Scale/Div調小
Spectrum 解析頻寬RBW設定
Spectrum 解析頻寬RBW設定

檢波器-Detector

想像一下,你把頻譜軌跡沿著橫軸不斷的切割,切到不能再切為止,這個最小單位就是”點”point,像上圖的右下角就表示整條軌跡是由1001個點組成的。這個所謂的點Point,有人稱為籃子Bucket,也有人稱為區段Bin,因為這裡面其實還包含了好幾個點,它就是檢波器Detector的原始輸出軌跡,只不過這些點是在頻譜內部的晶片做處理,所以我們看不到。

我們可以設定要怎麼使用每個Bin裡面的原始軌跡資料,讓它成為頻譜螢幕上的一個點,一般有三到五種選擇,這些選擇在訊號擾動程度很低的時候幾乎沒有差別,但當訊號擾動程度很高的時候,差別就會逐漸浮現,Detector一般有三到五種選擇:

  1. Peak
    選擇每個Bin裡面的最大值當作顯示的點,當這個Bin裡面有已知訊號能量時,你可以觀測到正確的能量,通常這個選項是頻譜的預設值。
  2. Negative Peak
    選擇每個Bin裡面的最小值當作顯示的點,在底噪雜訊的量測上,使用Negative Peak會得到相對大的振幅變動,因為底噪功率很小,只要有一個很接近零的數值出現,在螢幕上的振幅就會出現很大的變化,目前我不確定這個選項適用於哪種訊號。
  3. Sample
    選擇每個Bin裡面的固定位置當作顯示的點,它的位置可以是每個Bin的開始、中間、或末端,重點是要固定位置,使用這個選項比較能公平的對待原始資料,比較能看出待測訊號的特性。
  4. Normal
    在一連串的Bin裡面,交錯使用Peak與Negative Peak,也就是相鄰的兩個Bin,其中一個用Peak另一個用Negative Peak以此類推,所以它會得到最大的Peak to Peak讀值,如果你想看頻譜軌跡的擾動程度,這是一個選擇。
  5. Average
    把Bin裡面的點做平均計算當作顯示的點,計算的方式主要是RMS,有些頻譜也有其它種類的平均算法,它可以讓你的頻譜軌跡看起來較平滑穩定,不會有太多擾動。

解析頻寬-RBW

想像一下,如果有兩個頻率很接近的弦波訊號,在頻譜上是會看到兩根突起呢? 還是會被頻譜視為根本是同一根訊號,這個問題就是分辨率Selectivity的問題。決定一個頻譜分辨率的因素就是解析頻寬Resolution Bandwidth(RBW),它是一個可以調整的值,下圖是根據這樣的想像畫出來的,但請注意這些綠色長條的兩邊實際上是彼此有重疊的,我為了說明方便並沒有呈現出重疊,詳細的RBW內容請看這裏頻譜原理-Spectrum內部構造簡介

spectrum-解讀訊號

以上我們已經能夠對頻譜分析儀做基本操作了,接下來對於呈現在畫面中的軌跡該怎麼解讀呢? 以下是我們在實務上經常會需要知道的資訊。

  • 中心頻率Center Freq=1.8GHz
    通常我們以中心頻率來描述訊號的位置,起碼知道預期中的訊號是否在對的位置出現。
  • 符碼率Symbol Rate=27.5MHz
    訊號的頻寬目視大約是27MHz,而一般常用的Symbol Rate是27.5MHz(以我常接觸的為主),我就主觀認定待測訊號的符碼率是27.5MHz
  • 訊號雜訊比SNR=12dB
    這個可用來敘述訊號的品質,SNR越高表示品質越好。
  • 雜訊Noise floor=-78.8dBm
    這裡可以知道每個RBW所含的環境雜訊,包含了訊號來源本身的雜訊與儀器自身的雜訊。

有了這些技巧,相信大家都能解讀頻譜上的軌跡了吧。

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4 Comments

  1. 您好,想請問頻譜中有個功能為detector,這只要是在做什麼?主要是目前在驗證TX bandedge時,發現開peak和average,其bandedge level差很大,想說請教看看這功能作用,謝謝。

    • 我這篇文章其實需要修正一下
      我會再找時間修正
      1. detector主要用來讓user決定要如何顯示頻譜軌跡的每個點, 每個點代表了一小個頻率區間的軌跡波形
      右下角如果寫1001pts, 表示有1001個區間
      peak是此區間的最大值, neg peak是最小值, sample是在區間固定位置取值, average是區間的所有點數的RMS或其他平均選項
      2. 由於頻譜設定會影響量測值, 幾乎所有公開的量測程序都會規定RBW, detector等選項, FCC我看好像也有規定BLE的band edge需要使用哪種detector

    • 這部分要請您自行參考它的使用手冊, 基本上可以得到大部分的解答

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