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spectrum 頻譜-如何操作-讓你分析訊號得心應手

2017-06-28 量測儀器, 頻譜分析儀 Spectrum 2

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。

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。

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 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

解析頻寬-RBW

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，這個最小單位就是解析頻寬Resolution Bandwidth(RBW)，這是我想到最好的解釋了，軌跡上每個點的高度就是RBW寬度範圍內的能量大小。下圖是根據這樣的想像畫出來的，但請注意這些棒子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。