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如何正確使用頻譜分析儀
[ 2012/11/23 8:27:55 ] [轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源:就是要儀器網(wǎng)]

就量測(cè)信號(hào)的技術(shù)觀之,時(shí)域方面,示波器為一項(xiàng)極為重要且有效的量測(cè)儀器,它能直接顯示信號(hào)波幅、頻率、周期、波形與相位之響應(yīng)變化,目前,一般的示波器至少為雙軌跡輸出顯示裝置,同時(shí)也具有與繪圖儀連接的IEEE-488、IEEE-1394RS-232接口功能,能將屏幕上量測(cè)顯示的信息繪出,作為研究比較的依據(jù),但它僅局限于低頻的信號(hào),高頻信號(hào)則有其實(shí)際的困難。
  頻譜分析儀乃能彌補(bǔ)此項(xiàng)缺失,同時(shí)將一含有許多頻率的信號(hào)用頻域方式來呈現(xiàn),以識(shí)別在各個(gè)頻率的功率裝置,以顯示信號(hào)在頻域里的特性。圖1.1說明方波在時(shí)域與頻域的關(guān)系,此立體坐標(biāo)軸分別代表時(shí)間、頻率與振幅。
  低頻時(shí),雙軌跡模擬與數(shù)字示波器為目前信號(hào)時(shí)域的主要量測(cè)設(shè)備,模擬示波器可量測(cè)的輸入信號(hào)頻率可達(dá)100 MHz,數(shù)字示波器有100 MHz400(或500 MHz等多種。屏幕上顯示信號(hào)的意義為橫軸代表時(shí)間,縱軸代表信號(hào)電壓的振幅,用示波器量測(cè)可得到信號(hào)時(shí)間的相位及信號(hào)與時(shí)間的關(guān)系,但無法獲知信號(hào)失真的數(shù)據(jù),亦即無法獲知信號(hào)諧波分量的分布情況,同時(shí)測(cè)量微波領(lǐng)域(UHF以上的頻帶)信號(hào)時(shí),基于設(shè)備電子組件功能的限制、輸入端雜散電容等因素,量測(cè)的結(jié)果無可避免地將產(chǎn)生信號(hào)失真及衰減,為解決量測(cè)高頻信號(hào)上述的問題,頻譜分析儀為一適當(dāng)而必備的量測(cè)儀器,頻譜分析儀的主要功能是量測(cè)信號(hào)的頻率響應(yīng),橫軸代表頻率,縱軸代表信號(hào)功率或電壓的數(shù)值,可用線性或?qū)?shù)刻度顯示量測(cè)的結(jié)果。另外它的信號(hào)追蹤產(chǎn)生器 (Tracking Generator)可直接量測(cè)待測(cè)件(DUTDevice Under Test)的頻率響應(yīng)特性,但它只能量測(cè)振幅無法量測(cè)相位。

 

頻譜分析儀的工作原理
  頻譜分析儀依信號(hào)處理方式的不同,一般有兩種類型;實(shí)時(shí)頻譜分析儀(Real-Time Spectrum Analyzer)與掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer)。實(shí)時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號(hào)振幅,其工作原理是針對(duì)不同的頻率信號(hào)而有相對(duì)應(yīng)的濾波器與檢知器(Detector),再經(jīng)由同步的多任務(wù)掃瞄器將信號(hào)傳送到CRT屏幕上,其優(yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波(Periodic Random Waves)的瞬間反應(yīng),其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限于頻寬范圍、濾波器的數(shù)目與最大的多任務(wù)交換時(shí)間(Switching Time)。

  最常用的頻譜分析儀是掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀,其基本結(jié)構(gòu)類似超外差式接收器,工作原理是輸入信號(hào)經(jīng)衰減器直接外加到混波器,可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT同步的掃瞄產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線性變化的振蕩頻率,經(jīng)混波器與輸入信號(hào)混波降頻后的中頻信號(hào)(IF)再放大、濾波與檢波傳送到CRT的垂直方向板,因此在CRT的縱軸顯示信號(hào)振幅與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,信號(hào)流程架構(gòu)如圖1.3所示。影響信號(hào)反應(yīng)的重要部份為濾波器頻寬,濾波器之特性為高斯濾波器(Gaussian-Shaped Filter),影響的功能就是量測(cè)時(shí)常見到的解析頻寬(RBWResolution Bandwidth)。RBW代表兩個(gè)不同頻率的信號(hào)能夠被清楚的分辨出來的最低頻寬差異,兩個(gè)不同頻率的信號(hào)頻寬如低于頻譜分析儀的RBW,此時(shí)該兩信號(hào)將重迭,難以分辨,較低的RBW固然有助于不同頻率信號(hào)的分辨與量測(cè),低的RBW將濾除較高頻率的信號(hào)成份,導(dǎo)致信號(hào)顯示時(shí)產(chǎn)生失真,失真值與設(shè)定的RBW密切相關(guān),較高的RBW固然有助于寬帶帶信號(hào)的偵測(cè),將增加噪聲底層值(Noise Floor),降低量測(cè)靈敏度,對(duì)于偵測(cè)低強(qiáng)度的信號(hào)易產(chǎn)生阻礙,因此適當(dāng)?shù)?SPAN lang=EN-US>RBW寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。
  另外的視頻頻寬(VBW,Video Bandwidth)代表單一信號(hào)顯示在屏幕所需的最低頻寬。如前所說明,量測(cè)信號(hào)時(shí),視頻頻寬過與不及均非適宜,都將造成量測(cè)的困擾,如何調(diào)整必須加以了解。通常RBW的頻寬大于等于VBW,調(diào)整RBW而信號(hào)振幅并無產(chǎn)生明顯的變化,此時(shí)之RBW頻寬即可加以采用。
  量測(cè)RF視頻載波時(shí),信號(hào)經(jīng)設(shè)備內(nèi)部的混波器降頻后再加以放大、濾波(RBW決定)及檢波顯示等流程,若掃描太快,RBW濾波器將無法完全充電到信號(hào)的振幅峰值,因此必須維持足夠的掃描時(shí)間,而RBW的寬度與掃描時(shí)間呈互動(dòng)關(guān)系,RBW較大,掃描時(shí)間也較快,反之亦然,RBW適當(dāng)寬度的選擇因而顯現(xiàn)其重要性。
  較寬的RBW較能充分地反應(yīng)輸入信號(hào)的波形與振幅,但較低的RBW將能區(qū)別不同頻率的信號(hào)。例如使用于6MHz頻寬視訊頻道的量測(cè),經(jīng)驗(yàn)得知,RBW300kHz3MHz時(shí),載波振幅峰值并不產(chǎn)生顯著變化,量測(cè)6MHz的視頻信號(hào)通常選用300kHzRBW以降低噪聲。天線信號(hào)量測(cè)時(shí),頻譜分析儀的展頻(Span)使用100MHz,獲得較寬廣的信號(hào)頻譜需求,RBW使用3MHz。這些的量測(cè)參數(shù)并非一成不變,將會(huì)依現(xiàn)場(chǎng)狀況及過去量測(cè)的經(jīng)驗(yàn)加以調(diào)整。

分析頻譜分析儀的訊息處理過程
  在量測(cè)高頻信號(hào)時(shí),外差式的頻譜分析儀混波以后的中頻因放大之故,能得到較高的靈敏度,且改變中頻濾波器的頻帶寬度,能容易地改變頻率的分辨率,但由于超外差式的頻譜分析儀是在頻帶內(nèi)掃瞄之故,因此,除非使掃瞄時(shí)間趨近于零,無法得到輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)(Real Time)反應(yīng),故欲得到與實(shí)時(shí)分析儀的性能一樣的超外差式頻譜分析儀,其掃瞄速度要非常之快,若用比中頻濾波器之時(shí)間常數(shù)小的掃瞄時(shí)間來掃瞄的話,則無法得到信號(hào)正確的振幅,因此欲提高頻譜分析儀之頻率分辨率,且要能得到準(zhǔn)確之響應(yīng),要有適當(dāng)?shù)膾呙樗俣?。若用比中頻濾波器之時(shí)間常數(shù)小的掃描時(shí)間來掃描的話,則無法得到信號(hào)的正確振幅。因此,欲提高頻譜分析儀之頻率分辨率,且要得到準(zhǔn)確之響應(yīng),要有適當(dāng)?shù)膾呙瓒取?/FONT>
  如阻抗不匹配,測(cè)量時(shí)一定要加入阻抗匹配器或阻抗轉(zhuǎn)換器。阻抗匹配器通常由電感(L)與電容(C)或等效的微帶線(Microstrip Line)所構(gòu)成。

 

頻譜儀使用中的帶寬設(shè)置問題
  在測(cè)量一些CATV系統(tǒng)指標(biāo)中,常常要用到頻譜儀,為了使測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確,在頻譜儀的使用上常涉及到一個(gè)分辨帶寬設(shè)置的問題。要弄清這個(gè)問題,得要知道一些頻譜儀的基本原理。圖1是頻譜儀的基本原理框圖。圖中的中頻頻率(輸入信號(hào)通過與本振信號(hào)的和頻或差頻產(chǎn)生),本振受斜波發(fā)生器的控制,在斜波發(fā)生器的控制下,本振頻率將從低到高的線性變化。這樣在顯示時(shí),斜波發(fā)生器產(chǎn)生的斜波電壓加到顯示器的X軸上,檢波器輸出經(jīng)低通濾波器后接到Y軸上,當(dāng)斜波發(fā)生器對(duì)本振頻率進(jìn)行掃描時(shí)顯示器上將自動(dòng)繪出輸入信號(hào)的頻譜。檢波器輸出端的低通濾波器稱為視頻濾波器,用在分析掃描時(shí)對(duì)響應(yīng)進(jìn)行平滑。
1
、分辨帶寬
  在頻譜分析儀中,頻率分辨率是一個(gè)非常重要的概念,它是由中頻濾波器的帶寬所確定的,這個(gè)帶寬決定了儀器的分辨帶寬。例如,濾波器的帶寬是100KHZ。那么譜線頻率就有100KHZ的不定性,也即在一個(gè)濾波器的帶寬頻率范圍內(nèi),出現(xiàn)了兩條譜線的話,則儀器不能檢出這兩條譜線,而只顯示一條譜線,此時(shí)儀器所反映的譜線電平(功率)是這兩條譜線的電平功率的疊加。因此會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差。所以,對(duì)于兩條緊密相關(guān)的譜線,其分辨力取決于濾波器的帶寬。
  我們以測(cè)量載波電平為例,對(duì)儀器的分辨帶寬設(shè)置加以比較,圖2是分辨帶寬分別是(由下到上)30KHZ、300KHZ、3MHZ的頻譜曲線(輸入為單個(gè)載波信號(hào)),在設(shè)置分辨帶寬時(shí),我們考慮的是儀器是否能充分響應(yīng)輸入信號(hào)時(shí)有足夠的帶寬,正確的方法是展寬濾波器的帶寬,當(dāng)在屏幕上觀察到信號(hào)載波幅度不再增加時(shí),就表示中頻濾波器對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)已有足夠的帶寬了。在圖中我們看到,當(dāng)分辨帶寬在300KHZ3MHZ變化時(shí),顯示的信號(hào)幅度沒有變化,這就可以認(rèn)為300KHZ帶寬已經(jīng)足夠了。另外,分辨帶寬在300KHZ3MHZ之間設(shè)置時(shí),對(duì)于單個(gè)載波情況下的信號(hào)幅度沒有變化,但是在實(shí)際測(cè)量CATV系統(tǒng)圖象載波電平時(shí)卻不能將分辨帶寬設(shè)為3MHZ,這是因?yàn)樵趯?shí)際中圖象載波附近存在相鄰頻道的伴音載波(相距1.5MHZ),3MHZ帶寬則不能把相鄰伴音載波的能量濾掉,這樣相鄰伴音載波的能量會(huì)加到正在測(cè)量的圖象載波上,使測(cè)到的電平值比實(shí)際的高。
2
、視頻濾波器
  在圖1中的檢波器之后的濾波器稱為檢波濾波器又叫視頻濾波器,它是一個(gè)低通濾波器,它的作用可以減少檢波器輸出的噪聲變化,揭示一些已被掩蓋且接近本底噪聲的信號(hào),如果是測(cè)量噪聲功率,它還有助于穩(wěn)定測(cè)量。
  檢波器輸出端往往存在直流分量和交流分量,直流分量代表著中頻帶寬內(nèi)存在的能量,所以通過視頻濾波器可達(dá)到提取直流分量去除一些交流分量,這樣能給出更穩(wěn)定的無噪聲輸出。圖3是不同視頻帶寬下,檢波器輸出的信號(hào)圖,圖3a采用寬帶視頻濾波器,圖3b采用窄帶視頻濾波器,由圖中可看出,采用寬帶濾波器時(shí)噪聲的波動(dòng)較大,采用窄帶濾波器時(shí)波動(dòng)顯著減少,兩者的噪聲平均值卻一樣,也就是說濾波器不會(huì)降低平均噪聲電平,但能減少噪聲的峰值電平。因而能暴露出用較寬視頻濾波器不能看到的低電平信號(hào)。但在某些情況下,如分析一些特殊的噪聲信號(hào)時(shí),我們則需要較寬的視頻濾波器帶寬,以便觀察和分析,所以我們可根據(jù)不同的情況來設(shè)置視頻濾波器的帶寬。
  視頻濾波器的帶寬和分辨帶寬的關(guān)系是:檢波前的噪聲可以通過較窄的分辨帶寬來降低,從而降低檢波器的噪聲輸出電平;檢波后的噪聲則通過窄帶視頻濾波器來平滑減少噪聲波動(dòng),但不能降低噪聲的平均功率電平

 

頻譜儀的掃描速度問題
  用頻譜儀對(duì)電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí),為了減少測(cè)量誤差,我們往往要根據(jù)所要測(cè)量的信號(hào)特點(diǎn)來設(shè)定儀器的分辨率帶寬、視頻帶寬和掃描速度(或時(shí)間),這幾項(xiàng)儀器參數(shù)設(shè)定是頻譜儀使用中的三大基本設(shè)定。分辨帶寬和視頻帶寬問題在上面的文章以有闡述,這里我主要講述一下掃描速度問題。
  通常在測(cè)量時(shí)我們都希望儀器能以最快的速度顯示相關(guān)測(cè)量的結(jié)果,那么我們是否可將掃描速度設(shè)得任意快呢?回答是否定的,我們知道任何電子電路都有不同的工作帶寬,不同的帶寬電路對(duì)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間是不同的,通常帶寬較寬的電路的響應(yīng)時(shí)間比帶寬較窄的電路的響應(yīng)時(shí)間快。如果掃描速度過快,則電路來不及響應(yīng)而產(chǎn)生顯示誤差。在使用頻譜儀進(jìn)行信號(hào)測(cè)量時(shí),我們常常設(shè)置不同的分辨帶寬,因此儀器的掃描速度也應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置,這樣才能減少儀器的顯示誤差。

首先,電源對(duì)于頻譜分析儀來說是非常重要的,在給頻譜分析儀加電之前,一定要確保電源接法正確,保證地線可靠接地。頻譜儀配置的是三芯電源線,開機(jī)之前,必須將電源線插頭插入標(biāo)準(zhǔn)的三相插座中,不要使用沒有保護(hù)地的電源線,以防止可能造成的人身傷害。

       
其次,對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量前,開機(jī)后應(yīng)預(yù)熱三十分鐘,當(dāng)測(cè)試環(huán)境溫度改變3—5度時(shí),頻譜儀應(yīng)重新進(jìn)行校準(zhǔn)。

       
三,任何頻譜儀在輸入端口都有一個(gè)允許輸入的最大安全功率,稱為最大輸入電平。如國產(chǎn)多功能頻譜分析儀AV4032要求連續(xù)波輸入信號(hào)的最大功率不能超過+30dBmW(1W),且不允許直流輸入。若輸入信號(hào)值超出了頻譜儀所允許的最大輸入電平值,則會(huì)造成儀器損壞;對(duì)于不允許直流輸入的頻譜儀,若輸入信號(hào)中含有直流成份,則也會(huì)對(duì)頻譜儀造成損傷。

       
一般頻譜儀的最大輸入電平值通常在前面板靠近輸入連接口的地方標(biāo)出。如果頻譜儀不允許信號(hào)中含有直流電壓,當(dāng)測(cè)量帶有直流分量的信號(hào)時(shí),應(yīng)外接一個(gè)恰當(dāng)數(shù)值的電容器用于隔直流。

       
當(dāng)對(duì)所測(cè)信號(hào)的性質(zhì)不太了解時(shí),可采用以下的辦法來保證頻譜分析儀的安全使用:如果有RF功率計(jì),可以用它來先測(cè)一下信號(hào)電平,如果沒有功率計(jì),則在信號(hào)電纜與頻譜儀的輸入端之間應(yīng)接上一個(gè)一定量值的外部衰減器,頻譜儀應(yīng)選擇最大的射頻衰減和可能的最大基準(zhǔn)電平,并且使用最寬的頻率掃寬(SPAN),保證可能偏出屏幕的信號(hào)可以清晰看見。我們也可以使用示波器、電壓表等儀器來檢查DCAC信號(hào)電平
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