儀器大不同（一） ─ 頻譜分析儀種類介紹

在通信上，量測(cè)頻率中有一項(xiàng)工作室檢測(cè)信號(hào)在頻域的情況。而頻譜分析儀就是為了這個(gè)目的而研發(fā)出來的儀器，并且被廣泛使用在測(cè)量通信的參數(shù)，如average noise level、dynamic range、frequency range或是其它。除此之外，還可以利用在時(shí)域的量測(cè)，像是測(cè)量傳輸輸出功率等項(xiàng)目。

依功能來區(qū)分，可以將頻譜分析儀想成：計(jì)頻器 + 功率計(jì)。因?yàn)橛?jì)頻器只能量測(cè)訊號(hào)的頻率，而功率計(jì)只能量測(cè)訊號(hào)的功率，若兩者要同時(shí)得到，頻譜分析儀就可以達(dá)到此目地。

如果要*地分析且清楚一個(gè)信號(hào)的特性，除了使用示波器從時(shí)域 （Time Domain）去觀察信號(hào)外，還需要從頻率的角度（簡稱頻域：Frequency Domain）去分析信號(hào)。只用示波器來觀察信號(hào)并不能看出信號(hào)全部真正的面貌，只能看到組成之后的波形；例如方波，它其實(shí)是經(jīng)過許多信號(hào)的累積而形成的一種信號(hào)。

圖1 時(shí)域與頻域的差異

在射頻電路中可能會(huì)有放大器（Amplifier）、振蕩器（Oscillator）、混頻器（Mixer）、濾波器（Filter）等電路組件，單純只用示波器來觀察的話，根本無法察覺該組件在電路中的變化，這時(shí)候就必須使用頻譜分析儀，分析其頻率響應(yīng)來說明電路的特性。圖1說明了時(shí)域與頻域上的差別。

頻譜分析儀的種類

頻譜分析儀一般而言分成兩種類型，Real Time頻譜分析儀（SA）與Sweep Tuned頻譜分析儀兩種類型。

Real Time頻譜分析儀（SA）

這類型的SA稱為實(shí)時(shí)性頻譜分析儀，顧名思義是能立即把信號(hào)濾出來，所以它使用了許多平行架構(gòu)的濾波器來分布在所有的頻寬范圍中，而信號(hào)一經(jīng)輸入之后沒有Delay就能馬上表示出來，如圖2所示，為實(shí)時(shí)性頻譜分析儀的架構(gòu)。

實(shí)時(shí)性頻譜分析儀的好處即是可以立即的將信號(hào)濾出來，而且Filter的頻寬可以依照不同的span來作調(diào)整與改變，不過這類型的頻譜儀，zui大的問題在于因?yàn)樗褂么罅康臑V波器來作實(shí)時(shí)處理，所以價(jià)格非常昂貴，且頻寬都不會(huì)很高，一般而言約10MHz-30MHz左右。

圖2 實(shí)時(shí)性頻譜分析儀的架構(gòu)

Sweep Tuned頻譜分析儀

在這類型的頻譜分析儀當(dāng)中，又可區(qū)分為兩大類，RF調(diào)諧方式、超外差掃描方式。

（A）RF調(diào)諧方式

圖3所示的為RF調(diào)諧方式架構(gòu)而成的頻譜分析儀方塊圖，它是使用一個(gè)帶通可調(diào)的濾波器（Tunable Filter），由一掃描儀來調(diào)變期帶通寬度，進(jìn)而使得相關(guān)的頻率信號(hào)通過并加至垂直偏向版（即CRT中的橫軸），而CRT中的水平軸受掃描儀頻率同步的控制，使不同的頻率信號(hào)在水平軸上分別對(duì)應(yīng)地呈現(xiàn)。

使用此種方式構(gòu)成的頻譜分析儀較為簡單，能包含較廣的頻率范圍且價(jià)格便宜，但是靈敏度與頻率特性等效能較差，且濾波器的帶寬固定，即頻率的分辨率無法改變。由于此種調(diào)諧型的頻譜分析儀較為經(jīng)濟(jì)以及所能測(cè)量的頻率范圍較廣，故早期的微波頻帶的頻譜分析常常使用這一方式；但是較可惜的，因?yàn)榇朔N方式是以掃瞄器來調(diào)變?yōu)V波器的帶通，故掃描儀的掃描速度不能太快，通常在數(shù)個(gè)MHz/s左右，當(dāng)掃描超出這個(gè)比值，濾波器對(duì)于信號(hào)的響應(yīng)尚未達(dá)到100%時(shí)，濾波器的帶通范圍已經(jīng)改變，所以所測(cè)出的值往往會(huì)較小于原來的信號(hào)而不準(zhǔn)確。

圖3 RF調(diào)諧方式的頻譜分析儀架構(gòu)

（B）超外差式頻譜分析儀

由于調(diào)諧式的頻譜分析儀的靈敏度與準(zhǔn)確性不高，所以目前使用zui廣的頻譜分析儀是超外差式的頻譜分析儀，如圖4。此種方式乃將輸入濾波器的帶通固定，使用一個(gè)頻率可變的本地振蕩器（Local Oscillator），使之產(chǎn)生隨著時(shí)間而作線性變化的振蕩頻率。將此可變的振蕩頻率與輸入信號(hào)在混波器（Mixer）混合后，產(chǎn)生一中頻。此中頻成為接收機(jī)的輸出，加至屏幕的垂直偏向版（橫軸），且巨齒波電壓亦同時(shí)加至水平偏向板（縱軸），結(jié)果在屏幕上顯示出的信號(hào)為頻率與振幅的對(duì)應(yīng)關(guān)系?，F(xiàn)在就根據(jù)圖4中每一個(gè)單元作簡單的介紹：

圖4 超外差式頻譜分析儀架構(gòu)

1. 衰減器（Input Attenuator）：因?yàn)榛觳ㄆ鞯腞F輸入zui大線性范圍有限，這對(duì)一般的量測(cè)是不夠用的，因此必須將過大的信號(hào)預(yù)先衰減到混波器的RF輸入線性范圍。經(jīng)過混波器之后，在利用放大器將之還原。但這種架構(gòu)會(huì)造成頻譜分析儀上的顯示噪聲位準(zhǔn)，隨著衰減器的值而起伏。
2. 混波器（Mixer）：RF信號(hào)與本地振蕩器（LO）信號(hào)經(jīng)過混波器之后，會(huì)產(chǎn)生許多兩者之間頻率倍數(shù)相加減的信號(hào)。而當(dāng)輸入信號(hào)與本地振蕩器經(jīng)過混頻之后，會(huì)產(chǎn)生三種中頻的可能（或者更多），可用以下公式來求出所要的正確中頻信號(hào)：

從（1）式來看， 所產(chǎn)生的中頻頻率遠(yuǎn)高過頻譜分析儀內(nèi)中頻濾波器的協(xié)振頻率，故不能為此儀器所接受。而（3）式所產(chǎn)生之中頻，其輸入信號(hào)之頻率 必須比 高，所以此種 信號(hào)比振蕩頻率 高的射頻就會(huì)被排除在外。故zui后只有第（2）式中所產(chǎn)生之中頻才為政確之中頻信號(hào)。

1. 解析頻寬（Resolution Bandwidth, RBW）濾波器：RBW濾波器也稱中頻濾波器，他的作用是將RF頻率與本地振蕩頻率相檢的信號(hào)，也就是所謂的IF信號(hào)，由混波器產(chǎn)生的眾多頻率中過濾出來。使用者可藉由頻譜分析一面板上的RBW控制鈕選擇不同的3dB頻寬的RBW濾波器。由圖5中可看出，RBW設(shè)的愈窄，所觀察到的頻率分布就越細(xì)微，也降低了噪聲位準(zhǔn)。

圖5 不同的RBW與噪聲位準(zhǔn)關(guān)系

1. 電壓控制振蕩器（VCO）：頻譜分析儀上VCO的頻率，必須由高于zui高輸入頻率延伸到至少zui高輸入頻率兩倍的頻率以上。對(duì)工作在1GHz以上的頻譜分析儀而言，這就代表著振蕩器至少要由1GHz到3GHz。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，大多數(shù)為2GHz到3.5GHz左右。這種頻率范圍通常需要具有調(diào)諧電路的振蕩器，而非低頻振蕩器中典型的線圈與電容。
2. 檢波器（Detector）：我們?nèi)糁苯訉⒅蓄l信號(hào)輸出到屏幕上，會(huì)造成一團(tuán)雜波。所以必須透過檢波器，將中頻的AC信號(hào)振幅轉(zhuǎn)換為直流偏壓，再輸出到屏幕行程相對(duì)的傳值偏向，已呈現(xiàn)各個(gè)頻率的大小。現(xiàn)行的頻譜分析儀，大多以數(shù)字取樣的方式，將波型呈現(xiàn)在屏幕上。
3. 視訊頻寬（Video Bandwidth, VBW）：中頻振幅的直流偏壓送到屏幕之前，還要經(jīng)過視訊濾波器。它是一個(gè)低通濾波器，可將屏幕的垂直偏壓變化變的比較平緩。

一般來說，超外差式的頻譜分析儀混頻之后因?yàn)橹蓄l放大的緣故，可以得到較大的靈敏度，且改變中頻濾波器的頻帶寬度，能夠很容易的改變頻率的分辨率。但由于超外差式的頻譜分析儀是在頻袋內(nèi)掃描的緣故，因此無法得到實(shí)時(shí)性（Real Time）的分析（瞬間分析全部頻譜），除非要使掃描時(shí)間趨近于零。況且，若使用比中頻濾波器的時(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（即功率），因此想要提高頻譜分析儀的頻率分辨率，且要得到的響應(yīng)，掃描的速度要調(diào)整的很適當(dāng)。

由上面的理由可以得之，在超外差的頻譜分析儀中，較無法分析瞬時(shí)信號(hào)（Transient Signal）或單一脈沖信號(hào)（Impulse），而主要應(yīng)用在測(cè)試周期性訊號(hào)或者其它離散訊號(hào)。

（續(xù)待…）