頻譜分析儀與測量技術基礎

頻譜分析系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號的頻譜特性。頻譜分析儀依信號處理方式的不同，一般有兩種類型；即時頻譜分析儀（Real-Time Spectrum Analyzer）與掃描調(diào)諧頻譜分析儀（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer).即時頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應的濾波器與檢知器（Detector)，再經(jīng)由同步的多工掃描器將信號傳送到CRT或液晶等顯示儀器上進行顯示，其優(yōu)點是能顯示周期性雜散波（Periodic Random Waves）的瞬間反應，其缺點是價昂且性能受限于頻寬范圍，濾波器的數(shù)目與最大的多工交換時間（Switching Time).最常用的頻譜分析儀是掃描調(diào)諧頻譜分析儀，其基本結構類似超外差式接收器，工作原理是輸入信號經(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同步的掃描產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時間作線性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號（IF）再放大，濾波與檢波傳送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的縱軸顯示信號振幅與頻率的對應關系。較低的RBW固然有助於不同頻率信號的分辨與量測，低的RBW將濾除較高頻率的信號成份，導致信號顯示時產(chǎn)生失真，失真值與設定的RBW密切相關，較高的RBW固然有助於寬頻帶信號的偵測，將增加雜訊底層值（Noise Floor），降低量測靈敏度，對於偵測低強度的信號易產(chǎn)生阻礙，因此適當?shù)腞BW寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。

一般維修者不使用，一是他的價格較高，二是操作較為復雜。需要配合信號發(fā)生器。但使用起來很方便的可以查找故障。

頻譜分析儀分析頻譜分析儀的訊息處理過程

在量測高頻信號時，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，除非使掃瞄時間趨近于零，無法得到輸入信號的實時（Real Time）反應，故欲得到與實時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間常數(shù)小的掃瞄時間來掃瞄的話，則無法得到信號正確的振幅，因此欲提高頻譜分析儀之頻率分辨率，且要能得到準確之響應，要有適當?shù)膾呙樗俣取Ｓ梢陨现當⑹?，可以得知超外差式頻譜分析儀無法分析瞬時信號（TransientSignal）或脈沖信號（Impulse Signal）的頻譜，而其主要應用則在測試周期性的信號及其它雜散信號（Random Signal）的頻譜。頻譜分析儀系統(tǒng)內(nèi)部及面板顯示的特性，詳如附錄一的說明，對該內(nèi)容的了解將有助于頻譜分析儀的操作使用。一般本地振蕩器輸出信號的頻率均高于中頻信號的頻率，本地振蕩器輸出信號的頻率可被調(diào)整在諧波之頻率，亦即"para" label-module="para">

由式⑵得知，頻譜分析儀的信號量測范圍，無形中己被拓寬，低于或高于本地振蕩器或其它諧波頻率的輸入信號，均能被混波產(chǎn)生中頻。延伸輸入信號頻率的混波原理，其中縱軸代表輸入信號（"para" label-module="para">

可體會頻譜分析儀利用本地振蕩的諧波信號延伸輸入信號頻率的工作原理。然而可能對應多個輸入信號頻率，為消除此一現(xiàn)象，在衰減器前面加入頻率預選器（Preselector），用來提升頻譜分析儀的動態(tài)范圍，同時使輸出的結果能去除其它不必要的頻率而真正反應輸入信號的頻率。

圖1.4：利用本地振蕩之諧波信號拓展信號頻率的原理

由以上得知超外差或頻譜分析儀無法分析瞬時信號（TransientSignal）或脈沖信號（Impulse Signal）的頻譜，而其主要應用則在測試周期性的信號及其它隨機信號（Random Signal）的頻譜。

頻譜分析儀噪聲特性

由于電阻的熱敏效應，任何設備均具有噪聲，頻譜分析儀亦不例外，頻譜分析儀的噪聲，本質(zhì)上是熱噪聲，屬于隨機性（Random），它能被放大與衰減，由于系隨機性信號，兩噪聲的結合只有相加而無法產(chǎn)生相減的效果。在頻帶范圍內(nèi)也相當平坦，其頻寬遠大于設備內(nèi)部電路的頻寬，檢測器檢知的噪聲值與設定的分辨率頻寬（RBW）有關。由于噪聲是隨機性迭加于信號功率上，因此顯示的噪聲準位與分辨率頻寬成對數(shù)的關系，改變分辨率頻寬時噪聲隨之變化，噪聲改變量相關的數(shù)學式如下所示：

例如：頻寬從100kHz（BW1）調(diào)整到10kHz（BW2），則噪聲改變量為：

亦即降低噪聲量10dB （為原來的1/10），相對提高訊號與噪聲比10dB。由此可知，純粹要降低噪聲量，使用最窄寬度的頻寬將能達到目的。不論噪聲來之于外部或內(nèi)部產(chǎn)生，量測時均將影響信號振幅的準確性，特別在低準位信號時，更是如此，噪聲太大時，甚至掩蓋信號以致無法正確判斷信號的大小，影響量測質(zhì)量的兩種噪聲可概括為下列三大項：

⑴.產(chǎn)生于交換功能的數(shù)字電路、點火系統(tǒng)與DC 馬達脈沖噪聲，這類噪聲常見于EMI（Electromagnetic Interference）的討論領域里。

⑵. 隨機性噪聲來之于自然界或電路的電子移動，又稱之為KTBW （或稱熱敏）噪聲、Johnson 噪聲、寬帶噪聲或白氏（White）噪聲等，本書主要以熱敏噪聲為重點，數(shù)學式為：

Pn =kTBW ，⑸

其中：Pn =噪聲功率= 3.98*10"para" label-module="para">

k=Boltzman 常數(shù)，1.38*10"para" label-module="para">

T=絕對溫度表示的常溫=290 oK

BW=系統(tǒng)的噪聲功率頻寬（Hz）。

在4MHz、75 Ω、290 oK 時的噪聲功率為-59.1dBm。由噪聲功率得知，信號頻寬降低，系統(tǒng)噪聲功率隨之降低，信號的質(zhì)量以信號噪聲比表示

（SNR；Signal-to-Noise Ratio），信號強度（單位為dBm）與系統(tǒng)噪聲功

率（單位為dBm）的相減值即為信號噪聲比，數(shù)學式為：

頻譜分析儀匹配因素

量測設備的輸入阻抗有時無法匹配待測件連接線特性阻抗，根據(jù)電磁

理論，阻抗匹配時，輸出功率最大且沒有其它不良的副作用，而阻抗不匹

配，將造成信號反射，影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定與造成信號功率的損失。信號

在傳輸在線往返傳送將產(chǎn)生駐波及噪聲，進而影響接收端的信號質(zhì)量與量

測值的準確性。量測設備輸入阻抗與待測件組抗不匹配之缺點可規(guī)納為：

A.信號反射，傳輸纜在線產(chǎn)生駐波。

B.噪聲增大。

C.降低信號輸出功率。

D.影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。

E.影響量測值之準確度。