頻譜分析儀與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)內(nèi)容簡(jiǎn)介

頻譜分析系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號(hào)的頻譜特性。頻譜分析儀依信號(hào)處理方式的不同，一般有兩種類(lèi)型；即時(shí)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(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)由同步的多工掃描器將信號(hào)傳送到CRT或液晶等顯示儀器上進(jìn)行顯示，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)目與最大的多工交換時(shí)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(jié)構(gòu)類(lèi)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同步的掃描產(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。較低的RBW固然有助於不同頻率信號(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固然有助於寬頻帶信號(hào)的偵測(cè)，將增加雜訊底層值（Noise Floor），降低量測(cè)靈敏度，對(duì)於偵測(cè)低強(qiáng)度的信號(hào)易產(chǎn)生阻礙，因此適當(dāng)?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(jià)格較高，二是操作較為復(fù)雜。需要配合信號(hào)發(fā)生器。但使用起來(lái)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(guò)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(wú)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(lái)掃瞄的話，則無(wú)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?。由以上之?dāng)⑹?，可以得知超外差式頻譜分析儀無(wú)法分析瞬時(shí)信號(hào)（TransientSignal）或脈沖信號(hào)（Impulse Signal）的頻譜，而其主要應(yīng)用則在測(cè)試周期性的信號(hào)及其它雜散信號(hào)（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(shuō)明，對(duì)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(hào)的頻率均高于中頻信號(hào)的頻率，本地振蕩器輸出信號(hào)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(hào)量測(cè)范圍，無(wú)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(hào)，均能被混波產(chǎn)生中頻。延伸輸入信號(hào)頻率的混波原理，其中縱軸代表輸入信號(hào)（"para" label-module="para">

可體會(huì)頻譜分析儀利用本地振蕩的諧波信號(hào)延伸輸入信號(hào)頻率的工作原理。然而可能對(duì)應(yīng)多個(gè)輸入信號(hào)頻率，為消除此一現(xiàn)象，在衰減器前面加入頻率預(yù)選器（Preselector），用來(lái)提升頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)使輸出的結(jié)果能去除其它不必要的頻率而真正反應(yīng)輸入信號(hào)的頻率。

圖1.4：利用本地振蕩之諧波信號(hào)拓展信號(hào)頻率的原理

由以上得知超外差或頻譜分析儀無(wú)法分析瞬時(shí)信號(hào)（TransientSignal）或脈沖信號(hào)（Impulse Signal）的頻譜，而其主要應(yīng)用則在測(cè)試周期性的信號(hào)及其它隨機(jī)信號(hào)（Random Signal）的頻譜。

頻譜分析儀噪聲特性

由于電阻的熱敏效應(yīng)，任何設(shè)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(jī)性（Random），它能被放大與衰減，由于系隨機(jī)性信號(hào)，兩噪聲的結(jié)合只有相加而無(wú)法產(chǎn)生相減的效果。在頻帶范圍內(nèi)也相當(dāng)平坦，其頻寬遠(yuǎn)大于設(shè)備內(nèi)部電路的頻寬，檢測(cè)器檢知的噪聲值與設(shè)定的分辨率頻寬（RBW）有關(guān)。由于噪聲是隨機(jī)性迭加于信號(hào)功率上，因此顯示的噪聲準(zhǔn)位與分辨率頻寬成對(duì)數(shù)的關(guān)系，改變分辨率頻寬時(shí)噪聲隨之變化，噪聲改變量相關(guān)的數(shù)學(xué)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(lái)的1/10），相對(duì)提高訊號(hào)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(dá)到目的。不論噪聲來(lái)之于外部或內(nèi)部產(chǎn)生，量測(cè)時(shí)均將影響信號(hào)振幅的準(zhǔn)確性，特別在低準(zhǔn)位信號(hào)時(shí)，更是如此，噪聲太大時(shí)，甚至掩蓋信號(hào)以致無(wú)法正確判斷信號(hào)的大小，影響量測(cè)質(zhì)量的兩種噪聲可概括為下列三大項(xiàng)：

⑴.產(chǎn)生于交換功能的數(shù)字電路、點(diǎn)火系統(tǒng)與DC 馬達(dá)脈沖噪聲，這類(lèi)噪聲常見(jiàn)于EMI（Electromagnetic Interference）的討論領(lǐng)域里。

⑵. 隨機(jī)性噪聲來(lái)之于自然界或電路的電子移動(dòng)，又稱(chēng)之為KTBW （或稱(chēng)熱敏）噪聲、Johnson 噪聲、寬帶噪聲或白氏（White）噪聲等，本書(shū)主要以熱敏噪聲為重點(diǎn)，數(shù)學(xué)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(duì)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(shí)的噪聲功率為-59.1dBm。由噪聲功率得知，信號(hào)頻寬降低，系統(tǒng)噪聲功率隨之降低，信號(hào)的質(zhì)量以信號(hào)噪聲比表示

（SNR；Signal-to-Noise Ratio），信號(hào)強(qiáng)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(hào)噪聲比，數(shù)學(xué)式為：

頻譜分析儀匹配因素

量測(cè)設(shè)備的輸入阻抗有時(shí)無(wú)法匹配待測(cè)件連接線特性阻抗，根據(jù)電磁

理論，阻抗匹配時(shí)，輸出功率最大且沒(méi)有其它不良的副作用，而阻抗不匹

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

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

測(cè)值的準(zhǔn)確性。量測(cè)設(shè)備輸入阻抗與待測(cè)件組抗不匹配之缺點(diǎn)可規(guī)納為：

A.信號(hào)反射，傳輸纜在線產(chǎn)生駐波。

B.噪聲增大。

C.降低信號(hào)輸出功率。

D.影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。

E.影響量測(cè)值之準(zhǔn)確度。