頻譜分析基本原理：快速完成高效率測量

所有電子設(shè)計工程師和科學(xué)家都曾執(zhí)行過電氣訊號分析，簡稱訊號分析。透過這項基本量測，他們可洞察訊號細(xì)節(jié)并獲得重要的訊號特性資訊。不過訊號分析的成效，主要取決于量測儀器的效能，而頻譜分析儀與向量訊號分析儀是兩種最常用于電氣訊號分析的測試設(shè)備。

頻譜分析儀是廣為使用的多用途量測工具，可量測輸出訊號相較于頻率的大小（magnitude），以便t解已知和未知訊號的頻譜功率。向量訊號分析儀則可同時量測分析儀中頻（IF）頻寬之輸出訊號的大小與相位，并經(jīng)常用來對已知訊號執(zhí)行通道內(nèi)量測，例如誤差向量幅度（EVM）、域碼功率，及頻譜平坦度。過去，頻譜分析儀與向量訊號分析儀是兩種各自獨立的儀器，但隨著量測技術(shù)不斷突飛勐進(jìn)，量測設(shè)備商現(xiàn)在已可將它們整合于一機(jī)，并通稱為頻譜分析儀。

利用這類分析儀提供的強大量測與分析功能，工程師可快速而全面地洞察他們開發(fā)設(shè)計的元件或系統(tǒng)。為了善用頻譜分析儀的各項功能，使用者必須t解其運作方式，以全面滿足特定應(yīng)用的量測需求。

認(rèn)識頻譜分析儀的基本塬理

使用者除了需t解分析儀的各種功能外，還需認(rèn)識頻譜分析的基本運作塬理。過去，示波器通常被用來執(zhí)行時域量測，以便觀察電氣訊號在某一段時間內(nèi)的變化，但這樣并無法窺探訊號的全貌。為了充分掌握元件或系統(tǒng)的效能，工程師必須在頻域中分析訊號，而這正是頻譜分析儀的工作。不過，隨著數(shù)位技術(shù)大幅躍進(jìn)，各種儀器間的分野已不再那么涇渭分明。例如，有些示波器現(xiàn)在也可執(zhí)行向量訊號分析，而訊號分析儀則開始提供多項時域量測功能。雖然如此，示波器還是最適合用來執(zhí)行時域量測，訊號分析儀則是最理想的頻域量測工具。

在頻域中，如果訊號涵蓋一個以上的頻率，頻譜分析儀會依照頻率將其劃分為一個一個的頻譜，并且顯示各個頻率中的訊號位?。绰柋Ｊ褂妙l域量測技術(shù)有許多好處。比方說，頻譜分析儀可以清楚分辨示波器無法辨識的訊號資訊。此外，使用頻譜分析儀量測訊號時，使用者可將量測頻寬調(diào)窄，以大幅減少雜訊。由于現(xiàn)在很多系統(tǒng)都是在頻域中運作，因此儀器必須能夠在頻域中分析訊號，以避免受到鄰近通道頻率的干擾。

執(zhí)行頻域量測時，工程師只需一臺頻譜分析儀，便可輕易量測訊號的頻率、功率、諧波內(nèi)容、調(diào)變、突波以及雜訊。完成前述量測后，工程師便可確認(rèn)總諧波失真、子悶悼懟⒀逗盼榷ǘ?、输除rβ?、綋Qサ鞅涫д?、功聞莸繎虎载波杂讯饼x以及其他各種量測結(jié)果。

快速傅立葉轉(zhuǎn)換（FFT）分析儀或掃描調(diào)諧（swept-tuned）分析儀，都是執(zhí)行頻域量測（或頻譜分析）的理想工具。FFT分析儀可擷取一段時域訊號，并使用數(shù)位取樣技術(shù)將訊號轉(zhuǎn)為數(shù)位訊號，接著再執(zhí)行必要的數(shù)學(xué)運算將其轉(zhuǎn)換為頻域訊號，最后在螢?zāi)恢酗@示頻譜分布圖。此外，F(xiàn)FT分析儀提供即時訊號顯示功能，因此可擷取定期、隨機(jī)及暫態(tài)訊號，并可量測訊號的相位與大小。相較之下，掃描調(diào)諧分析儀可掃描工程師亟欲觀測的整個頻率圍，以便檢視所有頻率中的訊號。如此一來，工程師可在更寬的動態(tài)圍與頻率圍中執(zhí)行量測。掃描調(diào)諧分析儀是工程師最愛用，也是用途最廣的頻域量測工具。

不論是FFT分析儀或掃描調(diào)諧分析儀，都可用于頻譜監(jiān)測、雜波放射、純量網(wǎng)路分析，以及電磁干擾等各式各樣的量測應(yīng)用，以便量測頻率、功率調(diào)變、失真，以及雜訊等。這些分析儀支援3 Hz至325 Hz以上的頻率圍，動態(tài)圍可達(dá)-172 dBm至+30 dBm。

剖析頻譜分析儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為了t解頻譜分析儀的運作塬理，我們需剖析其內(nèi)部硬體結(jié)構(gòu)。圖一顯示傳統(tǒng)的掃描調(diào)諧分析儀的主要組成元件。本文稍后我們將看到，現(xiàn)代訊號分析儀已將其中的類比硬體元件，全面更換為數(shù)位電路，特別是中頻與基頻部分。雖然如此，檢視下面的方塊圖，有助于快速t解分析儀的基本運作塬理。

圖一 傳統(tǒng)掃描頻譜分析儀方塊圖

上圖顯示的分析儀使用一個3埠混頻器，可將輸入訊號從某一個頻率轉(zhuǎn)移到另一個頻率。混頻器會將輸入訊號送至其中一個埠，然后將本地震U器（LO）輸出訊號送至另一個埠。由于混頻器是非線性元件，因此在輸出端出現(xiàn)的頻率，并不會在輸入端出現(xiàn)。這些頻率是塬始輸入訊號，以及兩個頻率相加與相減的訊號。這種差頻訊號又稱為IF訊號。

此外，上圖顯示的IF濾波器是帶通濾波器，可作為偵測訊號的「視窗」。使用者可直接在分析儀面板上變更分析頻寬（RBW）。此分析儀提供多種可變的RBW設(shè)定，因此使用者可在不同的掃描與訊號狀況下獲得最佳量測結(jié)果，并且獲致出色的頻率選擇性（selectivity）、訊號雜訊比（SNR），以及量測速度。一般而言，將RBW調(diào)窄，有助于提N選擇性與SNR特性，因而可觀察到更細(xì)微的頻率分布，但掃描速度與軌跡更新率會因而下滑。最佳的RBW設(shè)定與訊號特性息息相關(guān)。

檢波器可將分析儀的IF訊號轉(zhuǎn)換為基頻或視訊訊號，以便進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)為可在LCD螢?zāi)簧蠙z視的數(shù)位訊號。藉由搭配使用波封檢波器（envelope detector）與類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC），使用者可將視訊輸出訊號轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號，并且在分析儀顯示器的Y軸上呈現(xiàn)訊號大小。

使用者可選擇多種不同的檢波器模式，以便清晰顯示量測訊號。在分析正弦波時，工程師通常使用正偵測模式（positive detection mode），在一段時間的曲線顯示點上呈現(xiàn)最大訊號，這種模式又稱為分段顯示（display bucket）或是bin。此外，負(fù)偵測模式（negative detection mode）可顯示最小訊號；而取樣偵測模式（sample detection mode）則可顯示每一個bin之時間間隔中點的訊號大小。

如需同時顯示訊號與雜訊的話，正常（Rosenfell）模式是最理想的偵測模式，因為這個「智慧型」偵測模式會隨著輸入訊號的不同而動態(tài)地改變偵測方式。如果訊號在分段持續(xù)過程中上升又下降，則可假設(shè)此訊號為雜訊，因而輪流使用正、負(fù)偵測模式。如果過程中訊號一直上升，則推斷其為正常訊號，并使用正峰值偵測模式。

使用者可用平均偵測與視訊濾波等方式，將波封偵測振幅（envelope-detected amplitude）的變異進(jìn)行平滑處理。平均偵測使用在bin時間間隔中收集到的所有資料來進(jìn)行平滑處理。這項功能可有效地量測數(shù)位調(diào)變訊號中的雜訊或類雜訊訊號。工程師通常使用真均方根（RMS）檢波器來執(zhí)行功率平均偵測，例如量測復(fù)雜訊號的功率。