頻譜分析基本原理：快速完成高效率測(cè)量

所有電子設(shè)計(jì)工程師和科學(xué)家都曾執(zhí)行過(guò)電氣訊號(hào)分析，簡(jiǎn)稱(chēng)訊號(hào)分析。透過(guò)這項(xiàng)基本量測(cè)，他們可洞察訊號(hào)細(xì)節(jié)并獲得重要的訊號(hào)特性資訊。不過(guò)訊號(hào)分析的成效，主要取決于量測(cè)儀器的效能，而頻譜分析儀與向量訊號(hào)分析儀是兩種最常用于電氣訊號(hào)分析的測(cè)試設(shè)備。

頻譜分析儀是廣為使用的多用途量測(cè)工具，可量測(cè)輸出訊號(hào)相較于頻率的大?。╩agnitude），以便t解已知和未知訊號(hào)的頻譜功率。向量訊號(hào)分析儀則可同時(shí)量測(cè)分析儀中頻（IF）頻寬之輸出訊號(hào)的大小與相位，并經(jīng)常用來(lái)對(duì)已知訊號(hào)執(zhí)行通道內(nèi)量測(cè)，例如誤差向量幅度（EVM）、域碼功率，及頻譜平坦度。過(guò)去，頻譜分析儀與向量訊號(hào)分析儀是兩種各自獨(dú)立的儀器，但隨著量測(cè)技術(shù)不斷突飛勐進(jìn)，量測(cè)設(shè)備商現(xiàn)在已可將它們整合于一機(jī)，并通稱(chēng)為頻譜分析儀。

利用這類(lèi)分析儀提供的強(qiáng)大量測(cè)與分析功能，工程師可快速而全面地洞察他們開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的元件或系統(tǒng)。為了善用頻譜分析儀的各項(xiàng)功能，使用者必須t解其運(yùn)作方式，以全面滿(mǎn)足特定應(yīng)用的量測(cè)需求。

認(rèn)識(shí)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(shí)頻譜分析的基本運(yùn)作塬理。過(guò)去，示波器通常被用來(lái)執(zhí)行時(shí)域量測(cè)，以便觀(guān)察電氣訊號(hào)在某一段時(shí)間內(nèi)的變化，但這樣并無(wú)法窺探訊號(hào)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(hào)，而這正是頻譜分析儀的工作。不過(guò)，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(hào)分析，而訊號(hào)分析儀則開(kāi)始提供多項(xiàng)時(shí)域量測(cè)功能。雖然如此，示波器還是最適合用來(lái)執(zhí)行時(shí)域量測(cè)，訊號(hào)分析儀則是最理想的頻域量測(cè)工具。

在頻域中，如果訊號(hào)涵蓋一個(gè)以上的頻率，頻譜分析儀會(huì)依照頻率將其劃分為一個(gè)一個(gè)的頻譜，并且顯示各個(gè)頻率中的訊號(hào)位?。绰柋Ｊ褂妙l域量測(cè)技術(shù)有許多好處。比方說(shuō)，頻譜分析儀可以清楚分辨示波器無(wú)法辨識(shí)的訊號(hào)資訊。此外，使用頻譜分析儀量測(cè)訊號(hào)時(shí)，使用者可將量測(cè)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(yùn)作，因此儀器必須能夠在頻域中分析訊號(hào)，以避免受到鄰近通道頻率的干擾。

執(zhí)行頻域量測(cè)時(shí)，工程師只需一臺(tái)頻譜分析儀，便可輕易量測(cè)訊號(hào)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(cè)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省⒔換サ鞅涫д?、功聞?shì)悼懟⒃夭ㄔ友侗齲以及其他各種量測(cè)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(cè)（或頻譜分析）的理想工具。FFT分析儀可擷取一段時(shí)域訊號(hào)，并使用數(shù)位取樣技術(shù)將訊號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)位訊號(hào)，接著再執(zhí)行必要的數(shù)學(xué)運(yùn)算將其轉(zhuǎn)換為頻域訊號(hào)，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(shí)訊號(hào)顯示功能，因此可擷取定期、隨機(jī)及暫態(tài)訊號(hào)，并可量測(cè)訊號(hào)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(guān)測(cè)的整個(gè)頻率圍，以便檢視所有頻率中的訊號(hào)。如此一來(lái)，工程師可在更寬的動(dòng)態(tài)圍與頻率圍中執(zhí)行量測(cè)。掃描調(diào)諧分析儀是工程師最?lèi)?ài)用，也是用途最廣的頻域量測(cè)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(cè)、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(cè)應(yīng)用，以便量測(cè)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(dòng)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(yùn)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(hào)分析儀已將其中的類(lèi)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(yùn)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(gè)3埠混頻器，可將輸入訊號(hào)從某一個(gè)頻率轉(zhuǎn)移到另一個(gè)頻率?；祛l器會(huì)將輸入訊號(hào)送至其中一個(gè)埠，然后將本地震U器（LO）輸出訊號(hào)送至另一個(gè)埠。由于混頻器是非線(xiàn)性元件，因此在輸出端出現(xiàn)的頻率，并不會(huì)在輸入端出現(xiàn)。這些頻率是塬始輸入訊號(hào)，以及兩個(gè)頻率相加與相減的訊號(hào)。這種差頻訊號(hào)又稱(chēng)為IF訊號(hào)。

此外，上圖顯示的IF濾波器是帶通濾波器，可作為偵測(cè)訊號(hào)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(hào)狀況下獲得最佳量測(cè)結(jié)果，并且獲致出色的頻率選擇性（selectivity）、訊號(hào)雜訊比（SNR），以及量測(cè)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(guān)察到更細(xì)微的頻率分布，但掃描速度與軌跡更新率會(huì)因而下滑。最佳的RBW設(shè)定與訊號(hào)特性息息相關(guān)。

檢波器可將分析儀的IF訊號(hào)轉(zhuǎn)換為基頻或視訊訊號(hào)，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(hào)。藉由搭配使用波封檢波器（envelope detector）與類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC），使用者可將視訊輸出訊號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號(hào)，并且在分析儀顯示器的Y軸上呈現(xiàn)訊號(hào)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(cè)訊號(hào)。在分析正弦波時(shí)，工程師通常使用正偵測(cè)模式（positive detection mode），在一段時(shí)間的曲線(xiàn)顯示點(diǎn)上呈現(xiàn)最大訊號(hào)，這種模式又稱(chēng)為分段顯示（display bucket）或是bin。此外，負(fù)偵測(cè)模式（negative detection mode）可顯示最小訊號(hào)；而取樣偵測(cè)模式（sample detection mode）則可顯示每一個(gè)bin之時(shí)間間隔中點(diǎn)的訊號(hào)大小。

如需同時(shí)顯示訊號(hào)與雜訊的話(huà)，正常（Rosenfell）模式是最理想的偵測(cè)模式，因?yàn)檫@個(gè)「智慧型」偵測(cè)模式會(huì)隨著輸入訊號(hào)的不同而動(dòng)態(tài)地改變偵測(cè)方式。如果訊號(hào)在分段持續(xù)過(guò)程中上升又下降，則可假設(shè)此訊號(hào)為雜訊，因而輪流使用正、負(fù)偵測(cè)模式。如果過(guò)程中訊號(hào)一直上升，則推斷其為正常訊號(hào)，并使用正峰值偵測(cè)模式。

使用者可用平均偵測(cè)與視訊濾波等方式，將波封偵測(cè)振幅（envelope-detected amplitude）的變異進(jìn)行平滑處理。平均偵測(cè)使用在bin時(shí)間間隔中收集到的所有資料來(lái)進(jìn)行平滑處理。這項(xiàng)功能可有效地量測(cè)數(shù)位調(diào)變訊號(hào)中的雜訊或類(lèi)雜訊訊號(hào)。工程師通常使用真均方根（RMS）檢波器來(lái)執(zhí)行功率平均偵測(cè)，例如量測(cè)復(fù)雜訊號(hào)的功率。