频谱分析仪的工作原理及应用

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1、频谱分析仪工作原理和应用本章除了说明频谱分析仪工作原理、操作使用说明之外，也将其应用领域范围作详细的介绍，尤其应用于天线特性的量测技术将有完整说明。本章的内容包括：本章要点1-1概论1-2频谱分析仪的工作原理1-3频谱分析仪的应用领域1-1实习一频谱分析仪1-1概论就量测信号的技术观之，时域方面，示波器为一项极为重要且有效的量测仪器，它能直接显示信号波幅、频率、周期、波形与相位之响应变化，目前，一般的示波器至少为双轨迹输出显示装置，同时也具有与绘图仪连接的IEEE-488、IEEE-1394或RS-2

2、32接口功能，能将屏幕上量测显示的信息绘出，作为研究比较的依据，但它仅局限于低频的信号，高频信号则有其实际的困难。频谱分析仪乃能弥补此项缺失，同时将一含有许多频率的信号用频域方式来呈现，以识别在各个频率的功率装置，以显示信号在频域里的特性。图1.1说明方波在时域与频域的关系，此立体坐标轴分别代表时间、频率与振幅。由傅立叶级数(FourierSeries)可知方波包含有基本波(FundamentalWave)及若干谐波(Harmonics)，信号的组合成份由深圳汉润电子1-2此立体坐标中对应显示出来。低

3、频时，双轨迹模拟与数字示波器为目前信号时域的主要量测设备，模拟示波器可量测的输入信号频率可达100MHz，数字示波器有100MHz1与400（或500）MHz等多种。屏幕上显示信号的意义为横轴代表时间，纵轴代表信号电压的振幅，用示波器量测可得到信号时间的相位及信号与时间的关系，但无法获知信号失真的数据，亦即无法获知信号谐波分量的分布情况，同时量测微波领域(如UHF以上的频带)信号时，基于设备电子组件功能的限制、输入端杂散电容等因素，量测的结果无可避免地将产生信号失真及衰减，为解决量测高频信号上述的问题

4、，频谱分析仪为一适当而必备的量测仪器，频谱分析仪的主要功能是量测信号的频率响应，横轴代表频率，纵轴代表信号功率或电压的数值，可用线性或对数刻度显示量测的结果。另外它的信号追踪产生器(TrackingGenerator)可直接量测待测件(DUT；DeviceUnderTest)的频率响应特性，但它只能量测振幅无法量测相位。就高频信号领域观之，频谱分析仪是电子工程技术人员不可或缺的设备，对频谱分析仪工作原理的了解将有助于信号量测系统的建立及充分扩展其应用范畴。频谱分析仪的应用领域相当广泛，诸如卫星接收系统

5、、无线电通信系统、行动电话系统基地台辐射场强的量测、电磁干扰等高频信号的侦测与分析，同时也是研究信号成份、信号失真度、信号衰减量、电子组件增益等特性的主要仪器。振幅頻率頻率第五諧波振幅第三諧波基本波振幅BA時間ٛ時間ٛ图1.1：方波时域与频域的立体坐标关系基于以上探讨的因素，本内容主要在探讨频谱分析仪设备的工作原理及使用方法，其次讨论建立量测系统以量测所必须的信号参数，并分析信号的特性，评估待测件的特性以及如何由绘图仪获得书面数据，计算信号1深圳汉润电子1-3各别频谱的功率值以印证频谱分析仪与示波器显

6、示值的正确性，同时提出多项有线电视系统的量测应用。最后将提出素为工程人员忽略的天线特性量测，于本张节中讨论天线增益及辐射场型(RadiationPattern)的量1测技术，包括完整的数学计算式。1-2频谱分析仪的工作原理频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器，外观如图1.2所示，面板上布建许多功能控制按键，作为系统功能之调整与控制，系统主要的功能是在频域里显示输入信号的频谱特性。频谱分析仪依信号处理方式的不同，一般有两种类型；实时频谱分析仪(Real-TimeSpectrumAnalyzer)与扫瞄调谐

7、频谱分析仪(Sweep-TunedSpectrumAnalyzer)。实时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器(Detector)，再经由同步的多任务扫瞄器将信号传送到CRT屏幕上，其优点是能显示周期性杂散波(PeriodicRandomWaves)的瞬间反应，其缺点是价昂且性能受限于频宽范围、滤波器的数目与最大的多任务交换时间(SwitchingTime)。最常用的频谱分析仪是扫瞄调谐频谱分析仪，其基本结构类似超外差式接收器，工作原

8、理是输入信号经衰减器直接外加到混波器，可调变的本地振荡器经与CRT同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振荡频率，经混波器与输入信号混波降频后的中频信号（IF）再放大、滤波与检波传送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系，信号流程架构如图1.3所示。影响信号反应的重要部份为滤波器频宽，滤波器之特性为高斯滤波器（Gaussian-ShapedFilter），影响的功能就是量测时常见到的解析频宽(RBW，ResolutionBa