频谱分析仪说明

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1、Chapter頻譜分析儀頻譜分析儀1T概論就量測信號的技術觀之，時域方面，示波器為一項極為重要且冇效的量測儀器，它能直接顯示信號波幅、頻率、週期、波形與相位之響應變化，目前，一般的示波器至少為雙軌跡輸出顯示裝置,同時也具有與繪圖儀連接的TEEE-488.TEEE-1394或RS-232介面功能，能將螢幕上量測顯示的資訊繪出，作為研究比較的依據，但它僅侷限於低頻的信號，高頻信號則有其實際的I木1難。頻譜分析儀乃能弼補此項缺失，同時將一含有許多頻率的信號用頻域方式來呈現，以識別在各個頻率的功率裝置，以

2、顯示信號在頻域裡的特性。圖1.1說明方波在時域與頻域的關係，此立體座標軸分別代表時間、頻率與振幅。由傅立葉級數(FourierSeries)nJ*知方波包含冇基本波(FundamentalWave)及若干諧波⑴armonics),信號的組合成份由此立體座標中對應顯示出來。低頻時，雙軌跡類比與數位示波器為目前信號時域的主要量測設備，類比示波器可量測的輸入信號頻率可達100MHz,數位示波器有100MHz與400(或500)MHz等多種。螢幕上顯示信號的意義為橫軸代表時間，縱軸代表信號電壓的振幅，用示

3、波器量測可得到信號時間的相位及信號與時間的關係，但無法獲知信號失真的數據，亦即無法獲知信號諧波分量的分佈情況，同時量測微波領域(如UIIF以上的頻帶)信號時，基於設備電子元件功能的限制、輸入端雜散電容等因素，量測的結果無可避免地將產生信號失真及衰減，為解決量測高頻信號上述的問題，頻譜分析儀為一適當而必備的量測儀器，頻譜分析儀的主要功能是量測信號的頻率響應，橫軸代表頻率，縱軸代表信號功率或電壓的數值，可用線性或對數刻度顯示量測的結果。另外它的信號追蹤產生器(TrackingGenerator)可直接

4、量測待測件(OUT；DeviceUnderTest)的頻率響應特性,但它只能量測振幅無法量測相位。就高頻信號領域觀之，頻譜分析儀是電子工程技術人員不可或缺的設備,對頻譜分析儀工作原理的了解將有助於信號量測系統的建立及充分擴展其應用範疇。頻譜分析儀的應用領域相當廣泛，諸如衛星接收系統、無線電通信系統、行動電話系統基地台輻射場強的量測、電磁干擾等高頻信號的偵測與分析，同時也是研究信號成份、信號失真度、信號衰減量、電子組件增益等特性的主要儀器。振幅▲圖1.1：方波時域與頻域的立體座標關係基於以上探討的因

5、素，本內容主要在探討頻譜分析儀設備的工作原理及使用方法，其次討論建立量測系統以量測所必須的信號參數，並分析信號的特性，評估待測件的特性以及如何由繪圖儀獲得書面資料，計算信號各別頻譜的功率值以卬證頻譜分析儀與示波器顯示值的止確性，同時提出多項有線電視系統的量測應用。最後將提出素為工程人員忽略的天線特性量測，於本張節中討論天線增益及輻射場型(RadiationPattern)的量測技術，包括完整的數學計算式。1-2頻譜分析儀的工作原理頻譜分析儀架構猶如時域用途的示波器，外觀如圖L2所示，面板上佈建許多

6、功能控制按鍵，作為系統功能之調整與控制，系統主要的功能是在頻域裡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-TimeSpectrumAnalyzer)與掃瞄調諧頻譜分析儀(Sweep-TunedSpectrumAnalyzer)o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),再經由同步的多工掃瞄器將信號傳送到CRT螢幕上，其優點是能顯示週期性雜散波(Period

7、icRandomWaves)的瞬間反應，其缺點是價昂且性能受限於頻寬範圍、濾波器的數目與最大的多工交換時間(SwitchingTime)0最常用的頻譜分析儀是掃瞄調諧頻譜分析儀，其基本結構類似超外差式接收器，工作原理是輸入信號經衰減器直接外加到混波器，可調變的本地振锻器經與CRT同步的掃瞄產生器產生隨時間作線性變化的振锻頻率，經混波器與輸入信號混波降頻後的中頻信號(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係,信號流程架構如圖1.3所示。影響信號

8、反應的重要部份為濾波器頻寬，濾波器之特性為高斯濾波器(Gaussian-ShapedFilter),影響的功能就是量測時常見到的解析頻寬(RBW,ResolutionBandwidth)oRBW代表兩個不同頻率的信號能夠被清楚的分辨出來的最低頻寬差異，兩個不同頻率的信號頻寬如低於頻譜分析儀的RBW,此時該兩信號將重疊，難以分辨，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，導致信號顯示時產生失真，失真值與設定的RBW密切相關，較高的RBW固然有