頻譜分析儀測(cè)量基礎(chǔ)

無線通訊頻率涵蓋范圍相當(dāng)廣，而頻譜分析儀其可設(shè)定的選項(xiàng)相當(dāng)多，可說是無線通訊量測(cè)必備的基礎(chǔ)儀器。

一般來說，無線通訊頻率涵蓋范圍可從500KHz~300GHz，在如此寬廣的頻譜中，不同的應(yīng)用占用不同的頻率(頻道)范圍，而基本的量測(cè)項(xiàng)目不外乎頻率及功率兩項(xiàng);因?yàn)轭l率值的準(zhǔn)確度不足，會(huì)與其它頻道的使用者互相干擾，而功率不足會(huì)造成斷訊，功率太強(qiáng)亦會(huì)造成干擾。

若依功能來區(qū)分，我們可得下列等式：頻譜分析儀＝計(jì)頻器＋功率計(jì)。因計(jì)頻器只能量測(cè)訊號(hào)的頻率，而功率計(jì)只能量測(cè)訊號(hào)的功率；若要兩者同時(shí)得到，則非頻譜分析儀不可。

頻譜分析之步驟

由傅利葉(Fourier)級(jí)數(shù)得知，凡是周期性的訊號(hào)均可用倍頻的正弦波來表示，因此示波器上所顯示的是隨時(shí)間變化之信號(hào)振幅，而在頻譜分析儀上則以它的各個(gè)倍頻諧波來表現(xiàn)，由此可得知它的頻率成分。

(一)頻譜分析儀內(nèi)部方塊圖：

頻譜分析儀的主要架構(gòu)是超外差接收機(jī)，利用一個(gè)可掃頻的本地振蕩信號(hào)，透過混波器，與所欲觀測(cè)的射頻(RF)信號(hào)產(chǎn)生差頻(中頻)信號(hào)，再由后級(jí)的電路處理，最后呈現(xiàn)在屏幕上(參看圖一)。

(二)輸入衰減器：

因?yàn)榛觳ㄆ鞯腞F輸入最大線性范圍有限(例如-5dBm)，這對(duì)一般量測(cè)是不夠用的，因此必須將過大的信號(hào)預(yù)先衰減到混波器的RF輸入線性范圍，經(jīng)混波器之后，再利用放大器將之還原。如圖二所示，此種架構(gòu)會(huì)造成頻譜分析儀上之顯示噪聲位準(zhǔn)隨衰減器的值而起伏。這是由于輸入衰減器只能衰減RF輸入信號(hào)，而噪聲是無所不在的，并不能被衰減，卻被在混波器之后的放大器所放大，因此產(chǎn)生了衰減愈大則噪聲位準(zhǔn)愈高的矛盾現(xiàn)象。

(三)混波器：

RF信號(hào)與本地振蕩信號(hào)經(jīng)過混波器之后，會(huì)產(chǎn)生許多兩者之間頻率倍數(shù)相加減的信號(hào)成份，其中主要成分有四個(gè)：

■ RF頻率。

■ 本地振蕩頻率。

■ RF頻率與本地振蕩頻率相減的信號(hào)。

■ RF頻率與本地振蕩頻率相加的信號(hào)。

對(duì)線路設(shè)計(jì)而言，頻率愈低是愈好處理。因此，RF頻率與本地振蕩頻率相減的信號(hào)是必然之選擇，稱為中頻(IF)信號(hào)。

(四)本地振蕩器：

通常是由Ramp電路產(chǎn)生電流，控制YIG產(chǎn)生低頻到高頻的連續(xù)變化信號(hào)，同時(shí)也產(chǎn)生配合CRT的水平偏向電壓，做由左向右的水平掃描(參看圖三)。

(五)解析頻寬(RBW)濾波器：

RBW濾波器也稱中頻濾波器，它的作用是將中頻(IF)信號(hào)由混波器產(chǎn)生的眾多頻率中過濾出來。使用者可藉由頻譜分析儀面板上的RBW控制鈕，選擇不同的3dB頻寬之RBW濾波器，RBW設(shè)得愈窄則觀察到的頻率分布愈細(xì)微，也降底了噪聲位準(zhǔn)。

(六)對(duì)數(shù)(Log)放大器：

由于頻譜分析儀主要功能是量測(cè)信號(hào)的各個(gè)頻率成份，它們往往彼此相差百倍以上，如果像示波器一樣采用線性的垂直刻度，則比較弱的信號(hào)勢(shì)必?zé)o法顯現(xiàn)。因此頻譜分析儀采用對(duì)數(shù)放大器，將中頻信號(hào)做非線性放大，以濟(jì)弱抑強(qiáng)的方式，讓各個(gè)頻率均能完整地呈現(xiàn)。

(七)檢波器(Detector)：

如果直接將中頻信號(hào)輸出到屏幕上則會(huì)造成一團(tuán)混亂，因此必須經(jīng)過檢波器，將中頻的交流(AC)信號(hào)振幅轉(zhuǎn)換為直流(DC)偏壓，輸出到屏幕形成相對(duì)的垂直偏向，以呈現(xiàn)各個(gè)頻率的大小�，F(xiàn)行的頻譜分析儀大多以數(shù)字取樣方式將波形呈現(xiàn)在屏幕上，由于在取樣的過程中，各取樣點(diǎn)間的信號(hào)變化會(huì)有遺漏之虞，因此有四種模式供使用者選擇：

■ Sample。

■ Positive Peak。

■ Negative Peak。

■ Normal。

(八)視訊頻寬(Video Bandwidth;VBW)：

代表中頻振幅的直流偏壓送至屏幕之前，還有視訊濾波器這一關(guān)，它是一個(gè)低通濾波器，可將屏幕的垂直偏壓變化，變得較為平緩。舉例來說，一個(gè)接近噪聲位準(zhǔn)的微弱信號(hào)，可利用較低頻的視訊頻寬，達(dá)到將微弱信號(hào)鑒別出來之目的。

頻譜分析儀之應(yīng)用

(一) 載波噪聲比(C/N)：

它的定義是某一頻道載波信號(hào)之功率大小，以及關(guān)閉載波后相同頻道內(nèi)所有噪聲的比值。由于量測(cè)時(shí)會(huì)切斷通訊，這對(duì)用戶及系統(tǒng)提供者均會(huì)造成不便，因此有些通訊法規(guī)，如有線電視(CATV)就定義了不影響收視的另類量法。頻譜分析儀會(huì)提供一個(gè)光標(biāo)量測(cè)載波信號(hào)的大小，另外有一個(gè)區(qū)域光標(biāo)可量測(cè)頻道間護(hù)衛(wèi)頻段(Guard Band)的噪聲功率值，以上兩者比值就是另一種C/N值的表示。

(二)相位噪聲(Phase Noise)：

一個(gè)理想的正弦波連續(xù)信號(hào)，在頻譜上可以一條垂直線來代表；換句話說，只有在此一頻率上才有信號(hào)的功率值，它的左右就完全沒有功率。但在真實(shí)的世界中，是不可能有如此完美的信號(hào)存在；一個(gè)正弦波連續(xù)信號(hào)，除了本身頻率之外，還會(huì)有殘存的功率在其附近，這稱為相位噪聲，其量測(cè)方式是用專門的相位噪聲儀，以1Hz頻寬的帶通濾波器，于待測(cè)信號(hào)的左右(例如：±1KHz、±10KHz、±100KHz)做頻率掃描，得出相對(duì)頻率的相位噪聲值。

此種相位噪聲儀，其價(jià)格高達(dá)頻譜分析儀的數(shù)倍，對(duì)一般使用者而言并不劃算，若不求高精確度，可利用頻譜分析儀選擇最低的RBW(例如：1KHz)，直接量測(cè)主頻率與其左右差頻的相對(duì)dB值，再推估RBW=1Hz時(shí)的相位噪聲值。

(三)頻道功率(Channel Power)與噪聲功率(Noise Power)：

這兩者的差異在于，頻道功率是以帶通濾波器的3dB頻寬，計(jì)算其中的總功率值；而噪聲功率是以理想的矩形帶通濾波器，來計(jì)算其中的噪聲功率值。對(duì)于頻寬大于帶通濾波器的3dB頻寬信號(hào)(例如噪聲)而言，用矩形帶通濾波器會(huì)比用現(xiàn)實(shí)世界的3dB頻寬帶通濾波器，所得到的功率值要多2.5dB。

(四)相鄰頻道功率比(Adjacent Channel Power Ratio;ACPR)：

為達(dá)頻譜資源的有效利用，個(gè)人行動(dòng)通訊系統(tǒng)(如CDMA、GSM、PHS)對(duì)于每一頻道間的相互干擾均有規(guī)范，其中相鄰頻道功率比便是相當(dāng)重要的一項(xiàng)。有些頻譜分析儀具有測(cè)試相鄰頻道功率比的功能。現(xiàn)以W-CDMA為例說明如下：

■根據(jù)規(guī)范，設(shè)定中心頻率及掃描頻寬將待測(cè)頻道持續(xù)掃描出來。

■RBW設(shè)為待測(cè)頻道頻寬的十分之一以下(如30KHz)。

■設(shè)定相鄰及交互頻道的差頻(Adj Ch=5MHz；Alt Ch=10MHz)。

■設(shè)定待測(cè)頻道相鄰及交互頻道的寬帶(3.84MHz)。

■執(zhí)行量測(cè)。

頻譜分析儀是量測(cè)通訊系統(tǒng)必備的基礎(chǔ)儀器，其設(shè)定選項(xiàng)繁多(如RBW、VBW、Attenuator等)，而不同的設(shè)定會(huì)得到不同結(jié)果，只要根據(jù)待測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試規(guī)范來設(shè)定，各類型頻譜分析儀之間的量測(cè)結(jié)果應(yīng)會(huì)有其一致性。

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