頻譜分析主要課程

頻譜分析系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號(hào)的頻譜特性。頻譜分析儀依信號(hào)處理方式的不同，一般有兩種類型；即時(shí)頻譜分析儀（Real-Time Spectrum Analyzer）與掃描調(diào)諧頻譜分析儀（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer).即時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號(hào)振幅，其工作原理是針對(duì)不同的頻率信號(hào)而有相對(duì)應(yīng)的濾波器與檢知器（Detector)，再經(jīng)由同步的多工掃描器將信號(hào)傳送到CRT或液晶等顯示儀器上進(jìn)行顯示，其優(yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波（Periodic Random Waves）的瞬間反應(yīng)，其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限于頻寬范圍，濾波器的數(shù)目與最大的多工交換時(shí)間（Switching Time).最常用的頻譜分析儀是掃描調(diào)諧頻譜分析儀，其基本結(jié)構(gòu)類似超外差式接收器，工作原理是輸入信號(hào)經(jīng)衰減器直接外加到混波器，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT同步的掃描產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號(hào)混波降頻后的中頻信號(hào)（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(hào)振幅與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。較低的RBW固然有助於不同頻率信號(hào)的分辨與量測(cè)，低的RBW將濾除較高頻率的信號(hào)成份，導(dǎo)致信號(hào)顯示時(shí)產(chǎn)生失真，失真值與設(shè)定的RBW密切相關(guān)，較高的RBW固然有助於寬頻帶信號(hào)的偵測(cè)，將增加雜訊底層值（Noise Floor），降低量測(cè)靈敏度，對(duì)於偵測(cè)低強(qiáng)度的信號(hào)易產(chǎn)生阻礙，因此適當(dāng)?shù)腞BW寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。

一般維修者不使用，一是他的價(jià)格較高，二是操作較為復(fù)雜。需要配合信號(hào)發(fā)生器。但使用起來很方便的可以查找故障。

頻譜分析儀的工作原理

頻譜分析儀架構(gòu)猶如時(shí)域用途的示波器，面板上布建許多功能控制按鍵，作為系統(tǒng)功能之調(diào)整與控制，實(shí)時(shí)頻譜分析儀（Real-Time Spectrum Analyzer）與掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer）。實(shí)時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號(hào)振幅，其工作原理是針對(duì)不同的頻率信號(hào)而有相對(duì)應(yīng)的濾波器與檢知器（Detector），再經(jīng)由同步的多任務(wù)掃瞄器將信號(hào)傳送到CRT 屏幕上，其優(yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波（PeriodicRandom Waves）的瞬間反應(yīng)，其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限于頻寬范圍、濾波器的數(shù)目與最大的多任務(wù)交換時(shí)間（Switching Time）。

最常用的頻譜分析儀是掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT 同步的掃瞄產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號(hào)混波降頻后的中頻信號(hào)（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(hào)振幅與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，信號(hào)流程架構(gòu)如圖1.3 所示。

影響信號(hào)反應(yīng)的重要部份為濾波器頻寬，濾波器之特性為高斯濾波器（Gaussian-Shaped Filter），影響的功能就是量測(cè)時(shí)常見到的解析頻寬（RBW，Resolution Bandwidth）。RBW 代表兩個(gè)不同頻率的信號(hào)能夠被清楚的分辨出來的最低頻寬差異，兩個(gè)不同頻率的信號(hào)頻寬如低于頻譜分析儀的RBW，此時(shí)該兩信號(hào)將重疊，難以分辨，較低的RBW 固然有助于不同頻率信號(hào)的分辨與量測(cè)，低的RBW 將濾除較高頻率的信號(hào)成份，導(dǎo)致信號(hào)顯示時(shí)產(chǎn)生失真，失真值與設(shè)定的RBW 密切相關(guān)，較高的RBW 固然有助于寬帶帶信號(hào)的偵測(cè)，將增加噪聲底層值（Noise Floor），降低量測(cè)靈敏度，對(duì)于偵測(cè)低強(qiáng)度的信號(hào)易產(chǎn)生阻礙，因此適當(dāng)?shù)腞BW 寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。

另外的視頻頻寬（VBW，Video Bandwidth）代表單一信號(hào)顯示在屏幕所需的最低頻寬。如前所說明，量測(cè)信號(hào)時(shí)，視頻頻寬過與不及均非適宜，都將造成量測(cè)的困擾，如何調(diào)整必須加以了解。通常RBW 的頻寬大于等于VBW，調(diào)整RBW 而信號(hào)振幅并無產(chǎn)生明顯的變化，此時(shí)之RBW 頻寬即可加以采用。量測(cè)RF 視頻載波時(shí)，信號(hào)經(jīng)設(shè)備內(nèi)部的混波器降頻后再加以放大、濾波（RBW 決定）及檢波顯示等流程，若掃描太快，RBW 濾波器將無法完全充電到信號(hào)的振幅峰值，因此必須維持足夠的掃描時(shí)間，而RBW 的寬度與掃描時(shí)間呈互動(dòng)關(guān)系，RBW 較大，掃描時(shí)間也較快，反之亦然，RBW 適當(dāng)寬度的選擇因而顯現(xiàn)其重要性。較寬的RBW 較能充分地反應(yīng)輸入信號(hào)的波形與振幅，但較低的RBW 將能區(qū)別不同頻率的信號(hào)。例如使用于6MHz 頻寬視訊頻道的量測(cè)，經(jīng)驗(yàn)得知，RBW 為300kHz 與3MHz 時(shí)，載波振幅峰值并不產(chǎn)生顯著變化，量測(cè)6MHz的視頻信號(hào)通常選用300kHz 的RBW 以降低噪聲。天線信號(hào)量測(cè)時(shí)，頻譜分析儀的展頻（Span）使用100MHz，獲得較寬廣的信號(hào)頻譜需求，RBW使用3MHz。這些的量測(cè)參數(shù)并非一成不變，將會(huì)依現(xiàn)場(chǎng)狀況及過去量測(cè)的經(jīng)驗(yàn)加以調(diào)整。

頻譜分析儀分為實(shí)時(shí)分析式和掃頻式兩類。前者能在被測(cè)信號(hào)發(fā)生的實(shí)際時(shí)間內(nèi)取得所需要的全部頻譜信息并進(jìn)行分析和顯示分析結(jié)果；后者需通過多次取樣過程來完成重復(fù)信息分析。實(shí)時(shí)式頻譜分析儀主要用于非重復(fù)性、持續(xù)期很短的信號(hào)分析。非實(shí)時(shí)式頻譜分析儀主要用于從聲頻直到亞毫米波段的某一段連續(xù)射頻信號(hào)和周期信號(hào)的分析。

掃頻式頻譜分析儀

它是具有顯示裝置的掃頻超外差接收機(jī)，主要用于連續(xù)信號(hào)和周期信號(hào)的頻譜分析。它工作于聲頻直至亞毫米的波頻段，只顯示信號(hào)的幅度而不顯示信號(hào)的相位。它的工作原理是：本地振蕩器采用掃頻振蕩器，它的輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)中的各個(gè)頻率分量在混頻器內(nèi)依次進(jìn)行差頻變換，所產(chǎn)生的中頻信號(hào)通過窄帶濾波器后再經(jīng)放大和檢波，加到視頻放大器作示波管的垂直偏轉(zhuǎn)信號(hào)，使屏幕上的垂直顯示正比于各頻率分量的幅值。本地振蕩器的掃頻由鋸齒波掃描發(fā)生器所產(chǎn)生的鋸齒電壓控制，鋸齒波電壓同時(shí)還用作示波管的水平掃描，從而使屏幕上的水平顯示正比于頻率。

工作原理如圖4（a）所示。用掃頻振蕩器作為超外差接收機(jī)的本機(jī)振蕩器，當(dāng)選擇開關(guān)S置于1，鋸齒波掃描電壓對(duì)本機(jī)振蕩器I進(jìn)行掃頻，輸入信號(hào)中的各個(gè)頻率分量在混頻器中與本機(jī)掃頻信號(hào)進(jìn)行差頻，它們依次落入第一中放窄帶濾波器的通帶內(nèi)，被濾波器選出，經(jīng)二次變頻、檢波、放大后，加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使屏幕上的垂直顯示正比于各個(gè)頻率分量的振幅。掃描電壓同時(shí)加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，從而使頻幕的X坐標(biāo)變成頻率坐標(biāo)，并在屏幕上顯示出被分析的輸入信號(hào)頻譜圖。上述工作方式在本機(jī)振蕩器I上進(jìn)行掃頻，稱“掃前式”工作模式，具有很寬的分析頻帶。當(dāng)S置于2時(shí)，也可在本機(jī)振蕩器Ⅱ上進(jìn)行掃頻，稱“掃中頻式”工作模式，這時(shí)可進(jìn)行窄帶頻譜分析。

實(shí)時(shí)式頻譜分析儀

在存在被測(cè)信號(hào)的有限時(shí)間內(nèi)提取信號(hào)的全部頻譜信息進(jìn)行分析并顯示其結(jié)果的儀器主要用于分析持續(xù)時(shí)間很短的非重復(fù)性平穩(wěn)隨機(jī)過程和暫態(tài)過程，也能分析40兆赫以下的低頻和極低頻連續(xù)信號(hào)，能顯示幅度和相位。傅里葉分析儀是實(shí)時(shí)式頻譜分析儀，其基本工作原理是把被分析的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)變換電路變換成數(shù)字信號(hào)后，加到數(shù)字濾波器進(jìn)行傅里葉分析；由中央處理器控制的正交型數(shù)字本地振蕩器產(chǎn)生按正弦律變化和按余弦律變化的數(shù)字本振信號(hào)，也加到數(shù)字濾波器與被測(cè)信號(hào)作傅里葉分析。正交型數(shù)字式本振是掃頻振蕩器，當(dāng)其頻率與被測(cè)信號(hào)中的頻率相同時(shí)就有輸出，經(jīng)積分處理后得出分析結(jié)果供示波管顯示頻譜圖形。正交型本振用正弦和余弦信號(hào)得到的分析結(jié)果是復(fù)數(shù)，可以換算成幅度和相位。分析結(jié)果也可送到打印繪圖儀或通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計(jì)算機(jī)相連。