频谱分析基本原理：快速完成高效率测量 分析仪, 测量

Bazinga

所有电子设计工程师和科学家都曾执行过电气讯号分析，简称讯号分析。透过这项基本量测，他们可洞察讯号细节并获得重要的讯号特性资讯。不过讯号分析的成效，主要取决于量测仪器的效能，而频谱分析仪与向量讯号分析仪是两种最常用于电气讯号分析的测试设备。
　　频谱分析仪是广为使用的多用途量测工具，可量测输出讯号相较于频率的大小（magnitude），以便瞭解已知和未知讯号的频谱功率。向量讯号分析仪则可同时量测分析仪中频（IF）频宽之输出讯号的大小与相位，并经常用来对已知讯号执行通道内量测，例如误差向量幅度（EVM）、域码功率，及频谱平坦度。过去，频谱分析仪与向量讯号分析仪是两种各自独立的仪器，但随着量测技术不断突飞勐进，量测设备商现在已可将它们整合于一机，并通称为频谱分析仪。
　　利用这类分析仪提供的强大量测与分析功能，工程师可快速而全面地洞察他们开发设计的元件或系统。为了善用频谱分析仪的各项功能，使用者必须瞭解其运作方式，以全面满足特定应用的量测需求。
　　认识频谱分析仪的基本塬理
　　使用者除了需瞭解分析仪的各种功能外，还需认识频谱分析的基本运作塬理。过去，示波器通常被用来执行时域量测，以便观察电气讯号在某一段时间内的变化，但这样并无法窥探讯号的全貌。为了充分掌握元件或系统的效能，工程师必须在频域中分析讯号，而这正是频谱分析仪的工作。不过，随着数位技术大幅跃进，各种仪器间的分野已不再那么泾渭分明。例如，有些示波器现在也可执行向量讯号分析，而讯号分析仪则开始提供多项时域量测功能。虽然如此，示波器还是最适合用来执行时域量测，讯号分析仪则是最理想的频域量测工具。
　　在频域中，如果讯号涵盖一个以上的频率，频谱分析仪会依照频率将其划分为一个一个的频谱，并且显示各个频率中的讯号位準。此时，使用频域量测技术有许多好处。比方说，频谱分析仪可以清楚分辨示波器无法辨识的讯号资讯。此外，使用频谱分析仪量测讯号时，使用者可将量测频宽调窄，以大幅减少杂讯。由于现在很多系统都是在频域中运作，因此仪器必须能够在频域中分析讯号，以避免受到邻近通道频率的干扰。
　　执行频域量测时，工程师只需一台频谱分析仪，便可轻易量测讯号的频率、功率、谐波内容、调变、突波以及杂讯。完成前述量测后，工程师便可确认总谐波失真、佔用频宽、讯号稳定度、输出功率、交互调变失真、功率频宽、载波杂讯比，以及其他各种量测结果。
　　快速傅立叶转换（FFT）分析仪或扫描调谐（swept-tuned）分析仪，都是执行频域量测（或频谱分析）的理想工具。FFT分析仪可撷取一段时域讯号，并使用数位取样技术将讯号转为数位讯号，接着再执行必要的数学运算将其转换为频域讯号，最后在萤幕中显示频谱分布图。此外，FFT分析仪提供即时讯号显示功能，因此可撷取定期、随机及暂态讯号，并可量测讯号的相位与大小。相较之下，扫描调谐分析仪可扫描工程师亟欲观测的整个频率範围，以便检视所有频率中的讯号。如此一来，工程师可在更宽的动态範围与频率範围中执行量测。扫描调谐分析仪是工程师最爱用，也是用途最广的频域量测工具。
　　不论是FFT分析仪或扫描调谐分析仪，都可用于频谱监测、杂波放射、纯量网路分析，以及电磁干扰等各式各样的量测应用，以便量测频率、功率调变、失真，以及杂讯等。这些分析仪支援3 Hz至325 Hz以上的频率範围，动态範围可达-172 dBm至+30 dBm。
         剖析频谱分析仪内部结构
　　为了瞭解频谱分析仪的运作塬理，我们需剖析其内部硬体结构。图一显示传统的扫描调谐分析仪的主要组成元件。本文稍后我们将看到，现代讯号分析仪已将其中的类比硬体元件，全面更换为数位电路，特别是中频与基频部分。虽然如此，检视下面的方块图，有助于快速瞭解分析仪的基本运作塬理。
　　
图一 传统扫描频谱分析仪方块图
　　上图显示的分析仪使用一个3埠混频器，可将输入讯号从某一个频率转移到另一个频率。混频器会将输入讯号送至其中一个埠，然后将本地震盪器（LO）输出讯号送至另一个埠。由于混频器是非线性元件，因此在输出端出现的频率，并不会在输入端出现。这些频率是塬始输入讯号，以及两个频率相加与相减的讯号。这种差频讯号又称为IF讯号。
　　此外，上图显示的IF滤波器是带通滤波器，可作为侦测讯号的「视窗」。使用者可直接在分析仪面板上变更分析频宽（RBW）。此分析仪提供多种可变的RBW设定，因此使用者可在不同的扫描与讯号状况下获得最佳量测结果，并且获致出色的频率选择性（selectivity）、讯号杂讯比（SNR），以及量测速度。一般而言，将RBW调窄，有助于提昇选择性与SNR特性，因而可观察到更细微的频率分布，但扫描速度与轨迹更新率会因而下滑。最佳的RBW设定与讯号特性息息相关。
　　检波器可将分析仪的IF讯号转换为基频或视讯讯号，以便进一步将其转为可在LCD萤幕上检视的数位讯号。藉由搭配使用波封检波器（envelope detector）与类比数位转换器（ADC），使用者可将视讯输出讯号转成数位讯号，并且在分析仪显示器的Y轴上呈现讯号大小。
　　使用者可选择多种不同的检波器模式，以便清晰显示量测讯号。在分析正弦波时，工程师通常使用正侦测模式（positive detection mode），在一段时间的曲线显示点上呈现最大讯号，这种模式又称为分段显示（display bucket）或是bin。此外，负侦测模式（negative detection mode）可显示最小讯号；而取样侦测模式（sample detection mode）则可显示每一个bin之时间间隔中点的讯号大小。
如需同时显示讯号与杂讯的话，正常（Rosenfell）模式是最理想的侦测模式，因为这个「智慧型」侦测模式会随着输入讯号的不同而动态地改变侦测方式。如果讯号在分段持续过程中上升又下降，则可假设此讯号为杂讯，因而轮流使用正、负侦测模式。如果过程中讯号一直上升，则推断其为正常讯号，并使用正峰值侦测模式。
　　使用者可用平均侦测与视讯滤波等方式，将波封侦测振幅（envelope-detected amplitude）的变异进行平滑处理。平均侦测使用在bin时间间隔中收集到的所有资料来进行平滑处理。这项功能可有效地量测数位调变讯号中的杂讯或类杂讯讯号。工程师通常使用真均方根（RMS）检波器来执行功率平均侦测，例如量测复杂讯号的功率。
　　视讯滤波器是位在波封检波器之后，类比数位转换器之前的低通滤波器。这项元件可确认视讯放大器的频宽，并可用来将萤幕显示的曲线平均化或平滑化。藉由改变视讯频宽（VBW）设定，您可降低频谱分析仪杂讯的峰值对峰值（peak-to-peak）变异，因此可以轻易发现被杂讯掩盖掉的讯号。
　　您还可使用视讯平均与曲线平均功能，将波封侦测振幅的变异平滑化。利用视讯平均处理功能将视讯滤波器的截止频率降低，那么视讯系统便不会再随着通过IF频率之波封讯号，产生快速的变异。分析仪能够产生的平滑度，由VBW对RBW的比值决定。当比率为0.01以下，可提供更佳的平滑效果。
　　曲线平均功能可逐点平均两个或多个频率扫描，并将每个显示点上的新值，与已经平均过的资料再重新进行平均处理，最后显示的曲线会逐渐与多个扫描之平均曲线融合。曲线平均处理不会影响扫描时间。
        认识频谱分析仪的规格
　　使用频谱分析仪之前，请先瞭解其规格，确保该仪器能提供您需要的量测效能。确认了规格后，您便可预测分析仪在特定量测状况下的执行效能，以及量测结果的準确度。下面介绍主要的频谱分析仪规格：
　　˙频率範围
　　频率範围是分析仪量测某一段频率的範围。请确认您的频谱分析仪涵盖量测应用所需的基本频率範围，并且确认仪器是否支援高频的谐波或突波讯号，或是低频的基频与中频（IF）讯号。
　　˙频率準确度
　　˙频率範围
　　频率範围是分析仪量测某一段频率的範围。请确认您的频谱分析仪涵盖量测应用所需的基本频率範围，并且确认仪器是否支援高频的谐波或突波讯号，或是低频的基频与中频（IF）讯号。
　　˙频率準确度
　　˙解析度
　　频谱分析仪的解析度，是指仪器分辨两个一样大小之相邻讯号的能力。当RBW愈宽，就愈难分辨两个相邻的讯号。RBW滤波器的频宽大小，关係着分析仪是否能够分辨两个等幅讯号，例如滤波器频宽如为3-dB，则两个讯号之间的间隔必须大于或等于3-dB。
　　
图二 在此双音调（two-tone）测试中，两个相邻的讯号间隔10 kHz。

当RBW=10-kHz时，要分辨两个大小一样的讯号并不难，但所产生的失真可能会被掩盖掉。如果RBW为3-kHz，选择性为15:1，就很容易出现这样的问题。在此案例中，量测所需的RBW为1 kHz，则两个大小差距60 dB的讯号，彼此间至少须间隔30-dB频宽，才能够分辨出较小的讯号
　　好在工程师所分析的讯号大小通常都不一样。由于两个讯号会同时描绘（trace out）滤波器形状（filter shape），因此较小的讯号可能会被掩盖在较大讯号的滤波器边缘。当讯号大小的差异愈大，出现这种情形的可能性就愈高，如图二所示。
　　RBW选择性即滤波器形状，它和相位杂讯，是决定两个不同大小之相邻讯号，是否可被清楚分辨的重要因素。将RBW设得愈窄，频谱分析仪的解析度就愈高，但这样却会拉长整体频率扫描时间，因为RBW滤波器需要一段时间来达到完全响应。具有自动耦合扫描时间的频谱分析仪，可依据选定的频距、RBW和VBW，来自动选择所允许的最快扫描时间。此外，不同的频谱分析仪，其扫描速度也各不相同。
　　˙灵敏度
　　接收器的灵敏度代表仪器在某些测试环境下能够接收微小讯号的能力。所有接收器（包括频谱分析仪）多多少少都会有一些内部产生的杂讯，而频谱分析仪的灵敏度以RBW设为最低时之显示平均杂讯位準（DANL）来表示，单位为dBm。
　　DANL亦即仪器在特定频宽下的杂讯位準。如果输入讯号低于杂讯位準时，我们就无法用频谱分析仪量这个微小讯号。一般而言，频谱分析仪的灵敏度约在-135 dBm到-165 dBm之间。如欲获得最佳灵敏度，请将RBW设为最低、充分进行平均处理、将射频输入衰减设到最小，并且使用前置放大器。不过提高频谱分析仪的灵敏度，可能会与降到失真或是增加动态範围等其他量测需求相衝突。
　　˙失真
　　叁阶交互调变与谐波失真等失真量测是惯用的元件特性分析方法，但需注意频谱分析仪本身也会产生失真，因而导致量测误差。如果频谱分析仪内部失真的程度与DUT之外部失真不相上下，量测误差便会增加。在最糟状况下，内部失真可能会完全盖过DUT的失真。仪器製造商可直接设定频谱分析仪的失真程度，或是与动态範围规格整併在一起。
　　
图叁 二阶失真会以基础讯号增量的平方增加，而叁阶失真则以立方增加。


叁阶截断点（TOI）是评量频谱分析仪是否能够处理大讯号而且不会失真的指标。TOI较高的分析仪，通常可以提供绝佳动态範围与準确度，以便量测失真与杂讯
　　在进行量测之前，使用者须先确认分析仪产生的失真是否会影响量测结果。例如，在执行双音调测试时，指定仪器的失真产物（叁阶失真）大于50 dB，而二阶失真（谐波失真）大于40 dB。这些数值可作为分析仪必备的最低规格。为减少内部失真所导致的量测误差，内部失真必须比测试规格小很多。
　　图叁显示非线性元件的失真。为了确认失真到底是由分析仪内部所产生，亦或是DUT所导致，我们需进行衰减测试。首先将射频输入讯号衰减10dB，如果萤幕中失真产物的大小没变，那就可确定是DUT所产生的失真。但如果萤幕显示的讯号大小改变了，那么失真可能有一部分是讯号分析仪内部所产生的，而非完全是DUT所致。
          动态范围
　　频谱分析仪的动态範围是指在一次量测中可测得的最大与最小讯号的差值，因而可量测到更小的不确定性，如图四所示。动态範围的单位为dB。分析仪的动态範围是指可以可靠地执行讯号量测的範围。动态範围经常被误解与误判，因为仪器的显示範围、量测範围、杂讯位準、相位杂讯，以及突波响应，都对于动态範围影响甚鉅，如图五所示。
　
　图四 您可用图形方式呈现动态範围。

本图显示在同一动态範围图中的讯号对杂讯（signal-to-noise）和讯号对失真（signal-to-distortion）曲线。当不同曲线相交时，亦即内部产生的失真位準等于显示平均杂讯位準（DANL），则动态範围最大。这一点同时也是最大混频器位準。
　　为了获得最佳的动态範围，请选择具备最佳灵敏度的分析仪，亦即具有最窄RBW、最小输入衰减，并彻底执行平均处理的机型。请持续衰减输入讯号并查看讯号大小是否改变，以确认分析仪的失真情形。接着，请在不改变讯号大小的状况下将衰减器设为最低。
　　
图五 图中显示各个动态範围的定义，
　　藉此工程师可得知道哪一种动态範围最适合哪一个特定应用

现代讯号分析仪
　　传统的频谱分析仪无法因应现代数位调变无线系统的测试需求，而新型分析仪的问市，则满足了
　　这类系统的通道功率测试、解调变量测等新型态测试需求。此外，新式频谱分析仪拥有齐备的功
　　能，可支援更广泛的标準与特性，例如出色的振幅準确度、频距和频率準确度、修正係数，以及
　　限制线（limit line）、测试余裕，及通过/不通过指示等等，因此可有效执行前述测试。有些机型甚至
　　提供即时讯号撷取功能，以便在一段时间内，撷取与某一讯号相关之所有资讯。
　　
图六 现代频谱分析仪之基本架构方块图，本图为Agilent X 系列讯号分析仪之方块图

　　相较于传统的频谱分析仪，新型分析仪配备各种不同的元件，并且重新安排了功能模组，并且将ADC的位置移到处理流程的前端，如图六所示。新型分析仪的全数位化IF滤波器可用崭新方式处理讯号，进而大幅提昇準确度、动态範围及速度。
　　其内建的数位讯号处理器（DSP）让分析仪能够量测日益复杂的讯号，同时也进一步增加动态範围与準确度，并且加快扫描速度。在需要更大动态範围时，可透过扫描分析模式处理讯号，但如需在窄小频宽中快速进行扫描的话，则可使用FFT分析模式处理讯号。
　　更重要的是，新型频谱分析仪提供内建的单键式功率量测功能，包含佔用频宽、通道功率，以及相邻通道功率等量测功能，并支援适合不同特定应用的量测软体，因此可针对一般测试应用提供单键式量测、灵活地进行数位调变分析，并且提供功率与数位调变量测功能，以满足无线通讯应用的量测需求。
　　这类新机型还增强了显示功能，例如声谱图（spectrogram）功能可分析随时间变化的讯号频谱，而轨迹缩放功能让使用者能轻易放大观察轨迹资料。I/Q基频输入有助于弥补基频与射频讯号间的差距，如图七所示。此外，新型频谱分析仪提供宽频讯号分析能力，非常适合用于频宽高达几百MHz的高速航太与国防、新兴通讯和蜂巢式行动通讯应用。
　　
图七 Agilent PXA和MXA分析仪提供选配的I/Q基频输入以及标配的500 MSa深度撷取记忆体
　　结语
　　讯号分析仪是量测与分析各种元件与系统之特性的绝佳工具。如欲善用讯号分析仪来準确量测讯号并且适当地解读与分析量测结果，您需对其运作塬理与特性有基本的认识。