頻譜分析儀

                                  頻譜分析儀
　　
　　系統(tǒng)主要的功能是在頻域里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-Time Spectrum Analyzer）與掃描調(diào)諧（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer）.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(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傳送到CRT螢?zāi)簧?其優(yōu)點是能顯示周期性雜散波（Periodic Random Waves）的瞬間反應(yīng),其缺點是價昂且性能受限于頻寬范圍,濾波器的數(shù)目與zui大的多工交換時間（Switching Time）.zui常用的是掃描調(diào)諧,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)生隨時間作線性變化的振蕩頻率,經(jīng)混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號（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(yīng)關(guān)系.影響信號反應(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時常見到的解析頻寬（RBW,ResolutionBandwidth）.RBW代表兩個不同頻率的信號能夠被清楚的分辨出來的zui低頻寬差異,兩個不同頻率的信號頻寬如低于的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(dǎo)致信號顯示時產(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的偵測,將增加雜訊底層值（Noise Floor）,降低量測靈敏度,對於偵測低強度的信號易產(chǎn)生阻礙,因此適當(dāng)?shù)腞BW寬度是正確使用重要的概念.
　　一般維修者不使用，一是他的價格較高，二是操作較為復(fù)雜。需要配合信號發(fā)生器。但使用起來很方便的可以查找故障。
[編輯本段]的原理
　　
　　的工作原理
　　架構(gòu)猶如時域用途的示波器，外觀如圖1.2 所示，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，系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號的頻譜特性。依信號處理方式的不同，一般有兩種類型；實時（Real-Time Spectrum Analyzer）與掃瞄調(diào)諧（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer）。實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(yīng)的濾波器與檢知器（Detector），再經(jīng)由同步的多任務(wù)掃瞄器將信號傳送到CRT 屏幕上，其優(yōu)點是能顯示周期性雜散波（PeriodicRandom Waves）的瞬間反應(yīng)，其缺點是價昂且性能受限于頻寬范圍、濾波器的數(shù)目與zui大的多任務(wù)交換時間（Switching Time）。
　　zui常用的是掃瞄調(diào)諧，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 同步的掃瞄產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時間作線性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號（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(yīng)關(guān)系，信號流程架構(gòu)如圖1.3 所示。
　　影響信號反應(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時常見到的解析頻寬（RBW， Resolution Bandwidth）。RBW 代表兩個不同頻率的信號能夠被清楚的分辨出來的zui低頻寬差異，兩個不同頻率的信號頻寬如低于的RBW，此時該兩信號將重迭，難以分辨，較低的RBW 固然有助于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(dǎo)致信號顯示時產(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的偵測，將增加噪聲底層值（Noise Floor），降低量測靈敏度，對于偵測低強度的信號易產(chǎn)生阻礙，因此適當(dāng)?shù)腞BW 寬度是正確使用重要的概念。
　　圖1.2：的外觀
　　另外的視頻頻寬（VBW，Video Bandwidth）代表單一信號顯示在屏幕所需的zui低頻寬。如前所說明，量測信號時，視頻頻寬過與不及均非適宜，都將造成量測的困擾，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 而信號振幅并無產(chǎn)生明顯的變化，此時之RBW 頻寬即可加以采用。量測RF 視頻載波時，信號經(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*充電到信號的振幅峰值，因此必須維持足夠的掃描時間，而RBW 的寬度與掃描時間呈互動關(guān)系，RBW 較大，掃描時間也較快，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)輸入信號的波形與振幅，但較低的RBW 將能區(qū)別不同頻率的信號。例如使用于6MHz 頻寬視訊頻道的量測，經(jīng)驗得知，RBW 為300kHz 與3MHz 時，載波振幅峰值并不產(chǎn)生顯著變化，量測6MHz的視頻信號通常選用300kHz 的RBW 以降低噪聲。天線信號量測時，的展頻（Span）使用100MHz，獲得較寬廣的信號頻譜需求，RBW使用3MHz。這些的量測參數(shù)并非一成不變，將會依現(xiàn)場狀況及過去量測的經(jīng)驗加以調(diào)整。
　　1.分析的訊息處理過程
　　在量測高頻信號時，外差式的混波以后的中頻因放大之故，能得到較高的靈敏度，且改變中頻濾波器的頻帶寬度，能容易地改變頻率的分辨率，但由于超外差式的是在頻帶內(nèi)掃瞄之故，因此，除非使掃瞄時間趨近于零，無法得到輸入信號的實時（Real Time）反應(yīng)，故欲得到與實時分析儀的性能一樣的超外差式，其掃瞄速度要非常之快，若用比中頻濾波器之時間常數(shù)小的掃瞄時間來掃瞄的話，則無法得到信號正確的振幅，因此欲提高之頻率分辨率，且要能得到準(zhǔn)確之響應(yīng)，要有適當(dāng)?shù)膾呙樗俣?。由以上之?dāng)⑹觯梢缘弥獠钍綗o法分析瞬時信號（TransientSignal）或脈沖信號（Impulse Signal）的頻譜，而其主要應(yīng)用則在測試周期性的信號及其它雜散信號（Random Signal）的頻譜。系統(tǒng)內(nèi)部及面板顯示的特性，詳如附錄一的說明，對該內(nèi)容的了解將有助于的操作使用。一般本地振蕩器輸出信號的頻率均高于中頻信號的頻率，本地振蕩器輸出信號的頻率可被調(diào)整在諧波之頻率，亦即ƒIN=n⋅ƒLO±ƒI F n=1, 2, 3.......（2）
　　由式（2）得知，的信號量測范圍，無形中己被拓寬，低于或高于本地振蕩器或其它諧波頻率的輸入信號，均能被混波產(chǎn)生中頻。延伸輸入信號頻率的混波原理如圖1.4 所示，其中縱軸代表輸入信號（ƒIN），橫軸代表本地振蕩頻率（ƒLO），圖中的正負(fù)整數(shù)代表公式（2）中頻放大器對應(yīng)的正負(fù)號。
　　圖1.3：的信號流程
　　由圖1.4 可體會利用本地振蕩的諧波信號延伸輸入信號頻率的工作原理。然而圖1.4 可能對應(yīng)多個輸入信號頻率，為消除此一現(xiàn)象，在衰減器前面加入頻率預(yù)選器（Preselector），用來提升的動態(tài)范圍，同時使輸出的結(jié)果能去除其它不必要的頻率而真正反應(yīng)輸入信號的頻率。
　　圖1.4：利用本地振蕩之諧波信號拓展信號頻率的原理
　　由以上得知超外差或無法分析瞬時信號（TransientSignal）或脈沖信號（Impulse Signal）的頻譜，而其主要應(yīng)用則在測試周期性的信號及其它隨機信號（Random Signal）的頻譜。
　　2.噪聲特性
　　由于電阻的熱敏效應(yīng)，任何設(shè)備均具有噪聲，亦不例外，的噪聲，本質(zhì)上是熱噪聲，屬于隨機性（Random），它能被放大與衰減，由于系隨機性信號，兩噪聲的結(jié)合只有相加而無法產(chǎn)生相減的效果。在頻帶范圍內(nèi)也相當(dāng)平坦，其頻寬遠大于設(shè)備內(nèi)部電路的頻寬，檢測器檢知的噪聲值與設(shè)定的分辨率頻寬（RBW）有關(guān)。由于噪聲是隨機性迭加于信號功率上，因此顯示的噪聲準(zhǔn)位與分辨率頻寬成對數(shù)的關(guān)系，改變分辨率頻寬時噪聲隨之變化，噪聲改變量相關(guān)的數(shù)學(xué)式如下所示：
　　例如：頻寬從100kHz（BW1）調(diào)整到10kHz（BW2），則噪聲改變量為：
　　亦即降低噪聲量10dB （為原來的1/10），相對提高訊號與噪聲比10dB。由此可知，純粹要降低噪聲量，使用zui窄寬度的頻寬將能達到目的。不論噪聲來之于外部或內(nèi)部產(chǎn)生，量測時均將影響信號振幅的準(zhǔn)確性，特別在低準(zhǔn)位信號時，更是如此，噪聲太大時，甚至掩蓋信號以致無法正確判斷信號的大小，影響量測質(zhì)量的兩種噪聲可概括為下列三大項：
　?。?）.產(chǎn)生于交換功能的數(shù)字電路、點火系統(tǒng)與DC 馬達脈沖噪聲，這類噪聲常見于EMI（Electromagnetic Interference）的討論領(lǐng)域里。
　?。?）. 隨機性噪聲來之于自然界或電路的電子移動， 又稱之為KTBW （或稱熱敏）噪聲、Johnson 噪聲、寬帶噪聲或白氏（White）噪聲等，本書主要以熱敏噪聲為重點，數(shù)學(xué)式為：
　　Pn =kTBW ， （5）
　　其中： Pn =噪聲功率= 3.98*10−21 瓦/Hz 或-174dB/Hz
　　k=Boltzman 常數(shù)，1.38*10−23 joule/oK
　　T=溫度表示的常溫=290 oK
　　BW=系統(tǒng)的噪聲功率頻寬（Hz）。
　　在4MHz、75 Ω 、290 oK 時的噪聲功率為-59.1dBm。由噪聲功率得知，信號頻寬降低，系統(tǒng)噪聲功率隨之降低，信號的質(zhì)量以信號噪聲比表示
　　（SNR；Signal-to-Noise Ratio），信號強度（單位為dBm）與系統(tǒng)噪聲功
　　率（單位為dBm）的相減值即為信號噪聲比，數(shù)學(xué)式為：
　　3.匹配因素
　　量測設(shè)備的輸入阻抗有時無法匹配待測件連接線特性阻抗，根據(jù)電磁
　　理論，阻抗匹配時，輸出功率zui大且沒有其它不良的副作用，而阻抗不匹
　　配，將造成信號反射，影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定與造成信號功率的損失。信號
　　在傳輸在線往返傳送將產(chǎn)生駐波及噪聲，進而影響接收端的信號質(zhì)量與量
　　測值的準(zhǔn)確性。量測設(shè)備輸入阻抗與待測件組抗不匹配之缺點可規(guī)納為：
　　A.信號反射，傳輸纜在線產(chǎn)生駐波。
　　B.噪聲增大。
　　C.降低信號輸出功率。
　　D.影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。
　　E.影響量測值之準(zhǔn)確度。

的使用
　　一、 什么是在頻域內(nèi)分析信號的圖示測試儀。以圖形方式顯示信號幅度按頻率的分布，即X軸表示頻率，Y軸表示信號幅度。
　　二、 原理：用窄帶帶通濾波器對信號進行選通。
　　三、 主要功能：顯示被測信號的頻譜、幅度、頻率?？梢匀帮@示，也可以選定帶寬測試。
　　四、 測量機制：
　　1、 把被測信號與儀器內(nèi)的基準(zhǔn)頻率、基準(zhǔn)電平進行對比。因為許多測量的本質(zhì)都是電平測試，如載波電平、A/V、頻響、C/N、CSO、CTB、HM、CM以及數(shù)字頻道平均功率等。
　　2、 波形分析：通過107選件和相應(yīng)的分析軟件，對電視的行波形進行分析，從而測試視頻指標(biāo)。如DG、DP、CLDI、調(diào)制深度、頻偏等。
　　五、 操作：
　　（一） 硬鍵、軟鍵和旋鈕：這是儀器的基本操作手段。
　　1、 三個大硬鍵和一個大旋鈕：大旋鈕的功能由三個大硬鍵設(shè)定。按一下頻率硬鍵，則旋鈕可以微調(diào)儀器顯示的中心頻率；按一下掃描寬度硬鍵，則旋鈕可以調(diào)節(jié)儀器掃描的頻率寬度；按一下幅度硬鍵，則旋鈕可以調(diào)節(jié)信號幅度。旋動旋鈕時，中心頻率、掃描寬度（起始、終止頻率）、和幅度的dB數(shù)同時顯示在屏幕上。
　　2、 軟鍵：在屏幕右邊，有一排縱向排列的沒有標(biāo)志的按鍵，它的功能隨項目而變，在屏幕的右側(cè)對應(yīng)于按鍵處顯示什么，它就是什么按鍵。
　　3、 其它硬鍵：儀器狀態(tài)（INSTRUMNT STATE）控制區(qū)有十個硬鍵：RESET清零、CANFIG配置、CAL校準(zhǔn)、AUX CTRL輔助控制、COPY打印、MODE模式、SAVE存儲、RECALL調(diào)用、MEAS/USER測量/用戶自定義、SGL SWP信號掃描。光標(biāo)（MARKER）區(qū)有四個硬鍵：MKR光標(biāo)、MKR 光標(biāo)移動、RKR FCTN光標(biāo)功能、PEAK SEARCH峰值搜索?？刂疲–ONTRL）區(qū)有六個硬鍵：SWEEP掃描、BW帶寬、TRIG觸發(fā)、AUTO COVPLE自動耦合、TRACE跟蹤、DISPLAY顯示。在數(shù)字鍵區(qū)有一個BKSP回退，數(shù)字鍵區(qū)的右邊是一縱排四個ENTER確認(rèn)鍵，同時也是單位鍵。大旋鈕上面的三個硬鍵是窗口鍵：ON打開、NEXT下一屏、ZOOM縮放。大旋鈕下面的兩個帶箭頭的鍵STEP配合大旋鈕使用作上調(diào)、下調(diào)。
　?。ǘ┹斎牒洼敵鼋涌冢何挥谝黄鹈姘逑逻呉慌拧V IN測視頻指標(biāo)的信號輸入口；VOL INTEN是內(nèi)外一套旋鈕控制、調(diào)節(jié)內(nèi)置喇叭的音量和屏幕亮度；CAL OUT儀器自檢信號輸出；300Mhz 29dBmv儀器標(biāo)準(zhǔn)信號輸出口；PROBE PWR儀器探針電源；IN 75Ω1M—1.8G測試信號總輸入口。
　?。ㄈ?測試準(zhǔn)備：
　　1、限制性保護：規(guī)定zui高輸入射頻電平和造成*性損壞的zui高電壓值：直流25V，交流峰峰值100V。
　　2、 預(yù)熱：測試須等到OVER COLD消失。
　　3、 自校：使用三個月，或重要測量前，要進行自校。
　　4、 系統(tǒng)測量配置：配置是測量之前把測量的一些參數(shù)輸入進去，省去每次測量都進行一次參數(shù)輸入。內(nèi)容：測試項目、信號輸入方式（頻率還是頻道）、顯示單位、制式、噪聲測量帶寬和取樣點、測CTB、CSO的頻率點、測試行選通等。配置步驟：按MODE鍵——CABLE TV ANALYZER軟鍵——Setup軟鍵，進入設(shè)置狀態(tài)。細(xì)節(jié)為tune config調(diào)諧配置：包括頻率、頻道、制式、電平單位。Analyzer input輸入配置：是否加前置放大器。Beats setup拍頻設(shè)置、測CTB、CSO的頻點（頻率偏移CTB FRQ offset、CSO FRQ offset）。GATING YES NO是否選通測試行。C/N setup載噪比設(shè)置：頻點（頻率偏移C/N FRQ offset）、帶寬。