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频谱分析仪的优势
针对时域方面的信号量测,示波器是一项非常重要且很有效率的量测仪器,它能直接显示信号波幅、频率、周期、波形与相位等之响应变化。 一般来说,示波器都必须具备双轨迹输出显示装置,同时内建有IEEE-488、IEEE-1394或RS-232等介面功能以便与绘图仪器连结,而利于后续量测显示资讯输出与绘图的研究比较之用。 只是示波器缺点在于只局限于低频信号,对于高频信号的分析便成为一大挑战。
频谱分析仪的优势,正是在于弥补示波器针对高频信号分析的不足,并可同时将多频信号以频域的方式来呈现,以方便辨识各不同频率的功率装置,并显示信号在频域里的特性。
频谱分析仪种类
频谱分析仪(Spectrum Analyzer)主要用于显示频域输入信号的频谱特性。 并依据信号处理方式的差异分为两种类型,分别是即时频谱分析仪 (Real-Time Spectrum Analyzer),以及扫描调谐频谱分析仪(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer)等两种。
即时频谱分析仪可在同一时间显示频域的信号振幅,其工作原理是针对不同的频率信号设置相对应的滤波器与检知器(Detector),并经由同步多工扫瞄器将信号输出至萤幕,优点在于能够显示周期性杂散波(Periodic Random Waves)的瞬时反应,但缺点是价格昂贵,且频宽范围、滤波器的数目与*大多工交换时间(Switching Time)都将对其性能表现造成限制。
扫瞄调谐频谱分析仪是*常用的频谱分析仪类型,它的基本结构与超外差式接收器类似,主要工作原理是输入信号透过衰减器直接加入混波器中,可调变的本地振荡器经由与CRT萤幕同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振荡频率,再将混波器与输入信号混 波降频后的中频信号(IF)放大后、滤波与检波传送至CRT萤幕,因此CRT萤幕的纵轴将显示信号振幅与频率的相对关系。
如上所言,影响信号反应的主要关键为滤波器频宽。高斯滤波器(Gaussian-Shaped Filter)影响的功能就是量测所常见到的解析频宽(Resolution Bandwidth;RBW)。 RBW所代表的意义为两个不同频率信号所能够被清楚分辨出来的*低频宽差异,因此两个不同频率信号的频宽如果低于频谱分析仪的解析频宽,如此两信号将会重叠而无法分辨。 如此看似更低的RBW将有助于不同频率信号的分辨与量测工作,然而过低的RBW有可能将较高频率的信号给滤除掉,因而导致信号显示时产生失真。 较高的RBW当然有助于宽频信号的量测,然而却可能增加杂讯底层值(Noise Floor)、降低量测灵敏度,并对于侦测低强度的信号容易产生阻碍。 失真值与设定的RBW密切相关,因此设定适当的RBW宽度才是正确使用频谱分析仪的重要概念。
此外传统频谱分析仪的前端电路是在一定频宽内可调谐的接收器。 当输入信号经变频器变频后,由低通滤波器输出,滤波器所输出的数值就是垂直分量,至于频率则是水平分量,如此在萤幕上所呈现的座标图就是输入信号频谱图。 由于变频器可以达到很宽的频率(如从30Hz~30GHz),与外部混频器配合,更可提高到100GHz以上,因此频谱分析仪是频率覆盖率*宽的测量仪器之一,不管是测量连续信号或调变信号,频谱分析仪都是很理想的测量工具。 只是传统频谱分析仪的缺点在于,它只能测量频率的幅度,但缺少相位资讯,因此在性质上是属于标量仪器而不是向量仪器。
新一代频谱分析仪则是基于快速转换(FFT)的量测仪器。 透过运算将被测信号分解成分立的频率分量,进而达到与传统频谱分析仪同样的结果。 新型的频谱分析仪采用数位方式,直接由类比/数位转换器(ADC)对输入信号取样,再经运算处理后而得到频谱分布图。
在今天的量测中,不管是什么信号,都可以用许多方法进行测量。 通常所用的*基本仪器都是示波器,观察信号的波形、频率与振幅等。 但由于信号的变化非常复杂,许多资讯是用示波器检测不出来的,例如如果要分析一个非正弦波信号,从理论上来说,它是由不同频率与电压的向量所叠加而成。 就分析的角度来观察,示波器横轴表示时间,纵轴为电压幅度,曲线是表示随时间变化的电压波形,这是时域的测量方法。 如果要观察其频率的组成,必须用频域法,其横坐标为频率,纵轴为功率幅度。 如此便可以看到在不同频率点上功率幅度的分布,就可以了解这些信号的频谱。 有了这些单一信号的频谱,接着还能继续把复杂信号再现与复制出来,这对于讯号分析来说是非常重要的。
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