使用频谱分析仪检测电路信号质量

日常生活里充斥频谱(Spectrum)的概念，各种不同频率信号以机率分配方式存在。在一般时域分析(Time-domain Analysis)中，很容易从时间轴上观察到任何信号波形变化事件，只要用示波器测量，就能看出任何具有时间函数的电子信号事件的瞬间物理量。

频谱分析仪的发展起源，从早期通信系统上频率测量开始，为实现以频率为基准点，在频域上检测信号而研发的仪器，广泛用于测量通信系统的各种重要参数，如平均噪声位准(Average Noise Level)、动态范围(Dynamic Range)、频率范围(Frequency Range)等。此外还可用在时域测量，如测量传输输出功率等。从功能面看，一般计频器只能测量信号频率，功率计能测量信号功率，频谱分析仪可视为兼具计频器与功率计的测量仪器(表1，*：指模拟解调)。

频谱分析与时域分析相辅相成

如要理清信号特性，除使用示波器从时域(Time Domain)观察信号外，需从频率的角度，简称频域(Frequency Domain)去分析信号。用示波器观察信号无法一窥全貌，只能看到组成后的波形。法国数学家傅立叶(Jean-Baptiste-Joseph Fourier)认为，任何时域上的电子信号现象，皆由多组适当的频率、振幅与相位的弦波信号(Sine Wave)组成。因此，任何有适当滤波功能的电子系统，必可将信号波形分解成多个分别不同的弦波或频率，不同弦波则由其所具有的振幅与相位来决定信号特性。换言之，借由这种组成分析，可将弦波信号由时域转为频域。

对无线射频(RF)与微波信号而言，不加入分析要素时，保留相位信息往往会使转换过程变得复杂，因此要设法隔离相位信息。当分析周期性信号时，通过傅立叶诠释能了解，在频域中个别组成弦波之间的距离单位为频率(f)或1/T(T是弦波信号的周期)。由时域转换至频域，必须对信号进行连续性计算，一般进行信号观察，只以一小段时间范围内特性来概括全貌。运用傅立叶变换(Fourier Transform)，能从频域观点转换至时域空间思考，不过要先把沿着频率轴范围的频谱与个别成分之相位计算出来。例如，要将一个时域中的方波转换到频域后，再反转换回时域时，往往因相位参数未加以保留，而产生锯齿波失真。

时域中任意信号，必为一群弦波信号的线性组合信号或合成信号，如图1所示，频谱的频域象限中呈现的弦波信号特性，可用振幅与频率来表达，而非纯弦波波形的信号，包含二次谐波(Second Harmonic)组成信号。虽然如此，但频谱分析(Spectrum Analysis)并不能完全取代时域分析；后者在大部分信号测量仍占有一席之地，且能提供信号脉波的上升与下降时间、信号过冲与振荡现象等。所以，频谱分析与时域分析可视为相辅相成的方法。

图1 时域与频域的差异

RF电路中可能有放大器(Amplifier)、振荡器(Oscillator)、混频器(Mixer)、滤波器(Filter)等电路元件，单纯用示波器来看，无法察觉这些元件在电路中的变化，此时必须使用频谱分析仪，分析其频率响应来说明电路的特性。

频域中有对应的信号强度可测量，所以频域分析是找出待测信号各谐波成分的最佳解决方法，尤其对通信工程人员最重视的谐波失真分析有重要贡献。例如，在无线电话系统中的载波信号上，必须常检查其他系统的谐波干扰是否造成信号失真，而影响到通话质量的情况。此外，通信工程人员也关心载波信号上的调变信号失真程度。如发生交互调变现象所产生的失真成分，往往落在所攸关的带宽中难以滤除。

频谱的占据率，也是在频域分析上一种重要测量。为了防范邻近频率信号干扰，针对调变信号所进行的展频动作，往往是基于有效规范各种发射频谱之带宽的考虑。各式各样通信电子产品的普遍使用下，造成不必要的电磁信号无所不在，成为电磁污染源。而电磁干扰是一种频谱的占据现象，无论是辐射式或传导式电磁干扰，都会造成其他电子系统在操作运转上的损害，因此电子或电器产品制造厂商，都必须依据电子电器商品相关法令规范，来进行电磁辐射测试，才能上市。

频谱分析仪种类各有千秋

频谱分析仪分两类，实时性(Real Time)频谱分析仪(SA)与扫描调谐(Sweep Tuned)频谱分析仪。

SA能立即把信号滤出来，使用许多平行架构的滤波器来分布在所有的带宽范围中，信号一经输入之后能马上表示(图2)，为实时性频谱分析仪的架构。实时性频谱分析仪能立刻将信号滤出，滤波器的带宽可以依照不同的跨度(Span)来作调整与改变，不过这类型的频谱仪，最大的问题在使用大量滤波器作实时处理，所以价格昂贵，且带宽通常不会很高，一般约10M～30MHz左右。

图2 实时性频谱分析仪架构

Sweep Tuned频谱分析仪，可分为两大类，分别是RF调谐方式、超外差扫描方式。

图3为RF调谐方式架构而成的频谱分析仪方块图，使用一个带通可调的滤波器(Tunable Filter)，由一扫描仪来调变期带通宽度，进而使得相关的频率信号通过，并加至垂直偏向版(即CRT中的横轴)，而CRT中的水平轴受扫描仪频率同步的控制，使不同的频率信号在水平轴上分别对应地呈现。

图3 RF调谐方式的频谱分析仪架构

此种方式构成的频谱分析仪较简单，能包含较广的频率范围，而且价格便宜，但灵敏度与频率特性等效能较差，滤波器的带宽固定，频率的分辨率无法改变。此种调谐型的频谱分析仪较为经济，以及所能测量的频率范围较广，故早期微波带宽常常使用这一方式。可惜此种方式以扫描仪来调变滤波器的带通，故扫描仪的扫描速度不能太快，通常在数个MHz/s左右，当扫描超出这个比值，滤波器对信号的响应尚未达到100%时，滤波器的带通范围已经改变，所以测出的值往往较小于原来信号而不准确。

由于调谐式频谱分析仪的灵敏度与准确性不高，所以目前使用最广的是超外差式的频谱分析仪(图4)。此种方式是将输入滤波器的带通固定，使用一个频率可变的本地振荡器(Local Oscillator, LO)，使之产生随时间而线性变化的振荡频率。将此可变的振荡频率与输入信号在混波器(Mixer)混合后，产生一中频。此中频成为接收机的输出，加至屏幕的垂直偏向板(横轴)，巨齿波电压亦同时加至水平偏向板(纵轴)，在屏幕上显示出的信号为频率与振幅的对应关系。以下将针对图4中每个单元进行介绍：

图4 超外差式频谱分析仪简易架构

·衰减器

因为混波器的RF输入最大线性范围有限，对一般测量不够用，因此须将过大信号预先衰减到混波器RF输入线性范围。经过混波器之后，再利用放大器把信号还原。但这种架构会造成频谱分析仪上的显示噪声位准，随着衰减器(Input Attenuator)的值起伏。

·混波器

RF信号与LO信号经过混波器之后，产生许多两者之间频率倍数相加减的信号。当输入信号与本地振荡器经过混频之后，会产生三种中频的可能(或者更多)，可用以下公式来求出所要的正确中频信号：

第(1)式中fIF所产生的中频频率，远高过频谱分析仪内中频滤波器的协振频率，故不能为此仪器所接受。第(3)式所产生的中频，其输入信号之频率fRF必须比fLO高，所以此种fRF信号比振荡频率fLO高的RF就会被排除在外。最后只有第(2)式中所产生的中频，才为正确的中频信号。

·解析带宽

解析带宽(Resolution Bandwidth, RBW)滤波器也称中频滤波器，其作用是将RF频率与本地振荡频率相检的信号，也就是所谓的IF信号，由混波器产生的众多频率中过滤出来。使用者可借由面板上的RBW控制钮，选择不同的3dB带宽的RBW滤波器。由图5可看出，RBW设的越窄，所观察到的频率分布就越细微，也降低噪声位准。

图5不同RBW与噪声位准关系

·电压控制振荡器

频谱分析仪上电压控制振荡器(VCO)频率，必须由高于最高输入频率延伸到至少最高输入频率两倍频率以上。对工作在1G以上的频谱分析仪而言，这就代表着振荡器至少要由1～3G。实际的设计中，大多数为2～3.5G左右。这种频率范围通常需要具有调谐电路的振荡器，而非低频振荡器中典型的线圈与电容。

·检波器

若直接将中频信号输出到屏幕上，会造成一团杂波。所以必须通过检波器(Detector)，将中频的交流电(AC)信号振幅转换为直流(DC)偏压，再输出到屏幕行程相对的传值偏向，呈现各个频率的大小。现行的频谱分析仪，大多以数字取样的方式，将波型呈现在屏幕上。

·视信带宽

中频振幅的直流偏压送到屏幕前，须经过视信滤波器。它是一个低通滤波器，可将屏幕的垂直偏压变化变得较平缓。

超外差式的频谱分析仪混频之后，因中频放大缘故，可以得到较大的灵敏度，且改变中频滤波器的带宽，能很容易的改变频率的分辨率。但由于超外差式的频谱分析仪是在频袋内扫描缘故，因此无法得到实时性分析(瞬间分析全部频谱)，除非扫描时间趋近于零。况且，若使用比中频滤波器的时间常数小的扫描时间来扫描的话，无法得到信号的正确振幅(即功率)，因此想要提高频谱分析仪的频率分辨率，且得到精准的响应，扫描速度要调整适当。从上述得知，在超外差的频谱分析仪中，无法分析瞬时信号(Transient Signal)或单一脉冲信号(Impulse)，主要应用在测试周期性信号或者其他离散信号。

频谱分析仪操作特性分析

频率分辨率(Frequency Resolution)，是频谱分析仪对于一些频率相隔很近之信号区分的能力。决定此分辨率有两个因素，一是中频放大器的带宽(Bandwidth)或选择性(Selectivity)；另一个为频谱分析仪本身的频率稳定度(Stability)，此稳定度决定于频率漂移(Drift)、残余的FM信号(Residual FM)，以及本地振荡器上面的噪声大小。

频谱分析仪的扫描速度太快，会导致扫描灵敏度的衰检(Sweep Desensitization)，将造成振幅、选择性与分辨率的损失，可通过以下方法改善：当扫描信号被维持在中频滤波器的带宽，而有够长时间允许信号幅度在滤波器建立一个适当值时，只要扫描的速度(Hz/s)不超过中频滤波器3dB带宽的平方，就能避免扫描灵敏度的衰减。

衡量最微弱信号检出的能力称为灵敏度。最大灵敏度是由频谱分析仪内所发生的噪声来决定。通常内部的噪声分成两种，热噪声与其他噪声。热噪声的电功率为：

PN=杂音电功率(KTB)
K：Boltzman Constant(1.38 x 10-23Joul/oK)
T：绝对温度
B：用Hz表示系统的带宽

由此可知噪声大小与带宽成比例，因此当带宽下降1/10时，噪声水平(Noise Floor)会减少10dB，灵敏度也改善10dB。

理清基本参数定义

频谱分析仪几个基本设定参数，如图6所示。频率显示的范围，可以经由设定开始频率和截止频率，也就是频率的最大值与最小值，或者也可以设定想要的中心频率，再设定所要展开的带宽；位准显示范围有助于最大位准的显示与间距；当频谱分析仪以外差式原理来操作，频率的分辨率是由IF滤波器的带宽来设定的，也就是上面所提到的RBW。扫描时间(Sweep Time)主要针对外差式的频谱分析仪设定，指纪录所要全部频率范围所需时间。如果希望得到较小的解析带宽，扫描时间会变长。

图6 频谱分析仪示意图

频谱分析仪RF输出端，通常有两种不同的接头，BNC头跟N-Type头(图7)两种。BNC接头通常能测试范围较小，且通过BNC测试出来的高频部分较易产生误差，所以现今的高频测试仪器，几乎都以N-Type接头为主。

图7 频谱分析仪RF端测试接头N Type接头

在测试系统中有各类型接头做测试。除N Type、BNC接头外，还有SMA接头、F接头等常见的接头。SMA接头常用在高频测试或者电路板连接部分，F接头较常使用在有线电视系统，或在AV信号。其他还有像是TNC接头、M接头、UHF接头等接头，较常在无线电系统中被使用。这些类型的接头虽然在RF通信系统中并不常用，但是在测量某些特殊规格或者测试过程中，还是有可能用到。

线材的分类是以信号衰减量、阻抗值、导体材料等单位来区分。常见RF线材RG223、RG316等，较常使用在高频通信上；RG58、RG59等较常用在低频测试上。RF部分的测量，常以RG316线材作测试线材。

不同待测物/信号可变化各式测试方式

频谱分析仪应用非常广，依照不同待测物、不同信号即可变化出各式各样的测试方式。傅立叶变换，是目前十分重要且广泛应用于各行业的数字信号分析技术，当仪器测量所得的信号为时间-振幅的数据时，可以用傅立叶变换将此一信号转换为频率-振幅，来进行此一信号的频率特性分析。

傅立叶积分的定义为：

满足狄里赫利条件的周期信号，可展开成对应的数学式为：

其中

式中a0、an、bn为傅立叶系数；T0为周期，也就是信号基频成分的周期；为信号的基频，nW0为次谐波。

正弦波、方波、三角波等的频谱，如图8、9、10所示，使用信号源输入到频谱分析仪中，即可验证各波形的频谱变化。

图8 正弦波信号与频谱

图9 方波信号与频谱

图10 三角波信号与频谱

谐波测量也是一种测量方式，任何的信号都会有所谓的谐波效应，比较不同的是电路的设计将谐波效应抑制下来，如使用一台信号源送入100MHz信号，在其N倍频下通常能看到其谐波的信号(图11)。

图11 主波与谐波表示图

另外，在频谱分析仪上装设天线，可以接收到天线响应范围内信号，如电台信号、无线电信号、手机信号等。如图12所示，在接收范围内有125MHz、700MHz、1GHz等信号出现，在频谱仪上就可清楚接收。

图12 通信监测示意图

再来是相位噪声测试。理想信号在频谱分析仪上可用一条垂直线代表，换言之，只有在此频率上才有信号功率值，在信号的左右完全没有功率。但真实世界中，因物理特性关系，不可能有如此完美的信号存在，如图13所示。一个信号除本身频率外，还会有残留功率在附近，称为相位噪声。

图13 相位噪声表示图

信道功率是以设定信道宽度大小的带宽测定，并计算其中的总功率值。如信号带宽设定1MHz(即中心频率左右各500kHz)，通道功率就以这范围来测量整个带宽中的总功率。换言之，如果带宽设定在100kHz，那通道功率就会以100kHz内的总功率来计算(图14)。

图14 通道功率示意图

然后是调变信号测试。目前数字信号几乎是属于调变过后的信号，因为调变信号可以加强信号的安全性，常见的调变信号有AM、FM、FSK以及其他常被提及的调变方式。不同的调变信号可让设计者或系统来判别，接收到的信号是否为所想要信号，图15、16、17即是使用频谱分析仪来作信号检测的图例。

图15 AM信号测试(调变信号测试图)

图16 FM信号测试(调变信号测试图)

图17 FSK信号测试(调变信号测试图)

最后是Gain/Loss的测量。频谱分析仪结合信号追踪器(Tracking Generator, TG)就成为一个激发响应(Stimulus Response)测量系统。使用TG来发射信号可当作一信号发生器，把RF接收端当成接收器；由于TG与RF的信号同步，所以可容易找出产品频率响应点(Insertion Loss)，如果搭配Directional Coupler配件，可测量返回损失(Return Loss)。不论测试频率响应点或者返回损失，测试时都须先标准化，标准化有两种方式：短路与开路(图18、19)。标准化意义在将仪器、制具、接头、线材等损失先扣除，就可以直接测量出待测物发出信号的结果。

图18 测试Insertion Loss前标准化与标准化后将待测物放上(Gain/Loss测量方式)

图19 测试Return前标准化与标准化后将待测物放上(Gain/Loss测量方式)

一般直接使用TG来传送信号、用RF来接收信号的测试方式(即中间无耦合器等线路)，其标准化会先将待测物拿掉，先行将两端短路，然后利用频谱分析仪内的标准化功能(一般须加装TG才会开启这功能)。校正后再将待测物放上，即可测试。另一种使用Coupler方式，使用网桥当作中间Coupler，这样的测试方式，会先将网桥的来源(Source)端接上TG、Reflected接到RF端，然后将待测装置(DUT)端先行开路，等标准化后再将待测物接上DUT端，即可测试完成。