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頻譜分析儀儀器特性
分析頻譜分析儀的訊息處理過程
在量測高頻信號時，外差式的頻譜分析儀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，但由于超外差式的頻譜分析儀是在頻帶內(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頻譜分析儀，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，因此欲提高頻譜分析儀之頻率分辨率，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?，可以得知超外差式頻譜分析儀無法分析瞬時信號（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雜散信號（Random Signal）的頻譜。頻譜分析儀系統(tǒng)內(nèi)部及面板顯示的特性，詳如附錄一的說明，對該內(nèi)容的了解將有助于頻譜分析儀的操作使用。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?IN=n??LO±?I F n=1,2,3.......⑵
由式⑵得知，頻譜分析儀的信號量測范圍，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，其中縱軸代表輸入信號（?IN），橫軸代表本地振蕩頻率（?LO），圖中的正負(fù)整數(shù)代表公式⑵中頻放大器對應(yīng)的正負(fù)號。
可體會頻譜分析儀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），用來提升頻譜分析儀的范圍，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頻譜分析儀無法分析瞬時信號（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(jī)信號（Random Signal）的頻譜。

頻譜分析儀使用
圖示測試儀
什么是頻譜分析儀在頻域內(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。
原理
用窄帶帶通濾波器對信號進(jìn)行選通。
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。
測量機(jī)制
1．把被測信號與儀器內(nèi)的基準(zhǔn)頻率、基準(zhǔn)電平進(jìn)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(jìn)行分析，從而測試視頻指標(biāo)。如DG、DP、CLDI、調(diào)制深度、頻偏等。

頻譜分析儀的工作原理
頻譜分析儀架構(gòu)猶如時域用途的示波器，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，實時頻譜分析儀（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)目與的多任務(wù)交換時間（Switching Time）。
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頻寬差異，兩個不同頻率的信號頻寬如低于頻譜分析儀的RBW，此時該兩信號將重疊，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(qiáng)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）代表單一信號顯示在屏幕所需的頻寬。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 濾波器將無法完全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，頻譜分析儀的展頻（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。

基于快速傅里葉變換(FFT）的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過傅里葉運(yùn)算將被測信號分解成分立的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對輸入信號取樣,再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。
在這種頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時 ADC的取樣率少等于輸入信號頻率的兩倍，亦即頻率上限是100MHz的實時頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。
半導(dǎo)體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC，亦即，原理上儀器可達(dá)到2GHz的帶寬，為了擴(kuò)展頻率上限，可在ADC前端增加下變頻器，本振采用數(shù)字調(diào)諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴(kuò)展到幾GHz以下的頻段使用。
FFT的性能用取樣點數(shù)和取樣率來表征，例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點，則輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點數(shù)為2048點，則分辨率提高到25Hz。由此可知，輸人頻率取決于取樣率，分辨率取決于取樣點數(shù)。FFT運(yùn)算時間與取樣，點數(shù)成對數(shù)關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時，要選用高速的FFT硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號處理器(DSP）芯片。例如，10MHz輸入頻率的1024點的運(yùn)算時間80μs，而10KHz的1024點的運(yùn)算時間變?yōu)閙s,1KHz的1024點的運(yùn)算時間增加至640ms。當(dāng)運(yùn)算時間超過200ms時，屏幕的反應(yīng)變慢，不適于眼睛的觀察，補(bǔ)救辦法是減少取樣點數(shù)，使運(yùn)算時間降低至200ms以下。
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