频谱仪的RBW与VBW

VBW 显示带宽 在测试时能看到更宽的频率范围 如果要观测的信号更精细 则需要减 少 RBW 分析带宽 比如 测试 CDMA 的功率 既不能太大 也不能太小 应该与信号的带 宽相对应 还有测试链路噪声等 也需要对 RBW 有一定的要求 RBW 分辨率带宽 有人也叫参考带宽 表示测试的是多大带宽的功率 如测试一 GSM 2W 干放满功率单载波输出时 RBW 设为100KHz 时测得30dBm 设为200KHz 测得 33dBm RBW 实际上是频谱仪内部滤波器的带宽 是中频滤波器的3dB 带宽 设置它的大小 能决定是否能把两个相临很近的信号分开 它的设置对测试结果是有影响的 只有设置 RBW 大于或等于工作带宽时 读数才准确 但是如果信号太弱 频谱仪则无法分辨信号 此时即使 RBW 大于工作带宽读数也会不准 VBW 视频带宽 表示测试的精度 越小精度越高 如将 VBW 设为100KHz 表示每隔 100KHz 取一个样测试其电平 因此可以看到 VBW 设置越小其测试曲线越光滑 VBW 是峰值检波后滤波器带宽 主要是使测试信号更加圆滑 也是3dB 带宽 别的厂家 有6dB 带宽的 RBW 要比 VBW 重要得多 一般 HP 推荐 VBW 0 01RBW 但很多实验表明 VBW 0 1RBW 最合理 频谱仪 RBW 与 VBW 的区别 RBW 由混频器后面的中频滤波器决定 VBW 由检波器后面的视频滤波器决定 视频滤波器的带宽和分辨带宽的关系是 检波前的噪声可以通过较窄的分辨带宽来降低 从而 降低检波器的噪声输出电平 检波后的噪声则通过窄带视频滤波器来平滑减少噪声波动 但不 能降低噪声的平均功率电平 频谱仪的原理及应用 字体大小 大 中 小 hr888666y 发表于 07 11 03 12 41 阅读 3022 评论 2 分类 本章除了说明频谱分析仪工作原理 操作使用说明之外 也将其应用领域 范围作详细的介绍 尤其应用于天线特性的量测技术将有完整说明 本章的内 容包括 本章要点 1 1概论 1 2频谱分析仪的工作原理 1 3频谱分析仪的应用领域 1 1实习一 频谱分析仪 1 1概论 就量测信号的技术观之 时域方面 示波器为一项极为重要且有效的量测仪 器 它能直接显示信号波幅 频率 周期 波形与相位之响应变化 目前 一 般的示波器至少为双轨迹输出显示装置 同时也具有与绘图仪连接的 IEEE 488 IEEE 1394或 RS 232接口功能 能将屏幕上量测显示的信息绘出 作为研 究比较的依据 但它仅局限于低频的信号 高频信号则有其实际的困难 频谱 分析仪乃能弥补此项缺失 同时将一含有许多频率的信号用频域方式来呈现 以识别在各个频率的功率装置 以显示信号在频域里的特性 图1 1说明方波在 时域与频域的关系 此立体坐标轴分别代表时间 频率与振幅 由傅立叶级数 Fourier Series 可知方波包含有基本波 Fundamental Wave 及若干谐波 Harmonics 信号的组合成份由此立体坐标中对应显示出来 低频时 双轨迹模拟与数字示波器为目前信号时域的主要量测设备 模拟示波 器可量测的输入信号频率可达100 MHz 数字示波器有100 MHz 与400 或500 MHz 等多种 屏幕上显示信号的意义为横轴代表时间 纵轴代表信号电压的振 幅 用示波器量测可得到信号时间的相位及信号与时间的关系 但无法获知信 号失真的数据 亦即无法获知信号谐波分量的分布情况 同时量测微波领域 如 UHF 以上的频带 信号时 基于设备电子组件功能的限制 输入端杂散电容 等因素 量测的结果无可避免地将产生信号失真及衰减 为解决量测高频信号 上述的问题 频谱分析仪为一适当而必备的量测仪器 频谱分析仪的主要功能 是量测信号的频率响应 横轴代表频率 纵轴代表信号功率或电压的数值 可 用线性或对数刻度显示量测的结果 另外它的信号追踪产生器 Tracking Generator 可直接量测待测件 DUT Device Under Test 的频率响应特性 但 它只能量测振幅无法量测相位 就高频信号领域观之 频谱分析仪是电子工程 技术人员不可或缺的设备 对频谱分析仪工作原理的了解将有助于信号量测系 统的建立及充分扩展其应用范畴 频谱分析仪的应用领域相当广泛 诸如卫星 接收系统 无线电通信系统 行动电话系统基地台辐射场强的量测 电磁干扰 等高频信号的侦测与分析 同时也是研究信号成份 信号失真度 信号衰减量 电子组件增益等特性的主要仪器 图1 1 方波时域与频域的立体坐标关系 基于以上探讨的因素 本内容主要在探讨频谱分析仪设备的工作原理及使用方 法 其次讨论建立量测系统以量测所必须的信号参数 并分析信号的特性 评 估待测件的特性以及如何由绘图仪获得书面数据 计算信号各别频谱的功率值 以印证频谱分析仪与示波器显示值的正确性 同时提出多项有线电视系统的量 测应用 最后将提出素为工程人员忽略的天线特性量测 于本张节中讨论天线 增益及辐射场型 Radiation Pattern 的量测技术 包括完整的数学计算式 1 2频谱分析仪的工作原理 频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器 外观如图1 2所示 面板上布建许多功 能控制按键 作为系统功能之调整与控制 系统主要的功能是在频域里显示输 入信号的频谱特性 频谱分析仪依信号处理方式的不同 一般有两种类型 实 时频谱分析仪 Real Time Spectrum Analyzer 与扫瞄调谐频谱分析仪 Sweep Tuned Spectrum Analyzer 实时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的 信号振幅 其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器 Detector 再经由同步的多任务扫瞄器将信号传送到 CRT 屏幕上 其优点是 能显示周期性杂散波 Periodic Random Waves 的瞬间反应 其缺点是价昂且性 能受限于频宽范围 滤波器的数目与最大的多任务交换时间 Switching Time 最常用的频谱分析仪是扫瞄调谐频谱分析仪 其基本结构类似超外差式接收器 工作原理是输入信号经衰减器直接外加到混波器 可调变的本地振荡器经与 CRT 同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振荡频率 经混波器与输入信 号混波降频后的中频信号 IF 再放大 滤波与检波传送到 CRT 的垂直方向板 因此在 CRT 的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系 信号流程架构如图1 3所示 影响信号反应的重要部份为滤波器频宽 滤波器之特性为高斯滤波器 Gaussian Shaped Filter 影响的功能就是量测时常见到的解析频宽 RBW Resolution Bandwidth RBW 代表两个不同频率的信号能够被清楚的分 辨出来的最低频宽差异 两个不同频率的信号频宽如低于频谱分析仪的 RBW 此时该两信号将重迭 难以分辨 较低的 RBW 固然有助于不同频率信号的分辨 与量测 低的 RBW 将滤除较高频率的信号成份 导致信号显示时产生失真 失 真值与设定的 RBW 密切相关 较高的 RBW 固然有助于宽带带信号的侦测 将增 加噪声底层值 Noise Floor 降低量测灵敏度 对于侦测低强度的信号易产生 阻碍 因此适当的 RBW 宽度是正确使用频谱分析仪重要的概念 图1 2 频谱分析仪的外观 另外的视频频宽 VBW Video Bandwidth 代表单一信号显示在屏幕所需的 最低频宽 如前所说明 量测信号时 视频频宽过与不及均非适宜 都将造成 量测的困扰 如何调整必须加以了解 通常 RBW 的频宽大于等于 VBW 调整 RBW 而信号振幅并无产生明显的变化 此时之 RBW 频宽即可加以采用 量测 RF 视频载波时 信号经设备内部的混波器降频后再加以放大 滤波 RBW 决定 及检波显示等流程 若扫描太快 RBW 滤波器将无法完全充电到信号的 振幅峰值 因此必须维持足够的扫描时间 而 RBW 的宽度与扫描时间呈互动关 系 RBW 较大 扫描时间也较快 反之亦然 RBW 适当宽度的选择因而显现其重 要性 较宽的 RBW 较能充分地反应输入信号的波形与振幅 但较低的 RBW 将能区别不 同频率的信号 例如使用于6MHz 频宽视讯频道的量测 经验得知 RBW 为 300kHz 与3MHz 时 载波振幅峰值并不产生显著变化 量测6MHz 的视频信号通 常选用300kHz 的 RBW 以降低噪声 天线信号量测时 频谱分析仪的展频 Span 使用100MHz 获得较宽广的信号频谱需求 RBW 使用3MHz 这些的量 测参数并非一成不变 将会依现场状况及过去量测的经验加以调整 1 分析频谱分析仪的讯息处理过程 在量测高频信号时 外差式的频谱分析仪混波以后的中频因放大之故 能得到 较高的灵敏度 且改变中频滤波器的频带宽度 能容易地改变频率的分辨率 但由于超外差式的频谱分析仪是在频带内扫瞄之故 因此 除非使扫瞄时间趋 近于零 无法得到输入信号的实时 Real Time 反应 故欲得到与实时分析仪的 性能一样的超外差式频谱分析仪 其扫瞄速度要非常之快 若用比中频滤波器 之时间常数小的扫瞄时间来扫瞄的话 则无法得到信号正确的振幅 因此欲提 高频谱分析仪之频率分辨率 且要能得到准确之响应 要有适当的扫瞄速度 若用比中频滤波器之时间常数小的扫描时间来扫描的话 则无法得到信号的正 确振幅 因此 欲提高频谱分析仪之频率分辨率 且要得到准确之响应 要有 适当的扫描度 由以上之叙述 可以得知超外差式频谱分析仪无法分析瞬时信 号 Transient Signal 或脉冲信号 Impulse Signal 的频谱 而其主要应用则 在测试周期性的信号及其它杂散信号 Random Signal 的频谱 频谱分析仪系统内部及面板显示的特性 详如附录一的说明 对该内容的了解 将有助于频谱分析仪的操作使用 一般本地振荡器输出信号的频率均高于中频信号的频率 本地振荡器输出信号 的频率可被调整在谐波之频率 亦即 IN n LO IFn 1 2 3 2 由式 2 得知 频谱分析仪的信号量测范围 无形中己被拓宽 低于或高于本地 振荡器或其它谐波频率的输入信号 均能被混波产生中频 延伸输入信号频率 的混波原理如图1 4所示 其中纵轴代表输入信号 IN 横轴代表本 地振荡频率 LO 图中的正负整数代表公式 2 中频放大器对应的正 负号 图1 3 频谱分析仪的信号流程 由图1 4可体会频谱分析仪利用本地振荡的谐波信号延伸输入信号频率的工作原 理 然而图1 4可能对应多个输入信号频率 为消除此一现象 在衰减器前面加 入频率预选器 Preselector 用来提升频谱分析仪的动态范围 同时使输出的 结果能去除其它不必要的频率而真正反应输入信号的频率 图1 4 利用本地振荡之谐波信号拓展信号频率的原理 由以上得知超外差或频谱分析仪无法分析瞬时信号 Transient Signal 或脉冲 信号 Impulse Signal 的频谱 而其主要应用则在测试周期性的信号及其它随 机信号 Random Signal 的频谱 2 噪声特性 由于电阻的热敏效应 任何设备均具有噪声 频谱分析仪亦不例外 频谱分析 仪的噪声 本质上是热噪声 属于随机性 Random 它能被放大与衰减 由于 系随机性信号 两噪声的结合只有相加而无法产生相减的效果 在频带范围内 也相当平坦 其频宽远大于设备内部电路的频宽 检测器检知的噪声值与设定 的分辨率频宽 RBW 有关 由于噪声是随机性迭加于信号功率上 因此显示的 噪声准位与分辨率频宽成对数的关系 改变分辨率频宽时噪声随之变化 噪声 改变量相关的数学式如下所示 3 例如 频宽从100kHz BW1 调整到10kHz BW2 则噪声改变量为 4 亦即降低噪声量10dB 为原来的1 10 相对提高讯号与噪声比10dB 由此可知 纯粹要降低噪声量 使用最窄宽度的频宽将能达到目的 不论噪声来之于外部或内部产生 量测时均将影响信号振幅的准确性 特别在 低准位信号时 更是如此 噪声太大时 甚至掩盖信号以致无法正确判断信号 的大小 影响量测质量的两种噪声可概括为下列三大项 1 产生于交换功能的数字电路 点火系统与 DC 马达脉冲噪声 这类噪声常见 于 EMI Electromagnetic Interference 的讨论领域里 2 随机性噪声来之于自然界或电路的电子移动 又称之为 或称热敏 噪声 Johnson 噪声 宽带噪声或白氏 White 噪声等 本书主要以热敏噪声为重点 数学式为 5 其中 噪声功率 瓦 Hz 或 174dB Hz k Boltzman 常数 joule oK T 绝对温度表示的常温 290 oK BW 系统的噪声功率频宽 Hz 在4MHz 75 290 oK 时的噪声功率为 59 1dBm 由噪声功率得知 信号频宽降 低 系统噪声功率随之降低 信号的质量以信号噪声比表示 SNR Signal to Noise Ratio 信号强度 单位为 dBm 与系统噪声功率 单位为 dBm 的相减 值即为信号噪声比 数学式为 6 3 非线性系统产生的噪声 量测信号时均假设仪器为线性 亦即输出信号正比于输入信号 如图1 5之所示 实际情况并非如此 几乎没有完全的线性设备 其间输出与输入信号的关系可 由下数学式表示之 线性系统 7a 图1 5线性系统输出与输入信号的关系 非线性系统 7b 图1 6 非线性系统输出与输入信号的关系 显然地 非线性系统高次方项将产生谐波失真 是噪声源之一 线性度的相关量测步骤包括 A 量测载波振幅 B 量测噪声振幅 C 应用校正因素 D 正常化设定的频宽 E 计算比值 如何降低量测设备噪声层 Noise Floor 避免影响准确度 是工程人员须特别 注意的技术 为了有效降低量测设备噪声层的影响 避免设备噪声过大以致无 法分辨到信号 可在待测件 DUT 之前加入低噪声高增益放大器 此项相关的量 测技术说明将于本节后半段讨论之 3 匹配因素 量测设备的输入阻抗有时无法匹配待测件连接线特性阻抗 根据电磁理论 阻 抗匹配时 输出功率最大且没有其它不良的副作用 而阻抗不匹