频谱分析仪的工作原理及应用

1、频谱分析仪工作原理和应用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

2、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 11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

3、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

4、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

5、算信号深圳汉润电子11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,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

6、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

7、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

8、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。 11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(

9、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,R

10、BW 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 11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

11、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 &

12、#177;IF n =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。 1 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

13、频率而真正反应输入信号的频率。f L O L O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。 112.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

14、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: 12log 10(BW BW dB N = (3 例如:频宽从100kHz(BW 1调整到10kHz(BW 2,则噪声改变量为:dB kHz kHz dB N 1010010log10(=, (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

15、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KTBW (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:kTBW P n =, (5 其中:n P =噪声功率=2110*98.3瓦/Hz 或-174dB/Hzk=Boltzman 常数,2310*38.1joule/o KT=绝对温度表示

16、的常温=290 o KBW=系统的噪声功率频宽(Hz。在4MHz、75、290 o K 时的噪声功率为-59.1dBm。由噪声功率得知, 11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: (log 10dBm N dBm S N SSNR = (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:

17、i o e k e = (7a ioe图1.5线性系统输出与输入信号的关系非线性系统:+=33221i i i o e k e k e k e (7be i e e i oe o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。 11C.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

18、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,而阻抗不匹配,将造成信号反射,影响系统频率的稳定与造成信号功率的损失。信号在传输在线往返传送将产生驻波及噪声,进而影响接收端的信号质量与量测值的准确性。量测设备输入阻抗与待测件组抗不匹配之缺点可规纳为:A.信号反射,传输缆在线产生驻波。B.噪声增大。C.降低信号输出功率。D.影响系统频率的稳定。E.影响量测值之准确度。如阻抗不匹配,量测时一定要加入阻抗匹配器或阻抗转换器。阻抗匹配器通常由电感(L与电容(C或等效的微带线(M

19、icrostrip Line所构成,而阻抗转换器由宽带的精密电阻所组成,有线电视系统传输同轴缆线阻抗为75,量测仪器之输入阻抗为50时,其最简单型衰减式匹配电路如图1.7所示。75 75 5050 RF(a 1 (b图1.7:阻抗匹配(a量测示意图(b电路架构其中:=6.86111221Z ZZ R ,12121Z ZZ R =3.43。利用输入阻抗为50的频谱分析仪量测75待测件而加入匹配器时,实际的信号振幅必须考虑匹配器的介入损失(Insertion Loss,才能真正反应信号的振幅。图1.7匹配电路衰减6dB,亦即介入损失为6dB,量测时必须考虑此项损失,以避免误差。量测时频谱分析仪之读

20、值如为P 1(dBm,则真正输入信号的振幅由下式计算之:(6log 102dBW P dB RV += (8V(dBmV = P 1(dBm + 6 (dB + 48.8 (dB。 (9 其中6(dB来之于匹配器的信号介入损失,48.8 (dB为dBm 与dBmV 单位的转换因素。其中dBm 定义为1mW 为基准的功率比对数值,数学式表之如下:P(dBm =mW mW P 1(log 10。 (10而dBmV 定义为1mV 为基准的电压振幅比对数值,数学式表之如下:mVmV V dBmV V 1(log 20(= (11 11虽然dB 与dBm、dBmV 单位看似不同,均是相关参数比的对数值,

21、在此情况下看似不同,实际上是一致的,因此,可以相加减。4.参考的功能规格 频谱分析仪应用在量测时设定的条件必须能满足相关的规定,例如有线电视系统在作量测时必须满足有线电视系统工程技术管理规则的需求,因此须慎重评估其特性,应用在有线电视系统量测的频谱分析仪至少须具有下列之功能。A.频宽范围:10到1000MHz。B.展频能力:0以及100kHz 至1000MHz。C.频率精准度:±200Hz。D.全频带的相对振幅精准度±2.0dB,单频道的相对振幅精准度须能达到±0.5dB。E. AC 耦合,不损毁设备的最大输入功率须达1W。F.灵敏度:-60dBmV。G.最窄的解

22、析频宽下的噪声准位:-60dBmV。H.输入到混波器信号强度为10dBmV 时,内部失真总量60dBc。 I.视讯接收机为1MHz 频宽时,频宽分辨率为1kHz 到3MHz。 J.视讯频宽能等于解析频宽。K.输入衰减器衰减量0到60dB,每阶10dB 或更小。L.输入前置放大器可为内建或外加,增益20dB,噪声度< 7dB。 M.75输入阻抗。以上所列为频谱分析仪应具备的基本特性,如能再有下列之功能,更能增进频谱分析仪在运算、量测操作与准确度的利基。A.扫瞄显示的曲线轨迹备有符号亮点(Marker以直接指明频率值与信号振幅的关系。B.模拟的CRT 信息显示。C.在零展频(Zero Spa

23、n之扫瞄速度可达10µsec。D.具有电视的同步触发功能。 11E.有FFT(Fast Fourier Transform的运算功能。F.具有FM(Frequency Modulation的解调功能。G.在CRT 上能显示电视影像and/or 声音。H.负向峰值的侦测功能。1-3频谱分析仪的应用领域频谱分析仪主要功能在于量测信号的大小或振幅,其应用范围相当广泛,包括系统维护、信号量测、组件的频率增益与物料品管等,在此列举几项作为参考,在有线电视系统的应用,较详细的量测技术将陆续讨论之。1.放大器增益、频率响应与被动组件特性的量测在有线电视或通信系统使用大量的放大器与分接器(Tap、接

24、头、同轴电缆等被动组件,组件质量的良窳严重影响信号的特性,因此事先的筛选有助于保证信号的质量。其量测方块电路如图1.8所示,工作原理是利用频谱分析仪的追踪产生器,评估待测件(DUT的频率反应特性,量测的结果可由绘图仪(Plotter获得书面的数据。量测频率的范围事先一次设定,一次获得其对应的关系曲线,大大减少以前利用示波器及函数产生器依不同频率逐点量测的操作程序。利用频谱分析仪本身追踪产生器 (Tracking Generator的功能,其产生扫瞄信号经DUT 传送到频谱分析仪的RF 接收端,由DUT 的频率响应和短接线的量测响应,相互比较之,亦可得到该DUT 的介入损失(Insertion

25、Loss,同理,推而广之,将不难得到其它相关组件的频率响应量测(注:任何量测均须先正常化量测系统,以消除量测误差。 11图1.8:利用频谱分析仪本身追踪产生器的量测装置2.失真度量测 由富立叶级数得知,除了不失真的谐振波(正弦波外,任何波形除了基本波外,尚有高谐波的分量,例如周期性的锯齿波(Periodic Sawtooth Wave,依富富立叶级数展开法,其对应的数学式显示有无限多个谐波,而谐波成份在频谱分析仪则一览无遗。示波器无法测知信号的失真度,仅能显示信号波形与时间的关系,但频谱分析仪由对应的谐波频谱,可准确地评估信号的谐波信号与振幅,进而评估失真度的大小,失真度之定义为:%100(%

26、22/12x D D n i i = (12其中,432D D D 代表频谱分析仪第二、第三、第四等谐波的量测值,由频谱分析仪读出其对应的dBm 值,再将dBm 值依反对数法,求得其绝对值,再由上式可立刻求出失真度,失真度的数值明显地表示信号的良窳,失真度愈大,信号波形愈差,例如某信号除了基本波外,其第二谐波读值-25 dB,第三谐波读值-28dB,第四谐波读值-26dB,第五谐波读值-36dB,则反对数值各为=2D 0.0562,3D = 0.0397,4D = 0.05,5D = 0.0158,失真度可求得为:3.通讯监测无线通讯因频谱使用的规定,必须使用高频,经由天线收发信号,使用频谱分

27、析仪配合天线相当容易侦测目前通讯信号的强度与载波的频率,通讯监测之接线如图1.9所示,在屏幕上信号源的频率、数量及振幅一览无遗,如使用方向性天线,二组量测设备将能粗估信号源的地区,这也是相关单位取缔非法传送电波(例如非法广播电台等的主要侦测技术。频谱分析仪通讯监测的特性分析由图1.9特例说明之。特性分析:为了监视某地区01250 MHz 之通讯概况(参考图 1.9,由量测的频谱分析仪得知在125 MHz、 380 MHz、 750 MHz、 1200 MHz 等频率有人正使用中,根据频谱分析仪显示的信号高度,可判断其对应的 11输出功率值,另外RF(a (b图1.9:典型的通讯监测系统(a接线

28、(b实例依据需要可将频谱分析仪之扫描频宽适当地调整(如缩小,做较精细的选择,以评估该地区干扰信号的状况,此法可做某地区设计通讯电台或各行动通讯系统基地台的参考。由方向性天线的调整量测得最高的信号振幅即可依天线的方向性判定信号源的方向,邻近如再有乙组监测装置,两组天线方向的交叉点即为信号源的位置,发射源的位置即可立刻侦知,当然较多组的量测更能准确得到发射源的地点。4.有线电视影像信息的量测有线电视(CATV顾名思义是以线缆(如同轴电缆或光缆传送视讯到订户家中的工程,由于科技的发展,为了减少挖马路埋线缆施工的困难及降低成本,已有提议开放微波传送或透过卫星的功能,以Spot 的方式传送到订户家中,目

29、前美国华纳影片公司已发射具有150个频道视讯的卫星以服务北加州附近的民众,显然缆线、微波与卫星传送视讯的方式已并存服务社会大众,让收视户有更多元化的选择。CATV 系统的主要功能为传送影像节目与数据数据,并保持系统的正常运作,顺序传输80 100个或更多频道视讯以及用户终端数据检索控制信号的适时反应等双向交互式服务的功能。在CATV 系统中包括种类繁多的视频信号,例如电压与电流振幅,增益、频率、功率等,其中增益、功率大多以对数值表示之。而RF 信号的振幅、频率可由一般仪器(如示波器量测之,信号相位(Phase则由向量示波器(Vector Scope量测,所谓向量示波器是具有极稳定之环形时基示波

30、器,它可用以核对两信号间的时间延迟。另外频谱分析仪亦为CATV 信号量测不可缺少的电子设备。 11为确保信号传输的质量,CATV 系统所需量测的项目很多,根据有线电视系统工程技术管理规则第四章工程技术之规定,列出CATV 系统相关的信号规定与量测类别,方法,简图,所须设备等多项重要的说明。为了适应未来的发展趋势,采用双向交互式分割的550MHz 或750MHz 系统,其中50-550(或750MHz 用于下行频带的前向传送,信号内容包括传播的视讯、录像带、卡带等专业节目、教育节目、或其它股市、商务信息(下行频带由头端控制中心到用户的传送方向,5-42MHz 用于反向传送(上行频带,由用户传送到

31、头端控制中心,其内容包括自制节目,沿着干线及分配网络适当的地点,经上行频道送回头端,再由头端传送到适当的下行频道,另外尚包括载波信息及鉴别信号源的数字信号及读表数据、用户收视频道之指示等,42MHz 至54MHz 作为两者间的保护频带。 用户上行传输的数据信息,信息处理的内容包括终端到控制系统中心之通信,控制系统至终端之通信、控制系统对信息的处理能力、控制系统信息输出入的能力及系统储存的能力,这方面的通信技术大致已相当成熟,如再利用全图场电传文件即可提供用户丰富的数据,配合分层及选址,则可从大量实时检索的数据库中做选择性的订购,但为了能配合家用计算机的普及率,有线电视系统经营者初期以提供单向性

32、的视讯服务较佳,双向性服务的开拓约在用户的家用计算机逐渐普及后实施。A.载波频率的量测CATV 的载波频率由头端决定,目前相关的调变器、信号处理器等均使用PLL(Phase Locked Loop高稳定与准确振荡技术,载波频率稳定而准确,另外频率也不会因传输的关系而产生变化,因此不论在传输网络或头端,量测的载波频率应该一致,不会有变化或差异。依据国际NTSC 系统的规范,彩色副载波比视频载波高3.58MHz,声音载波比视频载波高4.5MHz。频率量测技术如图1.10之接线,其步骤如下:(2.调整载波在屏幕中心,展频宽度为6MHz,分辨率(RBW为100kHz,以亮点(Marker标示载波的最大

33、值,纪录亮点显示的视讯载波频率,移 11动亮点以读出色副载波的频率,同样方法读出声音载波频率,比较三者的关系是否符合规范值,其差异如超过规范值,应检讨量测方法是否正确,或设备的误差是否在接受范围内。图1.10:载波频率之量测载波频率稳定度之规范值为:(1.依规定电视频道之影像及声音载波频率,与指配之载波频率之差值应小于±25KHz。有线电视系统频道的影像串迭到另一频道为串调变之干扰现象,其特性犹如电话的串音(Cross Talk,将影响视讯的质量。如图1.11之所示,串调变在数理上定义为没有振幅调变的电压变化量与电压峰值比的对数值,数学式表之为:串调变(dB= 20balog ,(1

34、3其中:a = 电压振幅变化种总量。b = 电压峰值。图1.11:串调变的意义 11串调变比值太低时,电视机的屏幕会出现闪动对角斜纹线干扰影像画面,犹如汽车的雨刷画面,相当令人厌烦,其状况如图1.12所示,严重的话会看到干扰的影像重迭在原来接收的画面。由于电视水平线扫瞄频率为15750Hz,该信号主导视频载波,因此串调变讯号可在离影像载波15750Hz 处量得,量测时须将关掉该频道载波的调变信号,要求的规范值46dB。6图1.12:串调变干扰图1.13:串调变量测接线有两种技术评估串调变的数值:(1.频域的频谱分析仪法,(2.快速富立叶转换(Fast Fourier Transform,简写为

35、FFT法。后者须要特殊设备,价昂不实际,仅以前者为讨论主题,以下为量测的步骤:(2.关掉载波的调变信号。(3.调整载波在屏幕中心,展频宽度为50kHz,以单位为dBmV 纪录载波信号的振幅。 11(4.设定频谱分析仪的解析频宽(RBW为1kHz,视讯频宽(VBW为300Hz。(5.调整频谱分析仪的扫瞄时间为每次30秒,使15750Hz 的旁波尽可能显示出来。(6.量测旁波带的振幅,单位dBmV。(7.载波振幅与旁波带振幅取反对数,求出对应的数值,由载波振幅的大小减去所有旁波带的振幅大小后,取对数再乘以10即为量测的串调变。3.设备噪声的量测噪声正如其它信号,具有功率与频谱的特性,换言之,噪声有

36、振幅准位与频率响应,能够被放大、传送与量测,在实际的环境里,所有的电子设备都会产生噪声。噪声可用时域与频域表示之,图1.14(a为搀有噪声的信号时域表示法,信号波形明显地变厚,其中点线代表杂训的平均功率,在t o 时,信号振幅为介于a 1与a 2之间的任意值,图1.14 (b为图1.14(a同样信号的频域表示法,亦即说明某连续波的信号RMS 功率,点线表示噪声功率的平均值,在频律率f o 时,信号振幅为介于a 1与a 2之间的任意值。由此可知,时域或频域内任意点的噪声值均为连续而非单一值,其计算方式是相互垒加(Accumulation且取其平均值。 (a (b图1.14:带有噪声的特性(a时域

37、 (b频域CATV 系统每频道的实际有效频宽为4.2MHz,噪声量测时频谱分析仪的分辨率频宽不见得要使用如此高的频宽,但实际计算时必须加入频宽的校正因素,由噪声功率之数学式 11n (14其中:k=1.38×10-23(J/o K T=绝对温度(o KBW=频宽(Hz噪声功率正比于设备的频宽(BW,一般频谱分析仪的分辨率频宽最大为3MHz,因此使用频谱分析仪量测噪声时均须加入频宽的修正因素,相关数学式为:频宽的修正因素 = 10log(RBW REF /RBW ANALYZER , (15其中RBW REF = 4.2MHz,RBW ANALYZER 为量测时频谱分析仪的分辨率频宽。

38、例如频谱分析仪的分辨率频宽为100kHz 时之噪声为-62.5dBmV,在有线电视系统频道的噪声当修正为- 62.5dBmV + 10log(4.2MHz/100kHz = - 46.27dBmV。 相关的量测步骤如下:(1.设定频谱分析仪的展频为2MHz,调整扫描频率,使屏幕没有载波信号,只有显示噪声,关掉该频道载波的调变信号。(2.设定频谱分析仪解析频宽(RBW为30kHz,视讯频宽为6MHz。 (3.拆掉连接频谱分析仪的缆线(如有外接前置放大器一并拆除,纪录此时的噪声层。(4.若噪声层下降1到10dB 之间,执行步骤7,若小于1dB,则继续下步骤。(5.外接增益2030dB 噪声度小于1

39、0dB 的前置放大器。 (6.回到步骤(2。(7.接上系统RF 信号连接线,利用亮点标示噪声层,并纪录之,单位为dBmV。(8.以视频的 4.2MHz 频宽校正噪声层,亦即加入等效频宽噪声21.5dB。(9.噪声值若低于10dB,使用噪声的修正因素。(10.设定解析频宽与视讯频宽各为300kHz,重新接上RF 信号,记录载波值,单位为dBmV。(11.载波与噪声层差值即为C/N 的比值。 11(12.如有使用前置放大器,须减去前置放大器的噪声量。4.调变器特性量测电视调变器,影像采用VSB 调变及声音FM 调变,将影像及声音调整至RF(射频输出,国内采用NTSC 规格,每个频道6MHz,其输出

40、可为STD.HRC 或IRC 频道。头端电视调变器为头端设备之主机,构造复杂,内部的电路、信号流程、功能架构如图1.15之所示,目的除依序调变提升卫视、本地电视台、VCR 等视讯与声音基频信号到设定的频带,也负有自动整信号的调变深度等功能。由于其信号质量影响订户权益甚巨,频率响应的规范相当严格,相对于影像载波频率(F c 加0.2MHz 处之频率响应差值应符合下列各款之规定:(1. F c -0.5MHz到F c +3.58MHz之频率响应需于±1.5dB 以内。 (2. F c -0.75MHz到F c +4MHz之频率响应需在±1dB及-4dB之间。 (3. F c -

41、1.5MHz处应低于20dB以上。为增加系统运作的可靠度,达到自动备用取代失效的调变器,同时符合政府规定的紧急事情联播需求,调变器必须至少具有两额外信号输入端与切断主输入信号的功能,另外为了满足客户端C/N 43dB的规范,调变器的信号输出通常应保有C/N 58dB,温度特性也须相当稳定且高输出电位(通常为60dBmV。(a 11(b图1.15:调变器(a电路架构(b特性量测装置1-4.天线特性的量测频谱分析仪除了量测前述空气中的信号强度振幅外,如再加入桥接器(Bridger也能量测反射损失(Return loss,于此只要探讨如何应用频谱分析仪量测常见到的天线特性,包括天线因素、增益及辐射场

42、型等重要参数。1. 天线因素的量测由于行动电话的普及,基地站台相当普遍下,电磁辐射伤害的疑虑挥之不去,因此,电磁波强度量测已逐渐为人所重视,于此将讨论天线辐射强度或任意空间电磁强度的量测技术。如图1.16所示的电路量测架构,若辐射天线输入功率为P t ,增益为G t ,接收天线的有效孔径面积为A e ,则接收到的电磁强度P r 依Friis 传输公式为22/4(4R G G P RA G P P r t t e t t r =(16其中t t G P 称为天线的EIRP,为信号波长,而天线的有效信号接收面积(Effective ApertureA e 与天线增益(Gain G 的关系式可表之为

43、:24eA G = 11图1.16:电波辐射接收架构由空间功率密度及增益G r 得P r =r G E 221,若量测设备为频谱分析仪,不考虑传输导线的损耗,则频谱分析仪的量测值为RV G E r 222121=,其中=50R 为频谱分析仪的输入阻抗,则MHz r f G V E××=31005.1称为天线因素(AF;Antenna Factor, MHz rf G V E AF ××=31005.1(17其中MHz f 为信号频率以MHz 为单位,上式以对数表示则为MHz r f G VEdB AF log 20log 108.29log20(+= (

44、18若天线的AF 及频谱分析仪的量测值V 已知,且考虑传输线的损失,则天线外端的电场强度E 由下式计算之:(/(dBV V dB AF m dBV E +=+ Cable loss(19或者107(/(+=dBm P dB AF m V dB E µ+ Cable loss.(202.天线增益及辐射场型的量测在空旷无反射的区域或者在四周装置吸收电波材料的空间里,如图1.16所示的信号量测架构,若不考虑传输线的损失,此时接收端频谱分析仪的信号强度为22/4(4R GG P R A G P P r t t e t t r =(21(dB G r +(dB G t =4log(20R+tr

45、 P P log 10(22若发射与接收天线相同,则G G G r t =, 1122/4(4R G R A G P P P e t t t r =(23 (dB G r =(dB G t =(dB G =4log(10R+tr P Plog 5(24由量测R、与t r P P /即可决定天线的增益。若天线特性均未知,而须要量测其增益,可准备三件天线,设其增益分别为1G 、2G 与3G ,每次使用两件天线量测,依式(18有如下所示的三方程式:(1dB G +(2dB G =4log(20R+12log 10t r P P(25a (2dB G +(3dB G =4log(20R+23log 1

46、0t r P P(25b (3dB G +(1dB G =4log(20R+31log 10t r P P(25c由量测R、与t r P P /再解上三式,三方程式配合三未知数,即可求得天线的增益1G 、2G 与3G 。由发射端的方向耦合器得知发射功率t P ,由频谱分析仪得知r P ,传送的信号频率已知,距离R 亦可得知,由上式显然能求出增益G,再沿着半径R 顺时钟或反时钟旋转接收天线即可完全量测到天线的辐射场型。若发射天线增益t G 已知,只有待测天线的增益r G 为未知参数,依前述的原理可以立即计算出接收天线的增益r G ,同样沿着固定的半径再旋转天线也可以量测得到天线的辐射场型。1-5 实作项目先了解图1.17所示的频谱分析仪电路架构,与一般示波