使用频谱分析仪检测电路信号质量

使用频谱分析仪检测电路信号质量

频谱分析仪有许多功能，能察觉元件在电路中的变化，分析其频率响应来说明

电路特性；也能测量信号强度，对信号失真有帮助；也能测量频率占有率，防

范邻近信号干扰；并且是兼具计频器与功率计的仪器。

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domainAnalysis)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(AverageNoiseLevel)＞动态范围(DynamicRange)＞频

率范围(FrequencyRange)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(TimeDomain)观察信号外，需从频率

的角度，简称频域(FrequencyDomain)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(SineWave)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(SecondHarmomc)组成信号。虽然如此，但频

谱分析(SpectrumAnalysis)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。

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，尤其本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(RealTime)频谱分析仪(SA)与扫描调谐(Sweep

Tuned)频谱分析仪。

SA能立即把信号滤出天，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波波器作实时处

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

SweepTuned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调谐方式架沟而成的频谱分析仪方块图，使用一个带通可调的滤波器

(TunableFilter),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。

CRT

图3RF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。可惜此种方式以三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I制已经改变，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(LocalOscillator,L0),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：

InputRes.BWVideo

lte[DetectorFilter

7V|-TM^

Local

Osci1lator

・I

Display三秒r峰*的I

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L0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，会产生三种中频的用能(或者更

多)，可用以下公式来求出所要的正确中频信号：

ZLO+ZRF........................................（1）

flF=ZLO.....................⑵

fu>........................................（3）

第⑴式中flF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⑵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(ResolutionBandwidth,RBW)滤波器也称中频滤波器，其作用是将

RF频率与本地振荡频密相检的信号，也就是所谓的IF信号，由混波潜产生的

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。

G^IOSTEK1514532011-12-07

10d8/

Re!20OOdBmAlt3000dB

/i\

/111,1

JL

,,J71£

■,丁'J.1桃岫k100K

10KRBW

Start999000MHzC«ntor1000GHzStooycOIGP卜颇同

RBY^100kHzVBW30kHzSpan2000MHz

£涕？

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潜，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臼描

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(TransientSignal)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(FrequencyResolution),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(Residua;

FM),以及木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二杂音电功率(KTB)

K：BoltzmanConstant(1.38x10-23Jou1/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(SweepTime)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。

R8W100kHzV0W10kHzSpan2000MHz

Center1000000000GHzmwrfchina.

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NType接头

在测试系统中有各类型接头做测试。除NType、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，营以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：

〃(/)=「(t>0)

J-co

满足狄里赫利条件的周期信号，可展开成对应的数学式为:

x(/)=/+Z(4cosHty0/+sinn(w0/)

n-l

其中

出山

2加2

A亍心工⑺也⑸冏

2阿2

=—1^/(0sin

7Q"T。12

式中aO、an、bn为傅立叶系数；TO为周期，也就是信号基频成分的周期；为

信号的基频，nWO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ll）o

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。

----------▼天线

族谱分析仪

RF

输入前

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15AM信号测试（调变信号测试图）

图16FM信号测试