頻譜分析儀的工作原理及應(yīng)用

1、頻譜分析儀工作原理和應(yīng)用本章除了說明頻譜分析儀工作原理、操作使用說明之外,也將其應(yīng)用領(lǐng)域范圍作詳細(xì)的介紹,尤其應(yīng)用于天線特性的量測技術(shù)將有完整說明。本章的內(nèi)容包括:本章要點1-1概論1-2頻譜分析儀的工作原理1-3頻譜分析儀的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵙?xí)一 頻譜分析儀1-1 概論就量測信號的技術(shù)觀之,時域方面,示波器為一項極為重要且有效的量測儀器,它能直接顯示信號波幅、頻率、周期、波形與相位之響應(yīng)變化,目前,一般的示波器至少為雙軌跡輸出顯示裝置,同時也具有與繪圖儀連接的IEEE-488、IEEE-1394或RS-232接口功能,能將屏幕上量測顯示的信息繪出,作為研究比較的依據(jù),但它僅局限于低頻的信號,高頻信號

2、則有其實際的困難。頻譜分析儀乃能彌補(bǔ)此項缺失,同時將一含有許多頻率的信號用頻域方式來呈現(xiàn),以識別在各個頻率的功率裝置,以顯示信號在頻域里的特性。圖1.1說明方波在時域與頻域的關(guān)系,此立體坐標(biāo)軸分別代表時間、頻率與振幅。由傅立葉級數(shù)(Fourier Series可知方波包含有基本波(Fundamental Wave及若干諧波(Harmonics,信號的組合成份由 11此立體坐標(biāo)中對應(yīng)顯示出來。低頻時,雙軌跡模擬與數(shù)字示波器為目前信號時域的主要量測設(shè)備,模擬示波器可量測的輸入信號頻率可達(dá)100 MHz,數(shù)字示波器有100 MHz 與400(或500 MHz 等多種。屏幕上顯示信號的意義為橫軸代表時

3、間,縱軸代表信號電壓的振幅,用示波器量測可得到信號時間的相位及信號與時間的關(guān)系,但無法獲知信號失真的數(shù)據(jù),亦即無法獲知信號諧波分量的分布情況,同時量測微波領(lǐng)域(如UHF 以上的頻帶信號時,基于設(shè)備電子組件功能的限制、輸入端雜散電容等因素,量測的結(jié)果無可避免地將產(chǎn)生信號失真及衰減,為解決量測高頻信號上述的問題,頻譜分析儀為一適當(dāng)而必備的量測儀器,頻譜分析儀的主要功能是量測信號的頻率響應(yīng),橫軸代表頻率,縱軸代表信號功率或電壓的數(shù)值,可用線性或?qū)?shù)刻度顯示量測的結(jié)果。另外它的信號追蹤產(chǎn)生器 (Tracking Generator可直接量測待測件(DUT;Device Under Test的頻率響應(yīng)特

4、性,但它只能量測振幅無法量測相位。就高頻信號領(lǐng)域觀之,頻譜分析儀是電子工程技術(shù)人員不可或缺的設(shè)備,對頻譜分析儀工作原理的了解將有助于信號量測系統(tǒng)的建立及充分?jǐn)U展其應(yīng)用范疇。頻譜分析儀的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛,諸如衛(wèi)星接收系統(tǒng)、無線電通信系統(tǒng)、行動電話系統(tǒng)基地臺輻射場強(qiáng)的量測、電磁干擾等高頻信號的偵測與分析,同時也是研究信號成份、信號失真度、信號衰減量、電子組件增益等特性的主要儀器。 圖1.1:方波時域與頻域的立體坐標(biāo)關(guān)系基于以上探討的因素,本內(nèi)容主要在探討頻譜分析儀設(shè)備的工作原理及使用方法,其次討論建立量測系統(tǒng)以量測所必須的信號參數(shù),并分析信號的特性,評估待測件的特性以及如何由繪圖儀獲得書面數(shù)據(jù),計

5、算信號深圳漢潤電子11各別頻譜的功率值以印證頻譜分析儀與示波器顯示值的正確性,出多項有線電視系統(tǒng)的量測應(yīng)用。最后將提出素為工程人員忽略的天線特性量測,于本張節(jié)中討論天線增益及輻射場型(Radiation Pattern的量測技術(shù),包括完整的數(shù)學(xué)計算式。1-2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,外觀如圖1.2所示,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,系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號的頻譜特性。頻譜分析儀依信號處理方式的不同,一般有兩種類型;實時頻譜分析儀(Real-Time Spectrum Analyzer與掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀(Sweep-Tuned

6、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(Periodic Random 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)目與最大的多任務(wù)交換時間(Switching Time。最常用的頻譜分析儀是掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀,其基本結(jié)構(gòu)類似超外差式接收器,工作原理是輸入信號經(jīng)衰減器直接外加到混波器,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

7、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最低頻寬差異,兩個不同頻率的信號頻寬如低于頻譜分析儀的RBW,此時該兩信號將重迭,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

8、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。 11圖1.2:頻譜分析儀的外觀另外的視頻頻寬(VBW,Video Bandwidth代表單一信號顯示在屏幕所需的最低頻寬。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(

9、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,R

10、BW 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。1.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 11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)

11、的掃瞄速度。若用比中頻濾波器之時間常數(shù)小的掃描時間來掃描的話,則無法得到信號的正確振幅。因此,欲提高頻譜分析儀之頻率分辨率,且要得到準(zhǔn)確之響應(yīng),要有適當(dāng)?shù)膾呙瓒?。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(Transient Signal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 &

12、#177;IF n =1, 2, 3.(2由式(2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如圖1.4所示,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(2中頻放大器對應(yīng)的正負(fù)號。 1 圖1.3:頻譜分析儀的信號流程由圖 1.4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。然而圖1.4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動態(tài)范圍,同時使輸出的結(jié)果能去除其它不必要的

13、頻率而真正反應(yīng)輸入信號的頻率。f L O L O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(Transient Signal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。 112.噪聲特性 由于電阻的熱敏效應(yīng),任何設(shè)備均具有噪聲,頻譜分析儀亦不例外,頻譜分析儀的噪聲,本質(zhì)上是熱噪聲,屬于隨機(jī)性(Random,它能被放大與衰減,由于系隨機(jī)性信號,兩噪聲的結(jié)合只有相加而無法產(chǎn)生相減的效果。在頻帶范圍內(nèi)也相當(dāng)平坦,其頻寬遠(yuǎn)大于設(shè)備內(nèi)部電路的頻寬,檢測器檢知的噪聲值與

14、設(shè)定的分辨率頻寬(RBW有關(guān)。由于噪聲是隨機(jī)性迭加于信號功率上,因此顯示的噪聲準(zhǔn)位與分辨率頻寬成對數(shù)的關(guān)系,改變分辨率頻寬時噪聲隨之變化,噪聲改變量相關(guān)的數(shù)學(xué)式如下所示: 12log 10(BW BW dB N = (3 例如:頻寬從100kHz(BW 1調(diào)整到10kHz(BW 2,則噪聲改變量為:dB kHz kHz dB N 1010010log10(=, (4亦即降低噪聲量10dB (為原來的1/10,相對提高訊號與噪聲比10dB。由此可知,純粹要降低噪聲量,使用最窄寬度的頻寬將能達(dá)到目的。 不論噪聲來之于外部或內(nèi)部產(chǎn)生,量測時均將影響信號振幅的準(zhǔn)確性,特別在低準(zhǔn)位信號時,更是如此,噪聲

15、太大時,甚至掩蓋信號以致無法正確判斷信號的大小,影響量測質(zhì)量的兩種噪聲可概括為下列三大項:(1.產(chǎn)生于交換功能的數(shù)字電路、點火系統(tǒng)與DC 馬達(dá)脈沖噪聲,這類噪聲常見于EMI(Electromagnetic Interference的討論領(lǐng)域里。(2.隨機(jī)性噪聲來之于自然界或電路的電子移動,又稱之為KTBW (或稱熱敏噪聲、Johnson 噪聲、寬帶噪聲或白氏(White噪聲等,本書主要以熱敏噪聲為重點,數(shù)學(xué)式為:kTBW P n =, (5 其中:n P =噪聲功率=2110*98.3瓦/Hz 或-174dB/Hzk=Boltzman 常數(shù),2310*38.1joule/o KT=絕對溫度表示

16、的常溫=290 o KBW=系統(tǒng)的噪聲功率頻寬(Hz。在4MHz、75、290 o K 時的噪聲功率為-59.1dBm。由噪聲功率得知, 11信號頻寬降低,系統(tǒng)噪聲功率隨之降低,信號的質(zhì)量以信號噪聲比表示(SNR;Signal-to-Noise Ratio,信號強(qiáng)度(單位為dBm與系統(tǒng)噪聲功率(單位為dBm的相減值即為信號噪聲比,數(shù)學(xué)式為: (log 10dBm N dBm S N SSNR = (6(3.非線性系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲量測信號時均假設(shè)儀器為線性,亦即輸出信號正比于輸入信號,如圖1.5之所示,實際情況并非如此,幾乎沒有完全的線性設(shè)備,其間輸出與輸入信號的關(guān)系可由下數(shù)學(xué)式表示之:線性系統(tǒng):

17、i o e k e = (7a ioe圖1.5線性系統(tǒng)輸出與輸入信號的關(guān)系非線性系統(tǒng):+=33221i i i o e k e k e k e (7be i e e i oe o圖1.6:非線性系統(tǒng)輸出與輸入信號的關(guān)系顯然地,非線性系統(tǒng)高次方項將產(chǎn)生諧波失真,是噪聲源之一。線性度的相關(guān)量測步驟包括:A.量測載波振幅。B.量測噪聲振幅。 11C.應(yīng)用校正因素。D.正?；O(shè)定的頻寬。E.計算比值。 如何降低量測設(shè)備噪聲層(Noise Floor避免影響準(zhǔn)確度,是工程人員須特別注意的技術(shù),為了有效降低量測設(shè)備噪聲層的影響,避免設(shè)備噪聲過大以致無法分辨到信號,可在待測件(DUT之前加入低噪聲高增益放大

18、器,此項相關(guān)的量測技術(shù)說明將于本節(jié)后半段討論之。3.匹配因素量測設(shè)備的輸入阻抗有時無法匹配待測件連接線特性阻抗,根據(jù)電磁理論,阻抗匹配時,輸出功率最大且沒有其它不良的副作用,而阻抗不匹配,將造成信號反射,影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定與造成信號功率的損失。信號在傳輸在線往返傳送將產(chǎn)生駐波及噪聲,進(jìn)而影響接收端的信號質(zhì)量與量測值的準(zhǔn)確性。量測設(shè)備輸入阻抗與待測件組抗不匹配之缺點可規(guī)納為:A.信號反射,傳輸纜在線產(chǎn)生駐波。B.噪聲增大。C.降低信號輸出功率。D.影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。E.影響量測值之準(zhǔn)確度。如阻抗不匹配,量測時一定要加入阻抗匹配器或阻抗轉(zhuǎn)換器。阻抗匹配器通常由電感(L與電容(C或等效的微帶線(M

19、icrostrip Line所構(gòu)成,而阻抗轉(zhuǎn)換器由寬帶的精密電阻所組成,有線電視系統(tǒng)傳輸同軸纜線阻抗為75,量測儀器之輸入阻抗為50時,其最簡單型衰減式匹配電路如圖1.7所示。75 75 5050 RF(a 1 (b圖1.7:阻抗匹配(a量測示意圖(b電路架構(gòu)其中:=6.86111221Z ZZ R ,12121Z ZZ R =3.43。利用輸入阻抗為50的頻譜分析儀量測75待測件而加入匹配器時,實際的信號振幅必須考慮匹配器的介入損失(Insertion Loss,才能真正反應(yīng)信號的振幅。圖1.7匹配電路衰減6dB,亦即介入損失為6dB,量測時必須考慮此項損失,以避免誤差。量測時頻譜分析儀之讀

20、值如為P 1(dBm,則真正輸入信號的振幅由下式計算之:(6log 102dBW P dB RV += (8V(dBmV = P 1(dBm + 6 (dB + 48.8 (dB。 (9 其中6(dB來之于匹配器的信號介入損失,48.8 (dB為dBm 與dBmV 單位的轉(zhuǎn)換因素。其中dBm 定義為1mW 為基準(zhǔn)的功率比對數(shù)值,數(shù)學(xué)式表之如下:P(dBm =mW mW P 1(log 10。 (10而dBmV 定義為1mV 為基準(zhǔn)的電壓振幅比對數(shù)值,數(shù)學(xué)式表之如下:mVmV V dBmV V 1(log 20(= (11 11雖然dB 與dBm、dBmV 單位看似不同,均是相關(guān)參數(shù)比的對數(shù)值,

21、在此情況下看似不同,實際上是一致的,因此,可以相加減。4.參考的功能規(guī)格 頻譜分析儀應(yīng)用在量測時設(shè)定的條件必須能滿足相關(guān)的規(guī)定,例如有線電視系統(tǒng)在作量測時必須滿足有線電視系統(tǒng)工程技術(shù)管理規(guī)則的需求,因此須慎重評估其特性,應(yīng)用在有線電視系統(tǒng)量測的頻譜分析儀至少須具有下列之功能。A.頻寬范圍:10到1000MHz。B.展頻能力:0以及100kHz 至1000MHz。C.頻率精準(zhǔn)度:±200Hz。D.全頻帶的相對振幅精準(zhǔn)度±2.0dB,單頻道的相對振幅精準(zhǔn)度須能達(dá)到±0.5dB。E. AC 耦合,不損毀設(shè)備的最大輸入功率須達(dá)1W。F.靈敏度:-60dBmV。G.最窄的解

22、析頻寬下的噪聲準(zhǔn)位:-60dBmV。H.輸入到混波器信號強(qiáng)度為10dBmV 時,內(nèi)部失真總量60dBc。 I.視訊接收機(jī)為1MHz 頻寬時,頻寬分辨率為1kHz 到3MHz。 J.視訊頻寬能等于解析頻寬。K.輸入衰減器衰減量0到60dB,每階10dB 或更小。L.輸入前置放大器可為內(nèi)建或外加,增益20dB,噪聲度< 7dB。 M.75輸入阻抗。以上所列為頻譜分析儀應(yīng)具備的基本特性,如能再有下列之功能,更能增進(jìn)頻譜分析儀在運算、量測操作與準(zhǔn)確度的利基。A.掃瞄顯示的曲線軌跡備有符號亮點(Marker以直接指明頻率值與信號振幅的關(guān)系。B.模擬的CRT 信息顯示。C.在零展頻(Zero Spa

23、n之掃瞄速度可達(dá)10µsec。D.具有電視的同步觸發(fā)功能。 11E.有FFT(Fast Fourier Transform的運算功能。F.具有FM(Frequency Modulation的解調(diào)功能。G.在CRT 上能顯示電視影像and/or 聲音。H.負(fù)向峰值的偵測功能。1-3頻譜分析儀的應(yīng)用領(lǐng)域頻譜分析儀主要功能在于量測信號的大小或振幅,其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛,包括系統(tǒng)維護(hù)、信號量測、組件的頻率增益與物料品管等,在此列舉幾項作為參考,在有線電視系統(tǒng)的應(yīng)用,較詳細(xì)的量測技術(shù)將陸續(xù)討論之。1.放大器增益、頻率響應(yīng)與被動組件特性的量測在有線電視或通信系統(tǒng)使用大量的放大器與分接器(Tap、接

24、頭、同軸電纜等被動組件,組件質(zhì)量的良窳嚴(yán)重影響信號的特性,因此事先的篩選有助于保證信號的質(zhì)量。其量測方塊電路如圖1.8所示,工作原理是利用頻譜分析儀的追蹤產(chǎn)生器,評估待測件(DUT的頻率反應(yīng)特性,量測的結(jié)果可由繪圖儀(Plotter獲得書面的數(shù)據(jù)。量測頻率的范圍事先一次設(shè)定,一次獲得其對應(yīng)的關(guān)系曲線,大大減少以前利用示波器及函數(shù)產(chǎn)生器依不同頻率逐點量測的操作程序。利用頻譜分析儀本身追蹤產(chǎn)生器 (Tracking Generator的功能,其產(chǎn)生掃瞄信號經(jīng)DUT 傳送到頻譜分析儀的RF 接收端,由DUT 的頻率響應(yīng)和短接線的量測響應(yīng),相互比較之,亦可得到該DUT 的介入損失(Insertion

25、Loss,同理,推而廣之,將不難得到其它相關(guān)組件的頻率響應(yīng)量測(注:任何量測均須先正?；繙y系統(tǒng),以消除量測誤差。 11圖1.8:利用頻譜分析儀本身追蹤產(chǎn)生器的量測裝置2.失真度量測 由富立葉級數(shù)得知,除了不失真的諧振波(正弦波外,任何波形除了基本波外,尚有高諧波的分量,例如周期性的鋸齒波(Periodic Sawtooth Wave,依富富立葉級數(shù)展開法,其對應(yīng)的數(shù)學(xué)式顯示有無限多個諧波,而諧波成份在頻譜分析儀則一覽無遺。示波器無法測知信號的失真度,僅能顯示信號波形與時間的關(guān)系,但頻譜分析儀由對應(yīng)的諧波頻譜,可準(zhǔn)確地評估信號的諧波信號與振幅,進(jìn)而評估失真度的大小,失真度之定義為:%100(%

26、22/12x D D n i i = (12其中,432D D D 代表頻譜分析儀第二、第三、第四等諧波的量測值,由頻譜分析儀讀出其對應(yīng)的dBm 值,再將dBm 值依反對數(shù)法,求得其絕對值,再由上式可立刻求出失真度,失真度的數(shù)值明顯地表示信號的良窳,失真度愈大,信號波形愈差,例如某信號除了基本波外,其第二諧波讀值-25 dB,第三諧波讀值-28dB,第四諧波讀值-26dB,第五諧波讀值-36dB,則反對數(shù)值各為=2D 0.0562,3D = 0.0397,4D = 0.05,5D = 0.0158,失真度可求得為:3.通訊監(jiān)測無線通訊因頻譜使用的規(guī)定,必須使用高頻,經(jīng)由天線收發(fā)信號,使用頻譜分

27、析儀配合天線相當(dāng)容易偵測目前通訊信號的強(qiáng)度與載波的頻率,通訊監(jiān)測之接線如圖1.9所示,在屏幕上信號源的頻率、數(shù)量及振幅一覽無遺,如使用方向性天線,二組量測設(shè)備將能粗估信號源的地區(qū),這也是相關(guān)單位取締非法傳送電波(例如非法廣播電臺等的主要偵測技術(shù)。頻譜分析儀通訊監(jiān)測的特性分析由圖1.9特例說明之。特性分析:為了監(jiān)視某地區(qū)01250 MHz 之通訊概況(參考圖 1.9,由量測的頻譜分析儀得知在125 MHz、 380 MHz、 750 MHz、 1200 MHz 等頻率有人正使用中,根據(jù)頻譜分析儀顯示的信號高度,可判斷其對應(yīng)的 11輸出功率值,另外RF(a (b圖1.9:典型的通訊監(jiān)測系統(tǒng)(a接線

28、(b實例依據(jù)需要可將頻譜分析儀之掃描頻寬適當(dāng)?shù)卣{(diào)整(如縮小,做較精細(xì)的選擇,以評估該地區(qū)干擾信號的狀況,此法可做某地區(qū)設(shè)計通訊電臺或各行動通訊系統(tǒng)基地臺的參考。由方向性天線的調(diào)整量測得最高的信號振幅即可依天線的方向性判定信號源的方向,鄰近如再有乙組監(jiān)測裝置,兩組天線方向的交叉點即為信號源的位置,發(fā)射源的位置即可立刻偵知,當(dāng)然較多組的量測更能準(zhǔn)確得到發(fā)射源的地點。4.有線電視影像信息的量測有線電視(CATV顧名思義是以線纜(如同軸電纜或光纜傳送視訊到訂戶家中的工程,由于科技的發(fā)展,為了減少挖馬路埋線纜施工的困難及降低成本,已有提議開放微波傳送或透過衛(wèi)星的功能,以Spot 的方式傳送到訂戶家中,目

29、前美國華納影片公司已發(fā)射具有150個頻道視訊的衛(wèi)星以服務(wù)北加州附近的民眾,顯然纜線、微波與衛(wèi)星傳送視訊的方式已并存服務(wù)社會大眾,讓收視戶有更多元化的選擇。CATV 系統(tǒng)的主要功能為傳送影像節(jié)目與數(shù)據(jù)數(shù)據(jù),并保持系統(tǒng)的正常運作,順序傳輸80 100個或更多頻道視訊以及用戶終端數(shù)據(jù)檢索控制信號的適時反應(yīng)等雙向交互式服務(wù)的功能。在CATV 系統(tǒng)中包括種類繁多的視頻信號,例如電壓與電流振幅,增益、頻率、功率等,其中增益、功率大多以對數(shù)值表示之。而RF 信號的振幅、頻率可由一般儀器(如示波器量測之,信號相位(Phase則由向量示波器(Vector Scope量測,所謂向量示波器是具有極穩(wěn)定之環(huán)形時基示波

30、器,它可用以核對兩信號間的時間延遲。另外頻譜分析儀亦為CATV 信號量測不可缺少的電子設(shè)備。 11為確保信號傳輸?shù)馁|(zhì)量,CATV 系統(tǒng)所需量測的項目很多,根據(jù)有線電視系統(tǒng)工程技術(shù)管理規(guī)則第四章工程技術(shù)之規(guī)定,列出CATV 系統(tǒng)相關(guān)的信號規(guī)定與量測類別,方法,簡圖,所須設(shè)備等多項重要的說明。為了適應(yīng)未來的發(fā)展趨勢,采用雙向交互式分割的550MHz 或750MHz 系統(tǒng),其中50-550(或750MHz 用于下行頻帶的前向傳送,信號內(nèi)容包括傳播的視訊、錄像帶、卡帶等專業(yè)節(jié)目、教育節(jié)目、或其它股市、商務(wù)信息(下行頻帶由頭端控制中心到用戶的傳送方向,5-42MHz 用于反向傳送(上行頻帶,由用戶傳送到

31、頭端控制中心,其內(nèi)容包括自制節(jié)目,沿著干線及分配網(wǎng)絡(luò)適當(dāng)?shù)牡攸c,經(jīng)上行頻道送回頭端,再由頭端傳送到適當(dāng)?shù)南滦蓄l道,另外尚包括載波信息及鑒別信號源的數(shù)字信號及讀表數(shù)據(jù)、用戶收視頻道之指示等,42MHz 至54MHz 作為兩者間的保護(hù)頻帶。 用戶上行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息,信息處理的內(nèi)容包括終端到控制系統(tǒng)中心之通信,控制系統(tǒng)至終端之通信、控制系統(tǒng)對信息的處理能力、控制系統(tǒng)信息輸出入的能力及系統(tǒng)儲存的能力,這方面的通信技術(shù)大致已相當(dāng)成熟,如再利用全圖場電傳文件即可提供用戶豐富的數(shù)據(jù),配合分層及選址,則可從大量實時檢索的數(shù)據(jù)庫中做選擇性的訂購,但為了能配合家用計算機(jī)的普及率,有線電視系統(tǒng)經(jīng)營者初期以提供單向性

32、的視訊服務(wù)較佳,雙向性服務(wù)的開拓約在用戶的家用計算機(jī)逐漸普及后實施。A.載波頻率的量測CATV 的載波頻率由頭端決定,目前相關(guān)的調(diào)變器、信號處理器等均使用PLL(Phase Locked Loop高穩(wěn)定與準(zhǔn)確振蕩技術(shù),載波頻率穩(wěn)定而準(zhǔn)確,另外頻率也不會因傳輸?shù)年P(guān)系而產(chǎn)生變化,因此不論在傳輸網(wǎng)絡(luò)或頭端,量測的載波頻率應(yīng)該一致,不會有變化或差異。依據(jù)國際NTSC 系統(tǒng)的規(guī)范,彩色副載波比視頻載波高3.58MHz,聲音載波比視頻載波高4.5MHz。頻率量測技術(shù)如圖1.10之接線,其步驟如下:(2.調(diào)整載波在屏幕中心,展頻寬度為6MHz,分辨率(RBW為100kHz,以亮點(Marker標(biāo)示載波的最大

33、值,紀(jì)錄亮點顯示的視訊載波頻率,移 11動亮點以讀出色副載波的頻率,同樣方法讀出聲音載波頻率,比較三者的關(guān)系是否符合規(guī)范值,其差異如超過規(guī)范值,應(yīng)檢討量測方法是否正確,或設(shè)備的誤差是否在接受范圍內(nèi)。圖1.10:載波頻率之量測載波頻率穩(wěn)定度之規(guī)范值為:(1.依規(guī)定電視頻道之影像及聲音載波頻率,與指配之載波頻率之差值應(yīng)小于±25KHz。有線電視系統(tǒng)頻道的影像串迭到另一頻道為串調(diào)變之干擾現(xiàn)象,其特性猶如電話的串音(Cross Talk,將影響視訊的質(zhì)量。如圖1.11之所示,串調(diào)變在數(shù)理上定義為沒有振幅調(diào)變的電壓變化量與電壓峰值比的對數(shù)值,數(shù)學(xué)式表之為:串調(diào)變(dB= 20balog ,(1

34、3其中:a = 電壓振幅變化種總量。b = 電壓峰值。圖1.11:串調(diào)變的意義 11串調(diào)變比值太低時,電視機(jī)的屏幕會出現(xiàn)閃動對角斜紋線干擾影像畫面,猶如汽車的雨刷畫面,相當(dāng)令人厭煩,其狀況如圖1.12所示,嚴(yán)重的話會看到干擾的影像重迭在原來接收的畫面。由于電視水平線掃瞄頻率為15750Hz,該信號主導(dǎo)視頻載波,因此串調(diào)變訊號可在離影像載波15750Hz 處量得,量測時須將關(guān)掉該頻道載波的調(diào)變信號,要求的規(guī)范值46dB。6圖1.12:串調(diào)變干擾圖1.13:串調(diào)變量測接線有兩種技術(shù)評估串調(diào)變的數(shù)值:(1.頻域的頻譜分析儀法,(2.快速富立葉轉(zhuǎn)換(Fast Fourier Transform,簡寫為

35、FFT法。后者須要特殊設(shè)備,價昂不實際,僅以前者為討論主題,以下為量測的步驟:(2.關(guān)掉載波的調(diào)變信號。(3.調(diào)整載波在屏幕中心,展頻寬度為50kHz,以單位為dBmV 紀(jì)錄載波信號的振幅。 11(4.設(shè)定頻譜分析儀的解析頻寬(RBW為1kHz,視訊頻寬(VBW為300Hz。(5.調(diào)整頻譜分析儀的掃瞄時間為每次30秒,使15750Hz 的旁波盡可能顯示出來。(6.量測旁波帶的振幅,單位dBmV。(7.載波振幅與旁波帶振幅取反對數(shù),求出對應(yīng)的數(shù)值,由載波振幅的大小減去所有旁波帶的振幅大小后,取對數(shù)再乘以10即為量測的串調(diào)變。3.設(shè)備噪聲的量測噪聲正如其它信號,具有功率與頻譜的特性,換言之,噪聲有

36、振幅準(zhǔn)位與頻率響應(yīng),能夠被放大、傳送與量測,在實際的環(huán)境里,所有的電子設(shè)備都會產(chǎn)生噪聲。噪聲可用時域與頻域表示之,圖1.14(a為攙有噪聲的信號時域表示法,信號波形明顯地變厚,其中點線代表雜訓(xùn)的平均功率,在t o 時,信號振幅為介于a 1與a 2之間的任意值,圖1.14 (b為圖1.14(a同樣信號的頻域表示法,亦即說明某連續(xù)波的信號RMS 功率,點線表示噪聲功率的平均值,在頻律率f o 時,信號振幅為介于a 1與a 2之間的任意值。由此可知,時域或頻域內(nèi)任意點的噪聲值均為連續(xù)而非單一值,其計算方式是相互壘加(Accumulation且取其平均值。 (a (b圖1.14:帶有噪聲的特性(a時域

37、 (b頻域CATV 系統(tǒng)每頻道的實際有效頻寬為4.2MHz,噪聲量測時頻譜分析儀的分辨率頻寬不見得要使用如此高的頻寬,但實際計算時必須加入頻寬的校正因素,由噪聲功率之?dāng)?shù)學(xué)式 11n (14其中:k=1.38×10-23(J/o K T=絕對溫度(o KBW=頻寬(Hz噪聲功率正比于設(shè)備的頻寬(BW,一般頻譜分析儀的分辨率頻寬最大為3MHz,因此使用頻譜分析儀量測噪聲時均須加入頻寬的修正因素,相關(guān)數(shù)學(xué)式為:頻寬的修正因素 = 10log(RBW REF /RBW ANALYZER , (15其中RBW REF = 4.2MHz,RBW ANALYZER 為量測時頻譜分析儀的分辨率頻寬。

38、例如頻譜分析儀的分辨率頻寬為100kHz 時之噪聲為-62.5dBmV,在有線電視系統(tǒng)頻道的噪聲當(dāng)修正為- 62.5dBmV + 10log(4.2MHz/100kHz = - 46.27dBmV。 相關(guān)的量測步驟如下:(1.設(shè)定頻譜分析儀的展頻為2MHz,調(diào)整掃描頻率,使屏幕沒有載波信號,只有顯示噪聲,關(guān)掉該頻道載波的調(diào)變信號。(2.設(shè)定頻譜分析儀解析頻寬(RBW為30kHz,視訊頻寬為6MHz。 (3.拆掉連接頻譜分析儀的纜線(如有外接前置放大器一并拆除,紀(jì)錄此時的噪聲層。(4.若噪聲層下降1到10dB 之間,執(zhí)行步驟7,若小于1dB,則繼續(xù)下步驟。(5.外接增益2030dB 噪聲度小于1

39、0dB 的前置放大器。 (6.回到步驟(2。(7.接上系統(tǒng)RF 信號連接線,利用亮點標(biāo)示噪聲層,并紀(jì)錄之,單位為dBmV。(8.以視頻的 4.2MHz 頻寬校正噪聲層,亦即加入等效頻寬噪聲21.5dB。(9.噪聲值若低于10dB,使用噪聲的修正因素。(10.設(shè)定解析頻寬與視訊頻寬各為300kHz,重新接上RF 信號,記錄載波值,單位為dBmV。(11.載波與噪聲層差值即為C/N 的比值。 11(12.如有使用前置放大器,須減去前置放大器的噪聲量。4.調(diào)變器特性量測電視調(diào)變器,影像采用VSB 調(diào)變及聲音FM 調(diào)變,將影像及聲音調(diào)整至RF(射頻輸出,國內(nèi)采用NTSC 規(guī)格,每個頻道6MHz,其輸出

40、可為STD.HRC 或IRC 頻道。頭端電視調(diào)變器為頭端設(shè)備之主機(jī),構(gòu)造復(fù)雜,內(nèi)部的電路、信號流程、功能架構(gòu)如圖1.15之所示,目的除依序調(diào)變提升衛(wèi)視、本地電視臺、VCR 等視訊與聲音基頻信號到設(shè)定的頻帶,也負(fù)有自動整信號的調(diào)變深度等功能。由于其信號質(zhì)量影響訂戶權(quán)益甚巨,頻率響應(yīng)的規(guī)范相當(dāng)嚴(yán)格,相對于影像載波頻率(F c 加0.2MHz 處之頻率響應(yīng)差值應(yīng)符合下列各款之規(guī)定:(1. F c -0.5MHz到F c +3.58MHz之頻率響應(yīng)需于±1.5dB 以內(nèi)。 (2. F c -0.75MHz到F c +4MHz之頻率響應(yīng)需在±1dB及-4dB之間。 (3. F c -

41、1.5MHz處應(yīng)低于20dB以上。為增加系統(tǒng)運作的可靠度,達(dá)到自動備用取代失效的調(diào)變器,同時符合政府規(guī)定的緊急事情聯(lián)播需求,調(diào)變器必須至少具有兩額外信號輸入端與切斷主輸入信號的功能,另外為了滿足客戶端C/N 43dB的規(guī)范,調(diào)變器的信號輸出通常應(yīng)保有C/N 58dB,溫度特性也須相當(dāng)穩(wěn)定且高輸出電位(通常為60dBmV。(a 11(b圖1.15:調(diào)變器(a電路架構(gòu)(b特性量測裝置1-4.天線特性的量測頻譜分析儀除了量測前述空氣中的信號強(qiáng)度振幅外,如再加入橋接器(Bridger也能量測反射損失(Return loss,于此只要探討如何應(yīng)用頻譜分析儀量測常見到的天線特性,包括天線因素、增益及輻射場

42、型等重要參數(shù)。1. 天線因素的量測由于行動電話的普及,基地站臺相當(dāng)普遍下,電磁輻射傷害的疑慮揮之不去,因此,電磁波強(qiáng)度量測已逐漸為人所重視,于此將討論天線輻射強(qiáng)度或任意空間電磁強(qiáng)度的量測技術(shù)。如圖1.16所示的電路量測架構(gòu),若輻射天線輸入功率為P t ,增益為G t ,接收天線的有效孔徑面積為A e ,則接收到的電磁強(qiáng)度P r 依Friis 傳輸公式為22/4(4R G G P RA G P P r t t e t t r =(16其中t t G P 稱為天線的EIRP,為信號波長,而天線的有效信號接收面積(Effective ApertureA e 與天線增益(Gain G 的關(guān)系式可表之為

43、:24eA G = 11圖1.16:電波輻射接收架構(gòu)由空間功率密度及增益G r 得P r =r G E 221,若量測設(shè)備為頻譜分析儀,不考慮傳輸導(dǎo)線的損耗,則頻譜分析儀的量測值為RV G E r 222121=,其中=50R 為頻譜分析儀的輸入阻抗,則MHz r f G V E××=31005.1稱為天線因素(AF;Antenna Factor, MHz rf G V E AF ××=31005.1(17其中MHz f 為信號頻率以MHz 為單位,上式以對數(shù)表示則為MHz r f G VEdB AF log 20log 108.29log20(+= (

44、18若天線的AF 及頻譜分析儀的量測值V 已知,且考慮傳輸線的損失,則天線外端的電場強(qiáng)度E 由下式計算之:(/(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.天線增益及輻射場型的量測在空曠無反射的區(qū)域或者在四周裝置吸收電波材料的空間里,如圖1.16所示的信號量測架構(gòu),若不考慮傳輸線的損失,此時接收端頻譜分析儀的信號強(qiáng)度為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若發(fā)射與接收天線相同,則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由量測R、與t r P P /即可決定天線的增益。若天線特性均未知,而須要量測其增益,可準(zhǔn)備三件天線,設(shè)其增益分別為1G 、2G 與3G ,每次使用兩件天線量測,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由量測R、與t r P P /再解上三式,三方程式配合三未知數(shù),即可求得天線的增益1G 、2G 與3G 。由發(fā)射端的方向耦合器得知發(fā)射功率t P ,由頻譜分析儀得知r P ,傳送的信號頻率已知,距離R 亦可得知,由上式顯然能求出增益G,再沿著半徑R 順時鐘或反時鐘旋轉(zhuǎn)接收天線即可完全量測到天線的輻射場型。若發(fā)射天線增益t G 已知,只有待測天線的增益r G 為未知參數(shù),依前述的原理可以立即計算出接收天線的增益r G ,同樣沿著固定的半徑再旋轉(zhuǎn)天線也可以量測得到天線的輻射場型。1-5 實作項目先了解圖1.17所示的頻譜分析儀電路架構(gòu),與一般示波