認識頻譜分析儀(1)- 原理及結構

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什麼是頻譜分析儀?

頻譜分析儀原理


什麼是頻譜分析儀?

頻譜分析儀是用來觀察信號由哪些頻率組成的儀器,橫軸是頻率,縱軸是功率。

所有信號都可以拆解爲不同頻譜的正弦波信號(傅里葉級數/傅里葉變換)。

頻譜分析儀原理

下圖爲頻譜分析儀的內部結構原理圖:

混頻器Mixer將輸入頻率與本地振盪器運算變爲中頻,這個稱爲降頻Downconvert;本地振盪器的頻率不斷變化,才能待測頻譜的信號從start frequency 到 stop frequency,從而得到頻譜圖。換句話說你在span設定的頻寬就是Local generator掃描的頻寬。

輸入端衰減器Attenuator

爲了避免信號過大,造成頻譜儀內部元件飽和甚至損壞,通常先將信號衰減,之後顯示時再放大,屏幕上的功率值爲實際的功率值,無需換算,單衰減量通常會顯示給使用者參考。

混頻器Mixer及中頻濾波器IF filter

中頻濾波器(IF filter)的輸入頻率固定,Mixer的作用是將目標頻率降至IF的頻率(降頻Downconvert)。Mixer將RF輸入信號與本地振盪器 (Local oscillator)運算後得到兩組頻率信號,一組是fout=(fosc-fRF),另一組是fout=(fosc+fRF),經過低通濾波器Low Pass Filter後,只有較小的fout=(fosc-fRF)通過IF filter。這個IF=(fosc-fRF)中頻信號的頻率就是輸入信號在FRF的功率,屏幕上以一個點表示。點的高低表示功率大小。

掃頻器 Sweep generator

剛剛的IF信號功率,只表示了輸入信號中單一特定頻率的功率,所以只是一個點,這個點只表示了IF filter上一個非常窄的頻寬範圍內的總功率。如果使用者想把某個頻段範圍的功率曲線全部畫出來,理論上就需要不斷移動IF filter的中心頻率來獲得該頻段的功率。實際上IF filter的中心頻率是固定的,所以只能調整LO(Local Oscillator)的頻率。LO本身由電壓控制頻率,其實是個VCO(Voltage control oscillator),因此Sweep generator就擔任了voltage controller的角色,通過改變Sweep generator的電壓來改變LO的頻率,將信號的不同頻率傳送到IF filter。

視頻濾波器-Video filter

Video filter是一個低通濾波器,用來過濾IF filter之後的包洛波(envelope),而envelope最差就是貼着IF信號走,最大頻率不會超過RBW,因爲VBW越小越能緩和envelope的變動率。代價也是sweep time變長。視頻濾波器不會降低平均噪聲電平,但能減少噪聲的低電平信號,通過減小VBW能暴露出較寬Video filter看不到的低電平信號,從而使得信號不被噪聲淹沒。

顯示- Display

功率是RBW內計算出來的功率,當RBW變大時,Noise floor也會變高,因爲雜波會隨着RBW變大把其它頻率上的雜波吸收進來。但是待測信號的功率值不會因爲RBW的大小而變化,因爲待測信號的頻率是固定的。

 

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