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用頻譜分析儀解決所有複雜量測任務!
還搞不定頻域測試?
[作者 王岫晨]   2014年11月24日 星期一 瀏覽人次: [8391]

頻譜分析儀是兼具計頻器與功率計兩種功能的量測儀器。

可針對訊號進行快速偵測,以及擷取和辨識射頻訊號。

隨著技術演進,頻譜分析儀已可整合向量訊號分析功能。


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頻譜分析儀是工程師經常使用的測試儀器之一。只不過究竟什麼是頻譜(Spectrum),又為何要進行頻譜分析(Spectrum analysis)呢?事實上,頻譜的概念充斥在大家的生活週遭,各種具有不同頻率的訊號,往往是以機率分配的方式存在著,在一般的時域分析(Time-domain analysis)中,很容易就可以從時間軸上,觀察到任何訊號波形變化的事件。一般來說,透過示波器,就能看出任何具有時間函數之電子訊號事件的瞬間物理量。


頻譜分析的重要性

關於頻譜分析儀的發展起源,最早期是在通信系統的頻率量測中,為了達到以頻率為基準,在頻域上進行信號檢測而研發出來的儀器。這種儀器被廣泛地使用於通信系統的各種重要參數量測,如平均雜訊位準(Average noise level)、動態範圍(Dynamic range)、頻率範圍(Frequency range)等。此外,頻譜分析儀還能用在時域的量測,如測量傳輸輸出功率等項目上。


若依功能來看,一般的計頻器只能量測訊號的頻率,功率計則只能量測訊號的功率,而可以將頻譜分析儀視為兼具計頻器與功率計兩種功能的量測儀器。因此,如果要完全分析且釐清一個信號的特性,除了使用示波器從時域對信號加以觀察之外,還需要從頻率的角度來分析信號。


通常用示波器來觀察信號,並無法完全清楚信號的全貌,只能看到組成之後的波形。例如方波是經過許多信號累積而構成的一種信號。法國數學家傅立葉認為,任何時域上的電子訊號現象,必然是由多組具適當頻率、振幅與相位的弦波訊號所組成。因此,理論上有濾波功能的電子系統,必可將訊號波形分解為多個不同的弦波或頻率,以利個別分析。


這些不同的弦波,由其振幅與相位來決定其訊號特性。藉由這種組成分析,即可將弦波訊號由時域轉換至頻域。透過傅立葉轉換,就能夠從頻域的訊號觀點,轉換到時域的空間進行思考。


在射頻電路中,可能會有放大器、振盪器、混頻器、濾波器等電路元件,單純只用示波器來觀察的話,將難以察覺該元件在電路中的變化,這時候就必須使用頻譜分析儀,分析其頻率響應,來了解電路的特性。


頻域分析法是找出待測訊號各個諧波成分的最佳解決方案,

尤其是對通訊工程人員最關注的諧波失真來加以分析。

為何要量測頻譜?

由於在頻域中,也有其所對應的訊號強度可供量測,故頻域分析法是找出待測訊號各個諧波成分的最佳解決方案,尤其是對通訊工程人員所最關注的諧波失真來加以分析。


例如在行動電話的載波訊號上,必須經常檢查是否有來自其他系統的諧波干擾,造成訊號失真進而影響通話品質。此外,工程師也關心載波訊號上的調變訊號失真程度,例如交互調變現象即是一種複雜的問題,因為其所產生的失真,往往落在重要的頻帶中,且難以濾除。


頻譜的佔據率也是頻域分析中的關鍵。為了防範鄰近頻率的訊號干擾,針對調變訊號所進行的展頻動作,才能有效規範各種頻譜之頻寬。電磁干擾本身即是一種頻譜的佔據現象,由於各式各樣的無線通訊產品普遍使用,已造成為各種電磁訊號無所不在的電磁污染源,無論是輻射式或傳導式的電磁干擾,都會造成其他電子系統在操作上的損害。


因此電子或電器產品的製造廠商,都必須依據相關法令規範來進行必要的電磁輻射測試,才能順利將產品推出上市。事實上,訊號分析是工程師工作中重要的一環。透過這種基本量測,才可了解訊號細節,並獲得訊號特性的重要資訊。而訊號分析的效率,往往取決於量測儀器的效能。


一般來說,頻譜分析儀與向量訊號分析儀都是普遍用於電氣訊號分析的量測設備。由於擁擠的射頻頻譜在數位調變技術與普遍存在的無線技術發展上,帶來了設計、整合、特性分析與故障排除方面的挑戰。頻譜分析儀便可針對訊號進行快速偵測,以及擷取和辨識射頻訊號。而向量訊號分析儀可同時量測中頻頻寬輸出訊號的大小與相位,並經對已知訊號執行通道內量測。


結語

在以前,頻譜分析儀與向量訊號分析儀經常是各自獨立的儀器,但隨著技術的演進,目前量測大廠已可將這些功能整合在同一部儀器上,並統稱為頻譜分析儀。


頻譜分析儀可提供更為強大的測試與分析能力,讓工程師快速了解元件與系統的頻譜特性。只要善用這類工具,各種開發過程經常遇到的疑難雜症都能迎刃而解。



圖一 : 時域與頻域的差異。
圖一 : 時域與頻域的差異。

羅德史瓦茲FSW67訊號及頻譜分析儀

台灣羅德史瓦茲總經理蔡吉文:「我們能滿足所有複雜的量測任務!」


R&S FSW67為R&S FSW高階訊號及頻譜分析儀系列中的全新機種,為業界唯一不需要額外搭配混頻器,單次掃描即可支援頻率範圍從2Hz至67GHz的分析儀;由於無需額外連接外部諧波混頻器,不僅省去繁複的佈線,亦可避免混頻器所造成的鏡像頻率雜訊及其他雜散訊號之影響。


蔡吉文說,不僅如此,其320 MHz的分析頻寬更適合於寬頻、跳頻及調頻脈衝訊號的量測應用;至今這些量測應用仍需透過複雜的測試配置方能達成,如搭配數位示波器及變頻器。


R&S FSW67具備傑出的RF性能並整合了67GHz前置放大器,即使於高頻量測下亦保持高靈敏度;在67GHz載波及10kHz頻偏下,僅有-111 dBc(Hz)的相位雜訊。R&S FSW67的大動態範圍與低固有誤差等優良特性,使得精確測量微小的雜散訊號及元件的雜訊指數成為可能;此外,R&S FSW67亦提供高重複性的測試結果。



圖二 : 羅德史瓦茲FSW67訊號及頻譜分析儀
圖二 : 羅德史瓦茲FSW67訊號及頻譜分析儀圖片來源:rohde-schwarz.com

是德科技M9393A PXIe高效能向量信號分析儀

是德科技總經理張志銘:「這絕對是最理想的信號分析工具!」


射頻需求不斷攀升,但開發時程卻愈來愈短。隨著模組化射頻測試解決方案不斷演變,是德PXI VSA是理想的信號分析工具。利用原始硬體速度和X系列量測應用軟體,它可更快提供經過驗證的結果。這些模組化硬體與軟體皆享全球支援,PXI VSA軟體可讓工程師低風險地因應改變,並且為明天做好準備。


張志銘說,M9391A的典型配置包括四個獨立的PXIe模組:M9300A頻率參考、M9301A合成器、M9214A數位轉換器和M9350A降頻器。M9391A可與M9381A向量信號產生器結合使用,以便建構快速、輕巧的射頻元件測試解決方案。


至於M9393A PXIe高效能型向量信號分析儀,則實現了是德稱霸微波量測領域的專業知識。它整合了核心信號分析功能和硬體速度與準確度,並由四個獨立的PXIe模組所組成,即M9365A PXIe降頻器、M9308A PXIe合成器、M9214A PXIe數位轉換器,以及M9300A PXIe頻率參考。



圖三 : 是德科技M9393A PXIe高效能向量信號分析儀
圖三 : 是德科技M9393A PXIe高效能向量信號分析儀圖片來源:keysight.com

美國國家儀器VST向量訊號收發器5646R

NI大中華區行銷總經理郭皇志:「PXI儀器具有前瞻性!」


隨著客戶對於頻寬的需求增加,NI推出型號為5646R的最新一代VST儀器,頻寬直達200MHz,可同時滿足11ac的160MHz,與LTE-A的200MHz測試需求。


目前NI的VST三個主要的產品包括5644R、5645R與5646R。5644R與5645R同時都擁有80MHz頻寬,不同之處在於IC設計的客戶經常反應許多儀器只能直接測試RF,但這些客戶的IC打出來的訊號是低頻的基頻訊號,他們需要儀器將這些訊號提升到RF頻率。


郭皇志說,目前NI的VST三個主要的產品包括5644R、5645R與5646R。5644R與5645R同時都擁有80MHz頻寬,隨著客戶對於頻寬的需求增加,NI推出型號為5646R的最新一代VST儀器,頻寬直達200MHz,可同時滿足11ac的160MHz,與LTE-A的200MHz測試需求。


由於傳統儀器受限於線材10MHz頻寬的限制,也使得PXI架構的優勢開始發酵,許多量測廠商開始將LTE開發平台轉向PXI介面。PXI平台可以有效解決儀器間的同步問題,NI將儀器頻寬一次提供到位,200MHz的頻寬可直接滿足現有的各種RF測試需求,更可看出PXI架構的前瞻性。



圖四 : 美商國家儀器5646R向量訊號收發器(VST)
圖四 : 美商國家儀器5646R向量訊號收發器(VST)圖片來源:ni.com
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