頻譜分析儀的正確使用討論

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由於頻譜儀是一種比較貴重的綜合性儀器，一般每台價格都在二十萬元以上，一旦損壞，相應的維修費用比較高，且維修週期比較長，因此使用時應格外小心。
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首先，對於頻譜儀來說電源是非常重要的，在給頻譜儀加電之前，一定要確保電源接法正確，保證地線可靠接地。頻譜儀配置的是三芯電源線，開機之前，必須將電源線插頭插入標準的三相插座中，千萬不要使用沒有保護地的電源線，以防止可能造成的人身傷害。

6 e- a7 O1 G, Y" v' h& ]4 u, O( Z其次，在對信號進行精確測量前，開機後應預熱三十分鐘，當測試環境溫度改變3—5度時，頻譜儀應重新進行校準。

第三，任何頻譜儀在輸入埠都有一個允許輸入的最大安全功率，稱為最大輸入電平。如國產多功能頻譜分析儀AV4032要求連續波輸入信號的最大功率不能超過＋30dBmW(1W)，且不允許直流輸入。若輸入信號值超出了頻譜儀所允許的最大輸入電平值，則會造成儀器損壞；對於不允許直流輸入的頻譜儀，若輸入信號中含有直流成份，則也會對頻譜儀造成損傷。
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3 w( N) o1 }7 w- {! M" H記住這點非常重要，一般頻譜儀的最大輸入電平值通常在前面板靠近輸入連介面的地方標出。如果頻譜儀不允許信號中含有直流電壓，當測量帶有直流分量的信號時，應外接一個恰當數值的電容器用於隔直流。
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當對所測信號的性質不太瞭解時，我們可採用以下的辦法來保證頻譜儀的安全使用：如果有RF功率計，可以用它來先測一下信號電平，如果沒有功率計，則在信號電纜與頻譜儀的輸入端之間應接上一個一定量值的外部衰減器，頻譜儀應選擇最大的射頻衰減和可能的最大基準電平，並且使用最寬的頻率掃寬(SPAN)，保證可能偏出螢幕的信號可以清晰看見。我們也可以使用示波器、電壓表等儀器來檢查DC及AC信號。

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在幾乎所有的數位 RF 應用中，一項不可避免的趨勢是更廣泛的使用寬頻訊號。越來越多的資料以更快的速率傳送，滿足這項需求的唯一方法，就是使用寬頻訊號。即使是經常使用窄頻即夠用的軍方，也將訊號跳躍涵蓋 200 MHz 頻寬範圍。
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對 RF 工程師而言，這代表測試與量測工具，必須能和量測窄頻訊號一樣有效率地量測寬頻訊號。由於缺乏具預選濾波器的頻譜分析儀，可在無重大失真的情況下處理今日的寬頻訊號，因此一直到現在，量測寬度超過 40 MHz 的訊號，一直是一項挑戰。

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頻譜分析儀中為何需要預選功能？
在檢視新的 Tektronix RSA6120A 即時頻譜分析儀如何解決這項問題前，讓我們先來瞭解預選功能為何如此重要？

自從 E.H. Armstrong 在 1918 年發明超外差之後，包括頻譜分析儀的所有類型無線接收器，都採用了相同的方法進行訊號降頻轉換。雖然這個架構的好處眾所皆知，有一個缺點是會同時開啟許多的頻譜窗。這意味著這些視窗中出現的訊號，將在頻譜分析儀中進行轉換，並使得所要的訊號失真。此外，運用諧波混頻的頻譜分析儀，會產生眾多的錯誤訊號，這些訊號會出現在儀器的顯示幕上，讓分辨真實訊號與錯誤訊號變得困難或是不可行。  

在頻譜分析儀中，對這個問題最常見的解決方法，就是使用可調預選濾波器，移除不想要的混波器影像，並對本機振盪器諧波進行響應。在微波頻率下，傳統頻譜分析儀中的預選濾波器採用釔鐵柘榴石 (YIG) 技術。磁場內受控制的 YIG 球體動作，產生了所需的濾波器通帶共振，以從頻譜分析儀的訊號路徑，移除不想要的影像與響應。對於窄頻訊號，YIG 濾波器也有效果，如下所示。  

左側的螢幕擷取畫面表示單一訊號，在傳統頻譜分析儀中，移除 YIG 預選濾波器時，這種訊號會在整個微波頻率範圍出現。在右側畫面中，回復了預選濾波器，並顯示感興趣的單一訊號。

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YIG 濾波器 – 僅限窄頻

如圖所示，YIG 預選濾波器在某些參數下有效，而且優點是能讓儀器製造商以比較輕鬆便宜的方式來建置。但是對使用者而言，YIG 擁有眾多的重大限制與問題。
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- T" g5 w: Q+ g+ e( X1 \( k首先，YIG 預選濾波器本質上就是窄頻。整個濾波器通帶有著顯著的相位變化，在訊號接近濾波器邊緣時，變異的情形更為嚴重。因此，在量測寬40 MHz 以上的訊號時，必須跳過 YIG 預選器。

但問題並未在此處解決。即使能夠試著以校驗來校正這些變異，調整機制本身也會破壞這種校驗。調整的進行，是透過改變加諸於 YIG 晶體上的磁場。當這個磁場調整為不同頻率後又調回第一個頻率，磁鐵結構中的磁滯，會造成無法回到先前使用的精確頻率。
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) h* O" u% v) h6 I, ^這會造成每次調整改變時，相位校驗中的變異。如果這還不夠的話，隨著涵蓋大頻帶的掃描調整，掃描過通帶的振幅與相位中，還會有小的變異。此外，這些小的變異還可能會隨著溫度產生不可預知的變化。
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由於這些限制，傳統頻譜分析儀所採用的解決方案，就是在量測寬頻訊號時，跳過 YIG 預選濾波器。如果量測是在新墨西哥州羅斯威爾的防護棚中進行，這可能就沒問題。但在真實世界中，待量測的訊號附近幾乎總是會存在多種訊號。  

另外也值得一提的是，預選還提供了另一項重要功能：這隔離了內部訊號，使其不會發散到 RF 連接器。預選更是能夠隔離內部本機振盪器 (LO)，使其不會漏出前面板連接器。這種能量有可能損壞待測裝置，或是在秘密行動時，有可能洩漏出操作員的位置。

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更理想的預選濾波器

使用預選濾波器明顯地是重要的，YIG 濾波器缺少了精確量測真實世界寬頻訊號所需。透過 RSA6120A，Tektronix 首次採取了不同的方式，以寬頻訊號的預選功能，滿足了微波頻譜分析儀不斷成長的需求。這是透過使用開關濾波預選器來達成。  

& u$ h9 E6 Q8 Z( i! f& m使用開關濾波預選器技術，可讓 RSA6120 評估廣泛的訊號，即使寬度多達 110 MHz。開關濾波預選器的確會產生振幅與相位錯誤，但是與 YIG 濾波器相較的關鍵差異，就是這些錯誤在時間與溫度變化時呈現穩定狀態。因此，錯誤可在軟體中進行特性分析並加以修正。這類預選器可用於寬頻訊號，由於已經完全經過校正，因此不需要校驗。而且因為 RSA6120A 永遠經過預選，因此幾乎消除了 LO 到 RF 的輻射。

( Y! }6 U6 ^1 Q1 }  x1 j如前述，在真實世界中，待量測的訊號附近幾乎總是會存在多種訊號。在下圖所示的 QPSK 寬頻範例中，頻譜視窗中存在第二種訊號，這個訊號造成左側的傳統頻譜分析儀同時轉換兩種訊號，而無法解調變想要的訊號。RSA6120A 預選濾波器排斥了這種訊號，以及其他所有會干擾分析感興趣訊號的頻譜視窗。結果是如右圖所示的精確錯誤向量振幅 (EVM) 量測。

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散射的 LO 放射

和跳過預選的頻譜分析儀相較，RSA6120 的開關濾波預選如何能有效地減少散射的 LO 放射物，這也值得一探究竟。在下列的範例中，使用了具 DPX 顯示器的第三部 Tektronix 頻譜分析儀，來和RSA6120 左方的傳統頻譜分析儀進行比較。上方的藍帶表示 LO 輻射。如圖所示，左方的頻譜分析儀幾乎變成了 RF 信標。RSA6120A 顯示了最低的 LO 饋送輻射，對待測裝置幾乎沒有影響，使用掃描接收器非常難以偵測。