【實作實驗室】頻譜儀變成示波器?原來零展頻這樣用

作者:實作派 Lab

當頻譜儀的開始頻率與結束頻率相同,發生「零展頻」的情況,竟然與示波器的概念不謀而合?本篇文章實機操作,帶您一塊瞧瞧。

做研發的朋友應該很常用到頻譜儀,只要設定好 Start frequency 到 Stop frequency 的頻率範圍,就能看到頻段內的訊號;但是若開始頻率與結束頻率相同,也就是 Zero Span(零展頻)的時候,這代表甚麼意思呢?

混頻器 Mixer

先稍微帶一下頻譜的方塊圖,頻譜之所以能偵測到高頻的訊號功率,是因為有個混頻器 Mixer 把輸入頻率與本地震盪運算之後轉為中頻,才有機會畫在螢幕上,這個功能稱為降頻 Downconvert。

由於本地振盪器會不斷變化頻率,才能將待測頻段的訊號從 Start frequency 一路畫到 Stop frequency,因而得到頻譜軌跡 trace,換句話說你在 Span 設定的頻寬,就會是 Local generator 掃描的頻寬。

這部分的詳情請參考頻譜原理-Spectrum 內部構造簡介,牽涉到的通訊數學原理在 RF Mixer & RF Mixing / Multiplication Tutorial,這部分並沒有很難,大家不要看到數學就嚇到,你要學工程三角函數是基本,我先假設各位都懂這一部分,後面你們才看得懂。

頻譜方塊圖 Spectrum diagram(圖片來源:實作派提供)

我來舉個一般操作的例子,各位比較有感覺。若待測訊號範圍在1000MHz~1100MHz 之間,頻譜 Frequency 選項就需要設定 Start=1000MHz、Stop=1100MHz,而 Span 選項頻譜會同步幫你算好,也就是1100-1000=100MHz。以 Keysight 的頻譜 E4401B 來說,它的中頻在 2421.4MHz,若頻譜要畫出1000~1100MHz 的 trace,本地振盪器 LO 需要提供多少頻率呢?

  • Start=1000MHz,LO=Input+IF=1000+2421.4=3421.4 MHz
  • Stop=1100MHz,LO=Input+IF=1100+2421.4=3521.4 MHz

所以為了畫出 Start 到 Stop 間的頻譜軌跡,LO 需要從 3421.4MHz 一路掃到 3521.4MHz,才能完成工作。可能有人會問為何會有兩個中頻?我不知道,也許是要克服雜訊,也許要克服諧波,可以確定的是降到 100MHz 以下,一般電路會比較好處理。

Downconverter(圖片來源:Keysight E4401B Service Guide

零展頻 Zero Span

那如果我們把 Start 與 Stop 頻率都設定為相同,也就是 Span=0Hz 的時候,會發生甚麼事情呢?Zero span 的時候,本地振盪 LO 不會有掃描的動作,它只會固定輸出一個頻率。

如果你學過通訊系統,或是至少瞄過剛剛我貼的通訊數學原理連結,你就會發現當LO 固定的時候,它就是一台調幅 AM(Amplitude Demodulator)的解調器,講白話一點它就是一台收音機,只是頻率不在一般的接收頻道。

如果你把頻率調在 AM 電台的頻率上,那是真的可以收到電台訊號喔!有些頻譜儀會附上聲音旋鈕,我聽說有人當兵時是用頻譜儀來聽收音機,用這麼高級的收音機會不會太奢侈了。

實機操作

坐而言不如起而行,實際來試看看 Zero Span 吧!我拿了個訊號產生器,輸出 50MHz 的訊號當作載波,同時用 500Hz 的方波當做 AM 調變訊號,所以整個輸出的調變訊號應該要像是下面這個圖一樣的波形。

當然下圖只是示意圖,實際上 500Hz 的一個週期會包含 10 萬個 50MHz 的載波週期,因為很密所以很難畫。

AM 調變波示意圖,Carrier=50MHz、Modulation signal=500Hz (圖片來源:實作派提供)

實際的機器設定會像下圖這個樣子,輸出功率設定為 -20dBm,但為何訊號產生器的設定會是-14.3dBm?因為這台訊號產生器的輸出阻抗是 50 ohm,而頻譜儀的輸入阻抗是 75 ohm,兩者阻抗不同,因此需要加裝一個阻抗匹配的 Matching PAD,才不會發生訊號反射,而 Matching PAD 會耗損 5.7dB 的能量,所以我必須提高能量,才能剛好輸出 -20dBm。

Signal generator(圖片來源:實作派提供)

為了能循序漸進的介紹,我先把 Modulation 關掉,讓單純無調變的 50MHz 載波訊號直接進入 Zero span 的頻譜,看看會發生甚麼事情?

你會發現螢幕上出現一條橫線,最左邊是 50MHz、最右邊也是 50MHz。

由於 LO 在頻率上完全沒有變化,所以頻譜儀只是把 50MHz 載波的能量從螢幕最左邊畫到最右邊,而且花了 10ms 的時間。你有沒有發現這很像示波器的概念?沒錯,它就是。

Zero span for single tone(圖片來源:實作派提供)

如果 LO 掃描的過程中,輸入訊號的振福隨著時間變化,就會反應在頻譜的 Trace上,這種訊號的變化方式(或稱調變方式),就稱為振福調變 AM(amplitude modulation)。也就是說頻譜儀看到的 trace,將會是訊號產生器的調變訊號 Mod output。

把 Mod 打開,頻譜上便出現了 5 個週期的方波,根據頻譜的資訊,掃描時間 sweep time=10ms,所以這個方波的頻率是 5/10ms=500Hz,也就是訊號產生器的調變波被還原了,或稱為解調 Demodulate 出來了。

理論上將 sweep time 調小可以看到更細緻的波形變化,但實際上這部分與頻譜的性能有關,sweep time 無法一直往下調,畢竟它不是示波器,就像示波器的 FFT 功能,也只是臨時軋一腳而已。

Zero span for square AM signal(圖片來源:實作派提供)

雖然上圖中的 trace 是靜止的,但實際上這個方波會不斷左右移動 Rolling,因為沒有觸發點 Trigger point 的關係。若要讓波形穩定下來,則需要把訊號產生器的調變訊號 Mod output,接到 Spectrum 背後的 EXT TRIG IN,這樣頻譜才能像示波器一樣做正緣或負緣觸發,最後得到穩定的解調波形。

External trigger input – Spectrum rear panel(圖片來源:實作派提供)

(本文轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:賴佩萱)

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實作派電子實驗室(StrongPiLab)是一個著重知識與經驗的實作交流媒體,提供工程師們理論外的實務經驗,主要傳達電子產品與家電用品的正確操作概念與生活小常識、解說各種測試手法的技巧。
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