【實作實驗室】如何操作頻譜分析儀？

Posted By StrongPiLab on 5 月 5, 2020 in 實作派StrongPiLab, 教學文, 電子學 | 0 comments

作者：實作派

第一次看到頻譜分析儀（Spectrum Analyzer）時，可能會覺得一個頭兩個大，它的面板按鈕這麼多，到底該從哪裡學起呢？讓實作派告訴你！

下圖是衛星 QPSK 訊號接入頻譜所呈現的 Spectrum 畫面，這個像頂帽子的黃色軌跡之所以看起來大小適中，是因為我已經預先調過設定；接下來我會以這個訊號為例，告訴各位如何調整設定得到這樣的軌跡。

DVB-S 數位訊號在頻譜儀呈現的頻譜軌跡（圖片來源：實作派提供）

頻譜儀設定—訊號規格

使用頻譜之前，我們必須先知道訊號的樣子，這邊的訊號是從別台機器送出來的，訊號規格如下：

Carrier Frequency = 1800 MHz
為中心載波，上圖的中心頻率是 1.8 GHz
Symbol Rate = 27.5 MHz
俗稱的鮑率（Baud Rate），代表每秒傳送多少符號（Symbol），它決定了訊號的頻寬
Modulation = QPSK
QPSK 的每個 Symbol 代表 2 bit，所以每個 Symbol 可以有 4 種變化，分別落在四個象限中，但這台掃描式的頻譜只能看到功率，無法看到相位，因此在這裡看不到 QPSK 的星座圖
Content = PRBS23
原本內容應該是影像串流（Stream），不過這邊為了測試，我用數學方式產生亂數串流，會有類似白雜訊的效果，這樣一來我可以省下一台 Stream player 的空間。事實上即便是用真實的 video stream，在頻譜上看起來也會很像白雜訊，因為 stream 當初在壓縮時，就已經把訊號用演算法將資料打散了

頻譜儀頻率設定—FREQ/SPAN

根據待測訊號的規格，我們知道訊號的中心頻率在 1800 MHz，因此頻譜的中心頻率也要設為 1800 MHz（如下圖白色中心線的位置），至於 SPAN 的寬度我就大概抓個 100 MHz。

在面板右方有按鈕 FREQ 與 SPAN，這兩個按鈕負責頻率的設定，FREQ 選項讓你可以針對起始頻率（Start Freq）與結束頻率（Stop Freq）做設定，而兩者之間的頻率差距稱為展距（Span），螢幕中間的頻率稱為中心頻率（Center Freq）。

以下是常用的動作，若要調整任何數值，可以按數字鈕、旋鈕或上下鍵：

想平移整個軌跡：調整 Center Freq（此時 Start/Stop Freq 會連帶跟著調整）
想讓軌跡變寬：調整 Span（此時 Start/Stop Freq 會連帶同時往內或往外，Center Freq 則不會變）

頻譜儀的頻率設定（圖片來源：實作派提供）

頻譜儀設定—振福AMPTD

頻譜與示波器最大的不同，在於示波器看波形電壓，頻譜看的是功率，因此頻譜在 Y 軸上的單位是功率單位，像是常用的 dBm（它是個功率的絕對單位，意思是與 1 mW 比較的 dB 值），除了 dBm 外還有dBmV、dBuV 與 dBc 等單位，可以參考【實作實驗室】一次搞懂dB的衍伸單位。

下圖表格的頂端橫線稱為參考準位（Reference Level），畫面中簡寫為 Ref Level，指的是畫面頂端的功率準位，如下圖頂端綠色線標示 Ref=-58.8 dBm；從 Ref Level 開始，每往下一格會小 5 dB，這個設定在右邊的橘色框選項 Scale/Div 可以看到，每格的衰減值也可以在畫面左上角看到 5 dB/div 的字樣，因此畫面中訊號的高原處，從上往下數大約就是 -66 dBm。

以下是常用的動作：

把訊號軌跡抬高：將 Ref Level 調小
讓訊號的最高最低落差多一些：把 Scale/Div 調小

（圖片來源：實作派提供）

解析頻寬

想像一下，你把頻譜軌跡沿著橫軸不斷地切割，切到不能再切為止，這個最小單位就是解析頻寬Resolution Bandwidth（RBW），而軌跡上每個點的高度就是 RBW 寬度範圍內的能量大小。下圖是根據這樣的想像畫出來的，但請注意這些棒子的兩邊實際上有相互重疊，這邊為了說明方便並沒有呈現出重疊，詳細的 RBW 內容請看【實作實驗室】頻譜分析儀內部構造。

（圖片來源：實作派提供）

解讀頻譜訊號

有了上面的認識，我們已經能夠對頻譜分析儀做基本操作了，那麼對於呈現在畫面中的軌跡該如何解讀呢？以下是我們在實務上經常會需要知道的資訊。

中心頻率（Center Freq）=1.8 GHz
通常我們以中心頻率來描述訊號的位置，用來知道預期中的訊號是否在對的位置出現
符碼率（Symbol Rate）=27.5 MHz
訊號的頻寬目視大約是 27 MHz，而一般常用的 Symbol Rate 是 27.5 MHz（我常接觸到的），這邊就認定待測訊號的符碼率是 27.5 MHz
訊號雜訊比（SNR）=12 dB
用來敘述訊號的品質，SNR 越高表示品質越好
雜訊（Noise Floor）=-78.8 dBm
這裡可以知道每個 RBW 所含的環境雜訊，包含訊號來源本身的雜訊與儀器自身的雜訊。

有了這些技巧，相信大家都能解讀頻譜上的軌跡了吧。