【實作實驗室】頻譜儀變成示波器？原來零展頻這樣用

Posted By StrongPiLab on 1 月 3, 2019 in 實作派StrongPiLab, 教學文 | 0 comments

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。