spectrum 頻譜-如何操作-讓你分析訊號得心應手

當你初次看到頻譜分析儀( spectrum Analyzer )的時候，是否覺得有點頭大? 面板按鈕這麼多，到底該從哪裡學起? 我想這是大多數人會遇到的問題，別擔心! 阿信助教會慢慢告訴你。

下圖是我把衛星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會看起來大小適中，是因為我預先調整過設定。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。

Spectrum 設定-訊號規格

使用頻譜之前，我們必須先知道訊號的樣子，這裡的訊號是我從別台機器送出來的，因此我可以很清楚訊號規格，我先列出如下。

• Carrier Frequency = 1800MHz
  中心載波，所以上圖的中心頻率是1.8G Hz
• Symbol Rate = 27.5MHz
  其實它就是俗稱的鮑率(Baud Rate)，代表每秒傳送多少符號(Symbol)，Symbol Rate決定了訊號的頻寬。
• Modulation = QPSK
  QPSK的每個Symbol可以表示2 bit，所以每個Symbol可以有4種變化，分別落在四個像限中，但這台掃描式的頻譜只能看到功率，並無法看到相位，因此在這裡看不到QPSK的星座圖。
• Content = PRBS23
  原本內容Content應該是影像串流(Stream)，不過這裡為了測試，我用數學方式產生亂數串流，它會有類似白雜訊的效果，這樣我可以省下一台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。

Spectrum 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1800MHz，因此頻譜的中心頻率也要設定為1800MHz，如下圖白色中心線的位置，至於SPAN的寬度我就大概抓個100MHz。

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作設定，這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、旋鈕或是上下鍵：

• 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會連帶同時往內或往外，Center不會變)

Spectrum 設定-振福AMPTD

頻譜與示波器最大的不同，就是示波器是看波形電壓，頻譜看的是功率，因此頻譜在Y軸上的單位是功率單位，例如常用的dBm，它是個功率的絕對單位，意思是與1mW比較的dB值。除了dBm之外還有dBmV、dBuV與dBc等等單位，我會另外撰文解釋。

首先看到下圖的表格頂端橫線，它稱為參考準位Reference Level，畫面中簡寫為Ref Level，指的是畫面頂端的功率準位。如下圖的標示Ref=-58.8dBm，所以頂端綠色的線表示-58.8dBm。從Ref Level開始每往下一格就小5dB，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字樣。所以畫面中訊號的高原處，從上往下數大約就是-66dBm。

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

檢波器-Detector

想像一下，你把頻譜軌跡沿著橫軸不斷的切割，切到不能再切為止，這個最小單位就是”點”point，像上圖的右下角就表示整條軌跡是由1001個點組成的。這個所謂的點Point，有人稱為籃子Bucket，也有人稱為區段Bin，因為這裡面其實還包含了好幾個點，它就是檢波器Detector的原始輸出軌跡，只不過這些點是在頻譜內部的晶片做處理，所以我們看不到。

我們可以設定要怎麼使用每個Bin裡面的原始軌跡資料，讓它成為頻譜螢幕上的一個點，一般有三到五種選擇，這些選擇在訊號擾動程度很低的時候幾乎沒有差別，但當訊號擾動程度很高的時候，差別就會逐漸浮現，Detector一般有三到五種選擇：

1. Peak
   選擇每個Bin裡面的最大值當作顯示的點，當這個Bin裡面有已知訊號能量時，你可以觀測到正確的能量，通常這個選項是頻譜的預設值。
2. Negative Peak
   選擇每個Bin裡面的最小值當作顯示的點，在底噪雜訊的量測上，使用Negative Peak會得到相對大的振幅變動，因為底噪功率很小，只要有一個很接近零的數值出現，在螢幕上的振幅就會出現很大的變化，目前我不確定這個選項適用於哪種訊號。
3. Sample
   選擇每個Bin裡面的固定位置當作顯示的點，它的位置可以是每個Bin的開始、中間、或末端，重點是要固定位置，使用這個選項比較能公平的對待原始資料，比較能看出待測訊號的特性。
4. Normal
   在一連串的Bin裡面，交錯使用Peak與Negative Peak，也就是相鄰的兩個Bin，其中一個用Peak另一個用Negative Peak以此類推，所以它會得到最大的Peak to Peak讀值，如果你想看頻譜軌跡的擾動程度，這是一個選擇。
5. Average
   把Bin裡面的點做平均計算當作顯示的點，計算的方式主要是RMS，有些頻譜也有其它種類的平均算法，它可以讓你的頻譜軌跡看起來較平滑穩定，不會有太多擾動。

解析頻寬-RBW

想像一下，如果有兩個頻率很接近的弦波訊號，在頻譜上是會看到兩根突起呢? 還是會被頻譜視為根本是同一根訊號，這個問題就是分辨率Selectivity的問題。決定一個頻譜分辨率的因素就是解析頻寬Resolution Bandwidth(RBW)，它是一個可以調整的值，下圖是根據這樣的想像畫出來的，但請注意這些綠色長條的兩邊實際上是彼此有重疊的，我為了說明方便並沒有呈現出重疊，詳細的RBW內容請看這裏 頻譜原理-Spectrum內部構造簡介。

spectrum-解讀訊號

以上我們已經能夠對頻譜分析儀做基本操作了，接下來對於呈現在畫面中的軌跡該怎麼解讀呢? 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=1.8GHz
  通常我們以中心頻率來描述訊號的位置，起碼知道預期中的訊號是否在對的位置出現。
• 符碼率Symbol Rate=27.5MHz
  訊號的頻寬目視大約是27MHz，而一般常用的Symbol Rate是27.5MHz(以我常接觸的為主)，我就主觀認定待測訊號的符碼率是27.5MHz
• 訊號雜訊比SNR=12dB
  這個可用來敘述訊號的品質，SNR越高表示品質越好。
• 雜訊Noise floor=-78.8dBm
  這裡可以知道每個RBW所含的環境雜訊，包含了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。

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