訊號分析量測基礎原理

訊號分析量測基礎原理

對於射頻工程師而言，訊號分析儀是一種在產品生命週期中不可或缺的量測工具，無論是在產品開發或製造階段都會用到。儀器的關鍵指標，例如效能、精準度和速度，能協助研發工程師提升設計品質，並協助製造工程師提高測試效率與產品良率 。本文提供多種技術方法，旨在幫助您輕鬆應對各種應用場景中的訊號分析。重點在於如何在兼顧速度與效率的前提下，優化量測本底雜訊、解析頻寬、動態範圍與靈敏度等屬性。

一般來說，「訊號分析儀」指的是具備以下特性的儀器：採用頻譜分析儀架構和全數位中頻（IF）區段，以複雜向量方式處理訊號，以實現數位調變分析與時間擷取等多領域操作 。

要優化量測精準度，了解訊號分析儀本身的精準度，並能辨識待測裝置（DUT）連接通道中的誤差來源，是非常重要的。採用良好的量測方法和實用的分析儀功能，可以減少錯誤發生，並縮短測試時間 。

透過數位中頻技術，特別是在經過內部校正和修正後，能達到高水準的基本精準度。例如，內建的修正功能和高重複性的數位濾波器，讓使用者在量測期間自由更改設定，且基本上不會影響測試的可重複性。常見的例子包括解析頻寬、量程、參考位準、中心頻率和掃描頻寬 。

當待測裝置連接至經過校準的分析儀後，訊號傳輸網路（圖 1）可能會出現訊號衰減或改變待測訊號。只有對這些影響進行適當修正或補償，才能確保最佳精準度 。

圖 2 顯示了訊號傳輸網路的頻率響應量測；該網路造成了待測裝置 (DUT) 訊號的衰減。為了消除這些多餘的效應，首先應在指定的掃描頻寬內量測訊號傳輸網路的頻率響應。在分析儀中，振幅校正功能採用一系列頻率/振幅配對，將其進行線性連結，以產生對應量測顯示點的校正係數。然後再根據修正結果調整顯示的振幅。在圖 3 中，量測結果中訊號傳輸網路的不良衰減和增益都已被消除，這為訊號分析儀提供了完全符合規範的精準度。

透過這個過程，量測的參考面就從分析儀的前面板移到了待測裝置上 。許多訊號分析儀都可以儲存多種不同的校正值，以便用於不同的裝置配置或分析儀設定 。針對不同的電纜與轉接頭組合，使用者也可以在分析儀中儲存相應的校正值 。務必特別留意待測裝置與分析儀之間的各項要素，包括電纜和接頭的長度、類型與品質 。對接頭的維護（包括適當的扭力）有助於將損耗降到最低，並確保良好的阻抗匹配和可重複性，尤其是在微波和毫米波頻率上 。

針對高難度的量測，可以將分析儀的有效輸入移到更接近待測裝置的位置，這樣可以顯著改善量測結果 。舉例來說，在量測極微小的訊號時，我們可以把外部前置放大器連接至待測裝置，以增加訊號位準，從而緩解訊號衰減或雜訊增大等問題 。如今的智慧型前置放大器可自動設定分析儀並上傳增益和頻率響應，以獲得精準的校正值 。

同樣地，智慧型混頻器可增強非常高頻率下的量測 。待測裝置的輸出端通常就是波導的直接連接端，您可以把混頻器布置在此處 。混頻器會自動識別並下載其自身的轉換係數，從而精準地顯示量測結果 。

 

解析頻寬是一項基本的分析參數 。在以分離重要頻譜成分和設定本底雜訊為目標時，解析頻寬所扮演的角色就更為重要。它可以讓您更輕鬆地從分析儀或待測裝置產生的雜訊中，辨識出所需的訊號。在執行要求嚴苛的量測時，頻譜分析儀必須精準，並且要有量測速度與高動態範圍的恰當配合 。在大多數情況下，如果過度偏重其中一項，就會對另一項造成影響 。使用窄或寬的解析頻寬就是一個重要的取捨 。

量測低電平訊號時，較窄的設定較為有利：可以降低頻譜分析儀的顯示平均雜訊位準 (DANL)，從而增大動態範圍並提高量測靈敏度 。在圖 4 中可以看到，將解析頻寬從 100 kHz 更改為 10 kHz，就能對明顯的 –103 dBm 訊號進行更精準的量測：解析頻寬減少 10 倍可使 DANL 提升 10 dB 。

當然，較窄的設定不見得永遠都是最理想的選擇 。對於調變訊號，必須將解析頻寬設定得足夠寬，使其能夠包含邊帶 。除非進行整合式的頻段功率量測（例如合併多個量測點以涵蓋整個訊號頻寬），否則就會使功率的量測結果不夠精準 。通常，對於排列緊密的寬頻數位調變訊號來說，這種量測方法—將使用窄解析頻寬測得的多個量測點功率綜合起來—最為實用 。

窄頻寬設定有一個重要的缺點：掃描速度慢 。掃描速率通常與解析頻寬的平方成正比，因此相較於較窄的設定，較寬的設定可以大幅加快掃描整個頻率範圍的速度 。圖 5 和圖 6 比較了分別使用 10 kHz 和 3 kHz 的解析頻寬，量測 200 MHz 頻寬的掃描時間 。

了解選擇解析頻寬時的基本取捨，可幫助您調整相關設定，把重點放在最重要的量測參數上 。不當取捨的問題雖然難以完全消除，但現今的訊號分析儀可以幫您減少甚至避免 。

現在的分析儀可利用快速傅立葉變換（FFT）、數位解析頻寬濾波以及掃描速度效應修正等數位訊號處理，確保精準的量測結果，即使在使用窄解析頻寬時也不例外 。以「快速掃描」為例，該功能可將窄頻寬測試的掃描速率提高 50 倍 。訊號分析儀可在中心頻率/掃描頻寬/解析頻寬自動耦合時，自動執行這些改善措施 。使用者還可以針對速度和精準度等特定的優先順序進行手動最佳化，對相關設定執行進一步微調 。

分析儀本身產生的雜訊會限制其量測低電平訊號的能力，而且許多設定都會影響該雜訊的位準 。例如圖 7 就顯示了分析儀的本底雜訊是如何遮蓋住 50 MHz 訊號的 。

在量測這個低電平訊號時，可以綜合使用多種方法來提升分析儀的靈敏度：將輸入衰減最小化、縮小濾波器的解析頻寬 (RBW)，以及使用前置放大器 。與早期技術相似，這些技術可降低 DANL，將微小訊號與雜訊分離，從而實現精準量測。

在分析儀的輸入混頻器端，減少輸入衰減可提升輸入訊號的位準 。由於分析儀本身的雜訊是在衰減器之後產生，因此衰減設定會影響量測的訊號雜訊比 (SNR) 。如果將分析儀中的增益與輸入衰減器耦合以補償變化，真實的訊號便會在顯示器上靜止不動 。但 DANL 會隨中頻增益而改變，以反映出因衰減器設定的任何更改而導致的訊號雜訊比變化 。因此，將輸入衰減降至最低，對於改善 DANL 非常重要 。

透過混頻器和任何內部放大之後，重新被放大的訊號會進入包含解析頻寬濾波器的中頻區段 。透過縮小濾波器寬度，會使到達分析儀包絡檢波器的雜訊能量減少，進而降低 DANL 的量測值 。

圖 8 顯示了 DANL 的連續減小（注意參考位準的降低） 。最上方的軌跡表示連續波 (CW) 訊號在解析頻寬降到最小時高於本底雜訊 。中間的軌跡顯示了將衰減降到最低後的改善效果 。最下方的軌跡是，採用對數功率平均法（使用對數刻度的 dB 讀數），將本底雜訊再減小 2.5 dB，而未影響到連續波訊號的量測 。這種方法結合峰值檢測（顯示檢波器設定），可以有效地量測本底雜訊附近的雜波訊號；後者是一項常見的訊號分析任務 。

若要達到最高靈敏度，必須使用具有低雜訊和高增益的前置放大器。如果放大器的增益足夠高（例如顯示的雜訊增大至少 10 dB），放大器的雜訊指數就會嚴重影響前置放大器與分析儀的聯合本底雜訊。

從特定量測中減去分析儀的雜訊功率，是降低頻譜量測雜訊的有效途徑 。這當然可以透過量測每個量測的本底雜訊來實現。但是，是德科技的某些 X 系列訊號分析儀還提供了更實用的方法：本底雜訊擴展 (NFE) 。透過 NFE，分析儀可以精準地模擬和分析各量測點的雜訊功率，並自動從量測結果中將其去除。如此便可將實際的本底雜訊降低 10 dB 或更多，而不需更改掃描時間。除了前面所述的步驟以外，您也可採用這種技術。

如同前面所述，當量測雜訊附近的雜訊訊號時，對數功率平均與峰值檢波的結合可以提供 2.5 dB 的訊號雜訊比效益 。或者，如果優先考慮將本底雜訊中的量測差異降到最低（例如較平滑的軌跡），那麼使用「平均」顯示檢波器來進行功率平均可能會是最佳的選擇 。平均檢波器結合較慢的掃描時間，可以最有效地減少雜訊變動（例如使本底雜訊更平滑）。

在特殊情況下，例如量測有規律重複的時變訊號時，可以考慮使用同步法或時間平均技術 。這是向量訊號分析儀的一項功能，它可在計算頻譜之前對時域中的輸入訊號進行平均取樣 。使用一個觸發器，讓時域樣本與重複訊號同步 。如此，可顯著降低時域、頻域和調變域量測的有效本底雜訊。

儀器對訊號中較大的基音和較小的失真進行區分的能力，是頻譜分析的一項基本要素 。這就是分析儀的動態範圍，也就是訊號與失真、訊號與雜訊，或訊號與相位雜訊之間的最大差值。

量測訊號與失真的組合時，輸入混頻器的位準決定了動態範圍的大小 。混頻器位準主要用來最佳化動態範圍，位準值取決於三項技術指標：二次諧波失真 (SHD)、三階交調 (TOI) 失真，以及 DANL 。將這三個技術指標合併顯示於單一圖形中，即可形成混頻器位準與內部產生的失真和雜訊的對比圖。

圖 9 繪出了當混頻器位準在 –40 dBm 時的 –75 dBc SHD 點；混頻器位準在 –30 dBm 時的 –85 dBc TOI 點；以及對應 10 kHz 解析頻寬時 –110 dBm 的本底雜訊 。因為混頻器基本位準每增加 1 dB，二次諧波失真就會增加 2 dB，因此二次諧波失真線以斜率 1 繪製 。但是由於失真是由基音與失真間的差異決定的，因此其差異只有 1 dB 。同樣地，三階交調是以斜率 2 繪製：混頻器位準每改變 1 dB，三階產物就會變動 3 dB，或者說相差 2 dB 。透過設定衰減器，將混頻器訊號的位準設定在二階失真和三階失真與本底雜訊相等時所對應的點上（圖中的註釋表明了混頻器位準），可以使二階和三階的動態範圍達到最大 。請注意，最低點處在一個小曲線上；該曲線是因對數（dB）刻度上增加了失真與雜訊而造成的 。

最後一點，分析儀的相位雜訊也會影響互調失真 (IMD) 的動態範圍 。原因是：各種頻譜成分（例如測試音調和失真）之間的頻率間隔與互調測試音調間的間隔相同 。例如，以 10 kHz 分離並以 1 kHz 解析頻寬量測的測試音調，會造成圖 11 所示的雜訊曲線 。如果分析儀在 10 kHz 偏移時的相位雜訊僅為 –80 dBc，那麼此量測的最大動態範圍會是 80 dB，而非 DANL 與三階失真交叉點所指示的 88 dB 。

 

使用掃描頻譜分析儀時很難精準地量測突波或脈衝訊號，特別是攜帶調變的訊號 。分析儀會以組合形式顯示脈衝攜帶的資訊及有關脈衝形狀的頻率內容（例如脈衝包絡） 。急遽的上升與下降時間會在頻譜中產生不需要的頻率成分 。這些干擾可能會遮蓋使用者想要看到的訊號，並降低量測精準度。

有兩項量測技術可解決這些問題：時間選通頻譜分析法，以及用向量訊號分析儀 (VSA) 觸發的快速傅立葉變換分析法 。Keysight X 系列等訊號分析儀可以提供這兩項功能。

在掃描分析中，最靈活（且常用）的技術為 選通掃描 或 選通本機振盪器 (LO) 。在此方法中，將分析儀設定為只對想要測試的輸入訊號部分進行掃描和擷取資料 。可能會使用一個外部觸發器進行同步量測；但有些分析儀可以從脈衝中自行產生觸發 。請務必注意：這種選擇時間的頻譜分析需要一個持續重複的訊號 。分析儀會透過累積成功的量測來建立完整的頻譜結果，並提供穩定且精準的結果。

通常的預期效果是：在訊號脈衝或突波期間量測它的頻譜，並且避開脈衝在開關轉換時的頻譜效應 。這樣，我們便可利用自動功率量測功能來進行選通 。自動功率量測功能包括通道功率、鄰近通道功率 (ACP)，和頻譜發射模板 (SEM) 等。

另一種技術涉及到利用快速傅立葉變換 (FFT) 處理訊號，有時也稱為選通 FFT 。此方法不需要重複訊號；但如果訊號重複，訊號雜訊比就會因時間平均而得到改善（如前面所述） 。使用訊號分析儀和 VSA 軟體執行選通快速傅立葉變換分析時，效果最好，並且具有最高的靈活性 。VSA 軟體用以執行觸發，透過精準地調整觸發時序、選通或 FFT 的記錄時長，精準匹配被測訊號的突波狀況。

VSA 軟體還允許調整 FFT 點的數量和選擇測試窗口的形狀（例如加權） 。窗口形狀已在量測結果中的振幅精準度、頻率解析度與動態範圍之間做出取捨 。最佳化這些取捨設定有助您從簡單的訊號突波中獲取最有效的資訊。

對於選擇時間的訊號分析，**「自窗口化 (self-windowing)」**功能可以實現非常有效的訊號分析 。該功能會以特定的時間間隔定期分析訊號 。例如，無線通訊系統中常用的正交頻分複用（OFDM）訊號就是其中的一個範例 。執行的方式是，將時間記錄長度或選通長度設為單一的 OFDM 符號，或設成該符號的整數倍，而後選擇一個「統一制式 (uniform)」窗口 。此窗口在時域中呈現平坦狀態；這種狀態對被測訊號的週期與 FFT 窗口（即時間記錄）之間的相互匹配有一定依賴性。

圖 12 是量測兩個 OFDM 訓練序列符號時的平頂窗口與統一制式窗口的對比圖 ；平頂窗口是專為振幅精準度而設計的，它在頻域顯示下，頂部呈現平坦狀態 。在這種情況下，統一制式窗口提供了高精準度的最佳頻率解析度 。

 

無線應用及航太與國防應用中的訊號越來越複雜，這就使得對某些頻譜進行手動設定，以及進行調變品質的量測也變得愈加困難，有時甚至無法執行 。幸運的是，現今訊號分析儀的處理能力不但讓複雜的量測變得簡單，也讓突波、諧波和相位雜訊等傳統量測變得更容易執行。

要把處理能力與智慧型量測結合起來，最簡單的方式就是在訊號分析儀中配備量測應用軟體。這些應用軟體可以分為兩大類：通用型和專用標準型。

通用型應用軟體側重於傳統分析任務，可使儀器中的自動測試能力得到進一步延伸，使其能夠處理更廣泛的常規測試需求。這些應用軟體對於開發和製造射頻、微波收發機及其相關元件非常實用 。PowerSuite 是德科技 X 系列訊號分析儀的標準配備。這是一款全面的量測套件，其量測能力涵蓋了通道功率、ACP、佔用頻寬、互補累積分佈函數 (CCDF)、諧波失真、雜散發射、TOI 以及 SEM。

其他的通用型應用軟體可處理相位雜訊、雜訊指數、電磁相容性 (EMC) 及綜合的脈衝分析（參見圖 13 和圖 14）。在所有情況下，量測應用軟體均可大幅簡化量測設定（降低繁瑣程度，減少誤差），並提供將大量量測結果簡化解讀的客製化顯示，或者提供合格/不合格的指示（參見圖 13 和圖 14）。

 

當高位準訊號到達頻譜分析儀的輸出端時，可能會造成失真產物，使輸入訊號上的真實失真受到遮蔽。利用雙軌跡和分析儀的射頻衰減器，您可判斷分析儀內部產生的失真是否對量測造成任何影響。

這是一種實用的量測方式，因為它可針對特定設定（訊號、分析儀與連接）的嚴重衰減進行最佳化。通常，這種有針對性的最佳化要優於單純按照儀器規範計算出的結果。

首先要把分析儀的輸入衰減器設定好，讓輸入訊號位準減去衰減器設定後約為 0 dBm 。為了辨識這些產物，需將輸入訊號調至二次諧波，並將輸入衰減器設定為 0 dBm。接下來，儲存軌跡 B 的螢幕資料，將軌跡 A 選為活動軌跡，然後啟動游標 ∆ 。現在頻譜分析儀顯示軌跡 B 的儲存資料與軌跡 A 的量測資料，游標 ∆ 則顯示了兩條軌跡間的振幅差和頻率差 。最後，將射頻衰減增加大約 15 dB，並將軌跡 A 的響應與軌跡 B 做比較。

用於訊號分析儀的專用標準型應用軟體也有數十種之多，它們主要面向傳統和新興的無線標準，例如 LTE/LTE-Advanced、GSM、W-CDMA、WLAN、藍牙以及數位視訊等 。這些軟體可將基本的射頻工具（訊號分析儀）轉換為基於標準的發射器測試儀，用以執行射頻一致性測試，以及全面顯示測試和故障診斷資訊 。在某些情況下，為了分析複雜的、高度專業的無線標準，唯一可行的辦法就是選擇一種專用軟體。

圖 15 和圖 16 中顯示了 N9080/9082C 量測應用軟體的典型 LTE 量測範例 。這些圖形化和表格式的量測資料顯示結果還可以透過配置來執行合格/不合格測試。

針對進階數位調變方案中的通道功率量測，如果進行手動設定將會十分複雜，解讀起來也很繁雜。例如，在 LTE-Advanced 標準中，針對非連續載波聚合的訊號，還會進行累計 ACLR (CACLR) 量測。

如果軌跡 A 和軌跡 B 的響應不同（如圖 16 所示），就表明分析儀的混頻器因輸入訊號的高位準而產生了內部失真產物。這時就需要有更高的衰減，以便得到圖 17 所示的結果。針對某些分析儀，您可以用最小 1 dB 的步長測試衰減值。

 

在無線應用或航太與國防領域中，都會有許多脈衝或突波訊號，或是出現必須進行特性分析的複雜暫態特性。在某些情況下，不良訊號或特性會被遮蓋，因此不容易被偵測或隔離。了解這些訊號或特性對於故障診斷或系統最佳化非常重要。

許多訊號分析儀所採用的數位化架構和高速 DSP 可以透過兩種方式來滿足這些需求：即時頻譜分析儀 (RTSA) 和向量訊號分析儀 (VSA) 的訊號記錄/回放。以前，這兩種功能是由獨立的專用產品分別執行。現在，這兩種功能都已成為是德科技 X 系列等主流訊號分析儀的選購功能。

即時頻譜分析儀 (RTSA) 採用專門的處理方式，在中頻區段計算連續取樣資料流的頻譜結果，連續取樣資料流代表中頻輸入。此類分析儀能以足夠的速度處理所有的訊號樣本，執行頻譜計算，並且產生無間隙 (gap-free) 的頻譜結果，不會漏失任何訊號或特性。

RTSA 會以非常高的速率產生頻譜，每秒可達數千；這就讓我們無法用肉眼來看到或解讀各個頻譜。因此，顯示器通常會採用不同的顏色，在結果中展示出特定的振幅/頻率組合是以怎樣的頻次呈現的。這些頻譜密度顯示的顏色與陰影可以進行調整，以表示或強調非常頻繁、比較頻繁或非常不頻繁的事件（圖 18）。

即時顯示頻譜密度在追蹤間歇性訊號或特性時非常實用，而在這種顯示的背後是由大量量測來支持的，這些量測還可以產生觸發，以便用來隔離特定的訊號或特性；可手動或自動建立頻率模板，當訊號違反模板規則時，就會引起觸發事件（圖 19）。

在尋找不穩定的訊號或特性時，最強大的分析技術是，將頻率模板觸發與 VSA 的訊號擷取/回放功能結合使用，頻率模板觸發所產生的 RTSA 量測僅有功率頻譜，而 VSA 訊號擷取或時間擷取則會記錄訊號的完整時間記錄，此記錄是一種向量形式。透過對此完整記錄的後續處理，VSA 可執行多種類型的分析，包括頻譜、時域與解調（圖 20）。

為了呈現更多訊號特性的相關資訊，可對由頻率模板觸發所啟動的擷取動作進行調整，使其在觸發事件前或觸發後開始，在尋找特定訊號特性的成因，或是當原因與特性發生在不同時間時，這種靈活的時序對故障診斷很有幫助。

結論

工程的內涵就是將各種創意有機地連結起來，並解決遇到的問題；這種經驗推動了 X 系列訊號分析儀持續演進，它們樹立了全新的效能標竿，讓您能輕鬆關聯因果關係，進而快速找到答案。從 CXA 到 UXA，X 系列分析儀提供了十分廣泛的選擇。選擇 X 系列，建立創新橋梁。