频谱分析仪Zero Span的应用

使用频谱分析仪的人通常都只会应用在Frequency Domain(频域)，但是频谱分析仪Zero Span时即成为Time Domain(时域)的示波器。因为加在YIG(Local Osc)上的电压是固定的，此时的频谱分析仪(SA)的频率是固定在一个频率上，不会有频率变化。所以经过Envelope检波器检波后可以将调变波解调出来，如果在此时我们把SA的Vertical(垂直)单位改变为Linear(Voltage)，则可以正确的显示出调变波的波形。

在此篇文章中要告诉各位读者，如何利用频谱分析仪的Zero Span来量测波形。SA在Zero Span量测之应用除了CW(Continuous Sine Wave)量测外，大致提到的应用有： 

●AM(Amplitude Modulation)之Zero span量测。
 

●FM(Frequency Modulation)之Zero span量测。 

●TV Video信号的量测 

因为频谱分析仪RBW的设计不同而所量测到的波形有所不同，不过还好频谱分析仪RBW的设计，大约只有二种，即B3(3dB频宽，Shape factor=15：1)频宽与B6(6dB频宽，Shape factor=7.5：1)频宽等二种。当然量测得到的波形也会与Video Filter的频宽有关系，但是真正的量测结果是不管使用那一种频谱分析仪量测，所得到的结果也是一样才对。B3，B6与B1的关系如下： 

B6／B3=1.5
 

B3／B1=1.8

频宽与Risetime的换算公式如下： 

Tr×B3=0.35 Tr =risetime 

Ttotal=(Tr12 + Tr22)1／2

Zero-span解调(DB)的波形决定于Resolution Bandwidth(RB)与Video Filter(VB)，当然所使用的RB与VB频宽愈宽，所能解调的波形(频宽)也愈宽。解调器通常将信号解调成上，下旁波带(Sideband)，所以下旁波带通常只会与上旁波带有相同的频宽。所以DB(解调频宽)会是(1／2RB)2与VB2和的平方根，也就是说DB=(1／2RB2+VB2)1／2。

例如：频谱分析仪以6dB的Resolution Bandwidth(RB6)=300kHz与3dB的Video Filter(VB3)解调信号时，它所能解调的信号频宽(DB)为多少？ 

R B3=300kHz／1.5=200kHz

TrB =0.35／100kHz=3.5μS

TVB =0.35／300kHz=1.2μS

Ttotal=(Tr12+Tr22)1／2=

(3.52+1.22)1／2=3.7μS

DB3=0.35/3.7μS =94.6kHz

而以DB1来说则为94.6kHz／1.877=52.6kHz的频宽。此频谱分析仪的DB(解调频宽)只有94.6kHz，如果有频宽较高的调变信号它就无法解调了，所以应用的原则就是；RB一定要比解调波的变化频宽大。

CW信号是一个没有载上调变波的连续波形，当然在频谱分析仪上看起来会没有任何的调变波在旁波带(Side-band)上。因为载波信号上无任何调变信号，所以经检波后的波形为一直线。

AM调变信号量测

我们以Tektronix SG 5030 Sine信号产生器输入1kHz,4.7Vp-p的Sine波加入到HP3336C综合信号产生器后面的AM调变输入端，设定HP3336C的输出为10MHz ,0dBm的信号【此时HP3336C没有1kHz的调变信号输出，输出信号为CW信号。以Tektronix 2797频谱分析仪量测，得到如(图一)的中间一个简单绿色的RBW filter曲线】。

《图一》

启动HP3336C的AM调变输入(按蓝色Shift键(Store 0-9键，此时HP3336C已经有1kHz的调变信号输出。以示波器确定调变输出为100%，如果没有可以调整Tektronix SG 5030 Sine信号产生器输出，使调变输出为100%)。先将输出信号以频谱分析仪将AM信号显示在屏幕上(图一上面载有1kHz Sine信号的曲线)，由(图一)可以看出载波中心频率(CF)=10.000MHz,0dBm，而上面调变信号为1kHz Sine。

此时我们设定SA的Span/div=20MHz，RBW=1MHz，Reference level=4dBm，(不要让信号超出屏幕)，Vertical Scale=2dB/div。由图一增加6dB(Linear Mode)，可以看出当调变信号100%加入到载波时，整个信号的功率增加一倍。

再来我们用Zero Span来观察调变信号。现在将频谱分析仪设定为ZeroSpan Mode，不要让Sweep time=AUTO你可以自行设定Sweep time=20mS，得到(图二)之图形。在图形中可以看到sine波的频率=1kHz(每1div有2个sine周期，每1div的时候=20mS/10div=2mS，每一个cycle=1mS)。而AM100%调变信号刚好占满整个Linear Mode。

《图二》

前面讲过DB能力会与RB与VB有关，现在我们举另一个AM方波调变的例子来说明解调能力(DB)。首先我们加入100Hz的方波调变波，其载波为10MHz，然后频谱分析仪用不同的RB与VB来解调此方波信号：(图三)是将此频谱设定在频域(Frequency Domain)在来观察的图形，在图三中RBW=1MHz时可以隐约看到被调变的方波(1kHz)在载波(10MHz)上面，然后我们将频谱分析仪的设定变更为Vertical=linear，Span=Zero，time/div=20mS，我们会得到(图四)的解调信号。图四的解调信号约为频率=1kHz(图中time=20mS有10周的方波)。

《图三》

《图四》

图四是尽量把RBW变宽=3MHz，以免会影响到下面的实验结果。在没有加入任何Video Filter的解调信号前，可以看出信号的转角很直，高频信号没有被Video Filter的频宽所限制，所以信号没有失真。(图五)则是有加入3kHz的Video Filter的解调信号，图中可以看出信号的转角已经变得圆弧了，这表示Video Filter的频宽已对输入信号的频宽有所影响。可见高频信号被Video Filter的频宽所限制住了，所以DB(解调频宽)=(1/2RB)2与VB2和的平方根(也就是说DB=(1／2RB2+VB2)1／2)一定要大于解调信号的频宽。 

《图五》

频宽对方波的影响对读者没有很深的认识，我们将改变方波调变波再改为Sine波来看可以看VB对频宽的影响。(图六)是量测一个3kHz的AM信号，不设定频谱分析仪的Video Filter时，Sine波的振幅为6div(尽量放大RB的频宽以免影响到我们观测VB变化对信号的影响，所以设定RB=100kHz。图六振幅较大的外面的图形)。然后我们再设定Video Filter为3kHz，将信号解析出来，得到的图形与前面的重迭成为图六中间较密的图形，较密的部分可以看出它的大小=4.2div。

《图六》

结论是3kHz的sine信号经过3kHz Video filter，已经将信号大小衰减为0.707倍，也就是说信号被衰减3dB。可见得DB不够大以使解调的信号失真了。

FM调变信号量测

频谱分析仪对FM信号是利用鉴频器(Discriminator)的Slope(斜坡)来解调的。也就是说解调信号会在RBW filter的旁边的地方，(图七)就是一个典型的FM调变信号解调的图形。由图七可以看出FM信号利用Slpoe解调出的信号会显示在Zerospan屏幕的下方，而前面章节的信号AM解调出的信号会在Zerospan屏幕的上方。

《图七》

如果要量测FM deviation的话可以将边边的调变信号在频率轴的最大偏移量量出即可，(图八)中利用2个光标量测的结果=3.10kHz(光标躲在信号中在图中)。

 《图八》

TV的video信号量测

TV Video信号的频宽为4.5MHz的AM信号，加上FM调变的Audio信号频宽共为6MHz。Video信号上面可能载有较高频的信号，因为每一台频谱分析仪所具备有的RBW Filter不尽相同且详尽，虽然高频信号可能被RBW滤掉，但也可以看到一个整体的Video信号。(图九)是利用数字示波器量测一个10MHz载波载有5 step linear的黑白TV信号。但图九的VB=的300kHz还是让Video信号有些失真，如果能把VB放大一点可以更忠实把信号解调出来。

《图九》

而(图十)是白阶的TV Video信号以TV Modulator仪器调变深度87.5%后，接入频谱分析仪后未解调的频谱。而解调后的信号为(图十一)，图十一的Syn Tip(水平同步信号)刚好与平常所看到的白阶的TV Video上下相反。

《图十》

《图十一》

结 论

利用频谱分析仪的Zero span量测调变信号时，调变信号的频宽一定不能大于频谱分析仪的DB(Demodulation Bandwidth)。频谱分析仪的DB会是(1/2RB)2与VB2和的平方根，也就是说DB=(1／2RB2+VB2)1／2。因为使用频谱分析仪的RB与VB对量测信号会有很大的影响，所以使用时必须要很小心。