스펙트럼 분석기의 종류와 동작원리

스펙트럼 분석기는 주파수 및 기타 여러 매개변수를 측정하는 데 사용되는 중요한 테스트 장비 중 하나입니다. 스펙트럼 분석기는 전기 및 전자 측정 분야에서 많은 응용 분야에 사용되며 많은 회로와 시스템을 테스트하는 데 사용됩니다. 이러한 회로와 시스템은 무선 주파수 레벨에서 작동합니다.

 

다양한 모델 구성을 갖춘 이 장치는 계측 및 측정 분야에서 고유한 다양성을 가지고 있습니다. 다양한 사양, 크기로 제공되며 특정 응용 프로그램에 따라 사용할 수도 있습니다. 

 

 

 

 

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1. 스펙트럼 분석기란

스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer)는 기본적으로 무선 주파수 범위의 회로 또는 시스템의 다양한 매개변수를 측정하는 테스트 장비입니다. 일반 테스트 장비는 시간에 대한 진폭을 기준으로 수량을 측정합니다. 예를 들어, 전압계는 시간 도메인을 기반으로 전압 진폭을 측정합니다. 따라서 AC 전압의 정현파 곡선 또는 DC 전압의 직선을 얻을 수 있습니다. 그러나 스펙트럼 분석기는 주파수 대비 진폭으로 수량을 측정합니다.

 

 

 

 

스펙트럼 분석기는 주파수 영역에서 진폭을 측정합니다. 높은 피크 신호는 크기를 나타내며 그 사이에는 잡음 신호도 있습니다. 스펙트럼 분석기를 사용하여 노이즈 신호를 제거하고 시스템을보다 효율적으로 만들 수 있습니다. SNR(Signal to Noise Cancellation Factor)은 오늘날 전자 응용 분야에서 중요한 기능 중 하나입니다. 예를 들어, 헤드폰에는 노이즈 캔슬링 측면이 있습니다. 이러한 장비를 테스트하기 위해 스펙트럼 분석기가 사용됩니다.

 

 

 

 

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1) 블록 선도

 

 

 

스펙트럼 분석기의 블록 다이어그램은 위에 같습니다.  입력 무선 주파수 신호를 감쇠하는 입력 감쇠기로 구성됩니다. 감쇠된 신호는 리플 함량을 제거하기 위해 저역 통과 필터에 공급되며 필터링된 신호는 전압 튜닝 발진기와 혼합되어 증폭기에 공급됩니다. 증폭기는 음극선 오실로스코프에 공급됩니다. 다른 쪽에는 스윕 생성기도 있습니다. 둘 다 수직 및 수평 편향을 위해 CRO에 공급됩니다.

 

 

 

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2) 작동 원리

스펙트럼 분석기는 기본적으로 분석기에 공급되는 신호의 스펙트럼 함량을 측정합니다. 예를 들어, 필터의 출력을 측정하는 경우, 예를 들어 저역 통과 필터라고 하면 스펙트럼 분석기는 주파수 영역에서 출력 필터의 스펙트럼 함량을 측정합니다. 이 과정에서 노이즈 함량을 측정하여 CRO에 표시하기도 합니다.

 

블록 다이어그램에서 볼 수 있듯이 스펙트럼 분석기의 작동은 기본적으로 음극선 오실로스코프에서 수직 및 수평 스윕을 생성하는 것으로 분류할 수 있습니다. 우리는 측정된 신호의 수평 스윕이 주파수에 관한 것이고 수직 스윕은 그 진폭에 관한 것임을 알고 있습니다.

 

 

 

측정된 신호의 수평 스윕을 생성하기 위해 무선 주파수 레벨의 신호는 입력 감쇠기로 공급되어 무선 주파수 레벨에서 신호를 감쇠합니다. 감쇠기의 출력은 신호의 리플 성분을 제거하기 위해 저역 통과 필터에 공급됩니다. 그런 다음 증폭기에 공급되어 신호의 크기를 특정 수준으로 증폭합니다.

 

이 과정에서 특정 주파수로 튜닝되는 발진기의 출력과도 혼합됩니다. 발진기는 공급된 파형의 교대 특성을 생성하는 데 도움이 됩니다. 발진기와 혼합되고 증폭된 후 신호는 수평 검출기로 공급되어 신호를 주파수 영역으로 변환합니다. 여기 스펙트럼 분석기에서 신호의 스펙트럼 양은 주파수 도메인으로 표시됩니다.

 

수직 스윕의 경우 진폭이 필요합니다. 진폭을 얻기 위해 신호는 전압 조정 발진기에 공급됩니다. 전압 튜닝 발진기는 무선 주파수 레벨에서 튜닝됩니다. 일반적으로 저항과 커패시터 조합은 발진기 회로를 얻는 데 사용됩니다. 이를 RC 발진기라고 합니다. 발진기 레벨에서 신호는 360도 위상 변이됩니다. 이 위상 변이를 위해 다양한 수준의 RC 회로가 사용됩니다. 일반적으로 3가지 레벨이 있습니다.

 

때로는 변압기도 위상 변이 목적으로 사용됩니다. 대부분의 경우 발진기의 주파수도 램프 생성기를 사용하여 제어됩니다. 램프 생성기는 때때로 펄스 램프를 얻기 위해 펄스 폭 변조기에 연결됩니다. 발진기의 출력은 수직 스윕 회로에 공급됩니다. 이는 음극선 오실로스코프에 진폭을 제공합니다.

 

 

 

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2. 스펙트럼 분석기의 종류

스펙트럼 분석기는 아날로그와 디지털, 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다.

 

1) 아날로그 스펙트럼 분석기

아날로그 스펙트럼 분석기는 수퍼헤테로다인 원리를 사용합니다. 스윕 또는 스윕 분석기라고도 합니다. 블록 다이어그램에서 볼 수 있듯이 분석기에는 서로 다른 수평 및 수직 스윕 회로가 있습니다. 출력을 데시벨로 표시하기 위해 로그 증폭기는 수평 스윕 회로 앞에 사용됩니다. 비디오 콘텐츠를 필터링하기 위해 비디오 필터도 제공됩니다. 램프 생성기를 사용하면 각 주파수에 디스플레이의 고유한 위치를 제공하여 주파수 응답을 표시할 수 있습니다.

 

 

 

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2) 디지털 스펙트럼 분석기

디지털 스펙트럼 분석기는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위해 고속 푸리에 변환(FFT) 블록과 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 블록으로 구성됩니다. 

 

 

 

 

블록 다이어그램 표현에서 볼 수 있듯이 신호는 감쇠기로 공급되어 신호 레벨을 감쇠한 다음 리플 함량을 제거하기 위해 LPF로 공급됩니다. 그런 다음 신호는 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 공급되어 신호를 디지털 도메인으로 변환합니다. 디지털 신호는 FFT 분석기로 공급되어 신호를 주파수 영역으로 변환합니다. 신호의 주파수 스펙트럼을 측정하는 데 도움이 됩니다. 마지막으로 CRO를 사용하여 표시됩니다.

 

 

 

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3. 스펙트럼 분석기의 특징

무선 주파수 범위의 신호에서 스펙트럼 양을 측정하기 때문에 많은 장점이 있습니다. 또한 여러 가지 측정 기능을 제공합니다. 유일한 단점은 일반적인 기존 미터에 비해 비용이 높다는 것입니다.

 

기본적으로 테스트 목적으로 사용되는 스펙트럼 분석기는 다양한 수량을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 모든 측정은 무선 주파수 레벨에서 이루어집니다. 스펙트럼 분석기를 사용하여 자주 측정되는 양은 다음과 같습니다.

• 신호 레벨– 주파수 도메인을 기반으로 한 신호의 진폭은 스펙트럼 분석기를 사용하여 측정할 수 있습니다.
• 위상 노이즈(Phase Noise) – 측정이 주파수 영역에서 수행되고 스펙트럼 함량이 측정되므로 위상 노이즈를 쉽게 측정할 수 있습니다. 이는 음극선 오실로스코프의 출력에서 잔물결로 나타납니다.
• 고조파 왜곡 – 이것은 신호의 품질을 결정하기 위해 결정되는 주요 요소입니다. 고조파 왜곡을 기반으로 총 고조파 왜곡(THD)을 계산하여 신호의 전력 품질을 평가합니다. 신호는 처짐과 팽창으로부터 보호되어야 합니다. 고조파 왜곡 레벨의 감소는 불필요한 손실을 피하기 위해 매우 중요합니다.
• 상호 변조 왜곡– 신호를 변조하는 동안 진폭(Amplitude modulations) 또는 주파수(주파수 변조)에 따라 중간 레벨에서 왜곡이 발생합니다. 처리된 신호를 가지려면 이러한 왜곡을 피해야 합니다. 이를 위해 스펙트럼 분석기를 사용하여 상호 변조 왜곡을 측정합니다. 외부 회로를 사용하여 왜곡을 줄이면 신호를 처리할 수 있습니다.
• 스퓨리어스 신호– 감지하고 제거해야 하는 원치 않는 신호입니다. 이러한 신호는 직접 측정할 수 없습니다. 측정해야 하는 알 수 없는 신호입니다.
• 신호 주파수– 이것은 또한 평가해야 할 중요한 요소입니다. 무선 주파수 레벨에서 분석기를 사용했기 때문에 주파수 대역이 매우 높기 때문에 각 신호의 주파수 성분을 측정하는 것이 중요해졌습니다. 이 스펙트럼의 경우 분석기가 특히 사용됩니다.
• 스펙트럼 마스크 – 스펙트럼 분석기는 스펙트럼 마스크를 분석하는 데에도 유용합니다.