頻譜分析儀

頻譜分析儀簡(jiǎn)介

　　頻譜分析儀是研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測(cè)量，可用以測(cè)量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測(cè)量?jī)x器。它又可稱(chēng)為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等?，F(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果，能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無(wú)線(xiàn)電頻段的電信號(hào)。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器，具有存儲(chǔ)和運(yùn)算功能；配置標(biāo)準(zhǔn)接口，就容易構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

頻譜分析儀百科

　　頻譜分析儀是研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測(cè)量，可用以測(cè)量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測(cè)量?jī)x器。它又可稱(chēng)為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等?，F(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果，能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無(wú)線(xiàn)電頻段的電信號(hào)。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器，具有存儲(chǔ)和運(yùn)算功能；配置標(biāo)準(zhǔn)接口，就容易構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

　　頻譜分析儀的工作原理

　　頻譜分析儀架構(gòu)猶如時(shí)域用途的示波器，面板上布建許多功能控制按鍵，作為系統(tǒng)功能之調(diào)整與控制，實(shí)時(shí)頻譜分析儀（Real-Time Spectrum Analyzer）與掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer）。實(shí)時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號(hào)振幅，其工作原理是針對(duì)不同的頻率信號(hào)而有相對(duì)應(yīng)的濾波器與檢知器（Detector），再經(jīng)由同步的多任務(wù)掃瞄器將信號(hào)傳送到CRT 屏幕上，其優(yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波（PeriodicRandom Waves）的瞬間反應(yīng)，其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限于頻寬范圍、濾波器的數(shù)目與最大的多任務(wù)交換時(shí)間（Switching Time）。

　　最常用的頻譜分析儀是掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT 同步的掃瞄產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線(xiàn)性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號(hào)混波降頻后的中頻信號(hào)（IF）再放大、濾波與檢波傳送到CRT 的垂直方向板，因此在CRT 的縱軸顯示信號(hào)振幅與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，信號(hào)流程架構(gòu)如圖1.3 所示。

　　影響信號(hào)反應(yīng)的重要部份為濾波器頻寬，濾波器之特性為高斯濾波器（Gaussian-Shaped Filter），影響的功能就是量測(cè)時(shí)常見(jiàn)到的解析頻寬（RBW，Resolution Bandwidth）。RBW 代表兩個(gè)不同頻率的信號(hào)能夠被清楚的分辨出來(lái)的最低頻寬差異，兩個(gè)不同頻率的信號(hào)頻寬如低于頻譜分析儀的RBW，此時(shí)該兩信號(hào)將重疊，難以分辨，較低的RBW 固然有助于不同頻率信號(hào)的分辨與量測(cè)，低的RBW 將濾除較高頻率的信號(hào)成份，導(dǎo)致信號(hào)顯示時(shí)產(chǎn)生失真，失真值與設(shè)定的RBW 密切相關(guān)，較高的RBW 固然有助于寬帶帶信號(hào)的偵測(cè)，將增加噪聲底層值（Noise Floor），降低量測(cè)靈敏度，對(duì)于偵測(cè)低強(qiáng)度的信號(hào)易產(chǎn)生阻礙，因此適當(dāng)?shù)腞BW 寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。

　　另外的視頻頻寬（VBW，Video Bandwidth）代表單一信號(hào)顯示在屏幕所需的最低頻寬。如前所說(shuō)明，量測(cè)信號(hào)時(shí)，視頻頻寬過(guò)與不及均非適宜，都將造成量測(cè)的困擾，如何調(diào)整必須加以了解。通常RBW 的頻寬大于等于VBW，調(diào)整RBW 而信號(hào)振幅并無(wú)產(chǎn)生明顯的變化，此時(shí)之RBW 頻寬即可加以采用。量測(cè)RF 視頻載波時(shí)，信號(hào)經(jīng)設(shè)備內(nèi)部的混波器降頻后再加以放大、濾波（RBW 決定）及檢波顯示等流程，若掃描太快，RBW 濾波器將無(wú)法完全充電到信號(hào)的振幅峰值，因此必須維持足夠的掃描時(shí)間，而RBW 的寬度與掃描時(shí)間呈互動(dòng)關(guān)系，RBW 較大，掃描時(shí)間也較快，反之亦然，RBW 適當(dāng)寬度的選擇因而顯現(xiàn)其重要性。較寬的RBW 較能充分地反應(yīng)輸入信號(hào)的波形與振幅，但較低的RBW 將能區(qū)別不同頻率的信號(hào)。例如使用于6MHz 頻寬視訊頻道的量測(cè)，經(jīng)驗(yàn)得知，RBW 為300kHz 與3MHz 時(shí)，載波振幅峰值并不產(chǎn)生顯著變化，量測(cè)6MHz的視頻信號(hào)通常選用300kHz 的RBW 以降低噪聲。天線(xiàn)信號(hào)量測(cè)時(shí)，頻譜分析儀的展頻（Span）使用100MHz，獲得較寬廣的信號(hào)頻譜需求，RBW使用3MHz。這些的量測(cè)參數(shù)并非一成不變，將會(huì)依現(xiàn)場(chǎng)狀況及過(guò)去量測(cè)的經(jīng)驗(yàn)加以調(diào)整。

　　頻譜分析儀的選擇

　　無(wú)線(xiàn)設(shè)備在工作時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)周期性地掛起，干擾其他消費(fèi)電子產(chǎn)品的工作（例如電臺(tái)），或者無(wú)法完全發(fā)揮應(yīng)有的功能，這些問(wèn)題都會(huì)使消費(fèi)者對(duì)它的技術(shù)水平和相應(yīng)的產(chǎn)品供應(yīng)商喪失信心。為了避免這種糟糕的情況，選擇一種能夠滿(mǎn)足當(dāng)今無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與調(diào)試需求的高性能頻譜分析儀是至關(guān)重要的，這種頻譜分析儀不僅要能夠檢驗(yàn)產(chǎn)品的真實(shí)性能，也要能夠檢測(cè)高度集成的無(wú)線(xiàn)發(fā)射器的功能。

　　無(wú)線(xiàn)技術(shù)的挑戰(zhàn)

　　在過(guò)去幾年中，用戶(hù)所接觸的產(chǎn)品功能越來(lái)越強(qiáng)大，其目的在于在移動(dòng)電話(huà)這種單一設(shè)備中集成多種方便實(shí)用的技術(shù)，從而增強(qiáng)用戶(hù)的多功能體驗(yàn)。新的高速數(shù)據(jù)技術(shù)，例如HSDPA/HSUPA和A版本的1xEV-DO，能夠?yàn)橛脩?hù)提供更強(qiáng)大的功能，例如廣播視頻和高速E-mail等。而且，諸如衛(wèi)星與地球視頻廣播、UWB和WLAN等技術(shù)也將集成到移動(dòng)手持式設(shè)備之中。

　　這種多功能集成的趨勢(shì)為設(shè)計(jì)者提出了兩大嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：處理快速變化的帶寬分配需求，以及對(duì)高度集成的系統(tǒng)中發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行隔離。今天，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)只需要在固定操作狀態(tài)下進(jìn)行無(wú)線(xiàn)發(fā)射器測(cè)試。但是，從本質(zhì)上來(lái)看，高速數(shù)據(jù)服務(wù)的用戶(hù)模型（例如高速上網(wǎng)、收發(fā)E-mail和周期性的下載等）所需的帶寬是隨需求而實(shí)時(shí)變化的。

　　如果信號(hào)的峰值功耗與平均功耗的比值變化較大，這種瞬時(shí)的帶寬變化將會(huì)帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。當(dāng)其他的無(wú)線(xiàn)技術(shù)引起瞬時(shí)的電池消耗，或者當(dāng)帶外發(fā)送的信號(hào)干擾了靈敏接收機(jī)的工作時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)上述的問(wèn)題。

　　假設(shè)某個(gè)用戶(hù)希望通過(guò)移動(dòng)電話(huà)通話(huà)，接通數(shù)據(jù)下載文件，利用UWB發(fā)送該文件到某個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備，同時(shí)通過(guò)連續(xù)視頻服務(wù)觀(guān)看世界杯，那么設(shè)計(jì)者如何確保這些功能都能夠?qū)崿F(xiàn)？要想完整地測(cè)試多功能集成的設(shè)備，設(shè)計(jì)者必須超越技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的局限，針對(duì)設(shè)備的實(shí)際工作與性能要求進(jìn)行測(cè)試。

　　設(shè)計(jì)者所面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)就是：隨著設(shè)備集成度的提高，檢測(cè)無(wú)線(xiàn)發(fā)射器的問(wèn)題變得越來(lái)越困難。要想在頻域、時(shí)域和數(shù)字域中同時(shí)觀(guān)察某個(gè)信號(hào)路徑，可能需要多種測(cè)試儀器，因此要想把硬件和軟件的問(wèn)題隔離開(kāi)就變得越來(lái)越困難。在多種儀器之間以及在整個(gè)信號(hào)路徑上將信號(hào)事件之間的時(shí)間關(guān)系關(guān)聯(lián)起來(lái)，這種測(cè)試功能已經(jīng)成為調(diào)試現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)設(shè)計(jì)所必不可少的一部分。

　　不論頻譜分析儀、示波器和邏輯分析儀的存儲(chǔ)容量有多少，它們存儲(chǔ)事件的能力都是有限的。因此當(dāng)我們需要在多個(gè)儀器之間關(guān)聯(lián)某個(gè)信號(hào)事件的時(shí)候，必須在存儲(chǔ)器存滿(mǎn)之前，在該事件發(fā)生時(shí)實(shí)時(shí)地隔離出所關(guān)注的信號(hào)。否則，要想在多個(gè)域之間截取某個(gè)隨時(shí)間變化的問(wèn)題幾乎是不可能的。

　　實(shí)現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵在于事件的觸發(fā)方式，以及以較低的延遲交叉觸發(fā)其他儀器的能力。

　　傳統(tǒng)工具的局限

　　對(duì)偽事件進(jìn)行觸發(fā)、跨測(cè)試環(huán)境捕捉事件數(shù)據(jù)、分析與時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)，這些功能都是查找先進(jìn)無(wú)線(xiàn)設(shè)備問(wèn)題根本來(lái)源的必要需求。隨著過(guò)去幾年的發(fā)展，頻譜分析儀已經(jīng)成為分析射頻傳輸特性的主要工具，選擇合適的工具能夠加快無(wú)線(xiàn)設(shè)計(jì)者的開(kāi)發(fā)速度，提高開(kāi)發(fā)能力。

　　基站多載波放大器和其他一些高性能無(wú)線(xiàn)發(fā)射器能夠利用掃頻式調(diào)諧頻譜分析儀的功能，對(duì)高動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)（high-dynamic-range）的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。最近，人們推出了矢量信號(hào)分析儀，從而使用戶(hù)能夠針對(duì)調(diào)制信號(hào)分析發(fā)射器的性能特征。在某些情況下，這兩類(lèi)分析儀可以結(jié)合起來(lái)使用，用戶(hù)利用一套儀器不但可以觀(guān)察到高動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)（頻譜分析），還可以觀(guān)察到信號(hào)的調(diào)制狀態(tài)（矢量分析）。但不幸的是，用戶(hù)無(wú)法同時(shí)觀(guān)察到這兩種信號(hào)。

　　早期設(shè)計(jì)的測(cè)試工具中采用的多載波放大器（MCPA）效率較低，無(wú)法傳輸1xEV-DO和HSDPA這樣的突發(fā)載波信號(hào)。這類(lèi)老式的MCPA正在被采用最新線(xiàn)性化技術(shù)（例如數(shù)字預(yù)矯正）的新型MCPA器件所取代。由于采用了先進(jìn)的DSP以及較高數(shù)據(jù)速率的D/A轉(zhuǎn)換器，數(shù)字預(yù)矯正線(xiàn)性化技術(shù)能夠大大提高功放的效率，降低實(shí)現(xiàn)所需的成本。

　　掃頻式頻譜分析儀或矢量信號(hào)分析儀能夠根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證MCPA的頻譜和調(diào)制性能，但是它們無(wú)法超越技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的限制，解釋實(shí)際條件下的器件特性?，F(xiàn)代無(wú)線(xiàn)器件的實(shí)際操作要求高速數(shù)據(jù)通道要具有針對(duì)預(yù)期的用戶(hù)使用模式的特性。

　　掃頻式調(diào)諧頻譜分析儀和矢量信號(hào)分析儀的架構(gòu)都限制了它們檢測(cè)瞬態(tài)事件的能力。捕捉頻譜事件的概率取決于掃描的速度、量化范圍以及對(duì)蹤跡信息（trace information）的后續(xù)處理。掃頻調(diào)諧式分析儀沒(méi)有矢量存儲(chǔ)器，通常只記錄最小、最大和平均功耗。盡管矢量信號(hào)分析儀具有矢量蹤跡存儲(chǔ)器（vector trace memory），但是它后期捕捉信號(hào)處理的速度較慢，無(wú)法完成連續(xù)的信號(hào)分析任務(wù)。

　　因此，兩種工具捕捉短暫瞬態(tài)事件的概率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10%。即使它們能夠捕捉這種事件，信息處理帶來(lái)的延遲也無(wú)法在真實(shí)的事件發(fā)生時(shí)有效觸發(fā)發(fā)射器鏈路上的其他儀器。

　　實(shí)時(shí)頻譜分析儀的新特性

　　顯然，為了應(yīng)對(duì)實(shí)際操作條件下的挑戰(zhàn)，分析儀必須能夠?qū)︻l域事件進(jìn)行觸發(fā)，并交叉觸發(fā)多個(gè)儀器。無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)的突發(fā)特性，以及在無(wú)線(xiàn)設(shè)備中集成復(fù)雜的線(xiàn)性化技術(shù)都可能引起頻譜紊亂，因此對(duì)這種事件的觸發(fā)功能是極其重要的。

　　圖1 實(shí)時(shí)頻譜分析儀能夠快速檢測(cè)頻譜紊亂（例如圖中右邊）

　　其中左邊相信的頻譜由于受基帶瞬態(tài)事件的影響而增大了幾個(gè)dB

　　實(shí)時(shí)頻譜分析儀的架構(gòu)決定了它們具有執(zhí)行實(shí)時(shí)FFT分析所需的計(jì)算速度，能夠利用計(jì)算結(jié)果在頻譜事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行觸發(fā)，并以很高的置信度將它們捕捉到存儲(chǔ)器中。在實(shí)時(shí)處理以及捕捉信號(hào)之前，實(shí)時(shí)頻譜分析儀能夠?qū)r(shí)域采樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域上，從而在捕捉到存儲(chǔ)器中或者觸發(fā)某個(gè)外部事件之前，對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行預(yù)先分析。因此，實(shí)時(shí)頻譜分析儀能夠預(yù)先查看信號(hào)，并可以設(shè)置為只對(duì)所關(guān)心的頻譜事件進(jìn)行觸發(fā)。

　　基于DSP的設(shè)備在現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)設(shè)備的信號(hào)控制和頻譜整形中扮演著極為重要的角色，這類(lèi)設(shè)備的測(cè)試需求給人們提出了巨大的測(cè)試挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈儗⒃瓉?lái)由硬件實(shí)現(xiàn)的功能（很容易利用儀器來(lái)表征）轉(zhuǎn)換為軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)不與時(shí)鐘采樣同步的增益變換、信號(hào)濾波和校正因數(shù)被放大時(shí)，它們本身就表現(xiàn)為頻譜紊亂（spectrum violations）（如圖1所示）。這類(lèi)事件可能會(huì)引起頻譜發(fā)射的失效，或者接收器的干擾。

　　進(jìn)一步來(lái)看，頻率屏蔽觸發(fā)器（FMT）使得實(shí)時(shí)頻譜分析儀能夠檢測(cè)并觸發(fā)頻譜中比最大信號(hào)電平小100萬(wàn)倍的信號(hào)。由于具有在12μs以?xún)?nèi)執(zhí)行1024點(diǎn)FFT所需的計(jì)算速度，實(shí)時(shí)頻譜分析儀能夠以100%的概率完成事件捕捉，這是其他分析儀所望塵莫及的。

　　當(dāng)出現(xiàn)紊亂時(shí)，F(xiàn)MT不僅能夠觸發(fā)內(nèi)部存儲(chǔ)器捕捉事件進(jìn)行分析，而且能夠同時(shí)發(fā)出一次事件觸發(fā)給示波器，進(jìn)而觸發(fā)邏輯分析儀。然后，示波器和邏輯分析儀可以顯示出待測(cè)設(shè)備的時(shí)域和邏輯信號(hào)的同步和時(shí)間關(guān)系。這樣，我們就捕捉了完整的事件，并能夠在實(shí)時(shí)頻譜分析儀（頻域）、示波器（時(shí)域）和邏輯分析儀（數(shù)字域）中進(jìn)行各個(gè)域之間的交叉分析。這樣，不論是硬件問(wèn)題還是軟件問(wèn)題，測(cè)試人員都可以找出問(wèn)題的根本來(lái)源，不必再胡亂猜測(cè)了。