頻譜分析儀的參數(shù)和性能指標的含義了解

射頻和微波頻譜分析儀甚至在原理上也是不簡單的。將這兩種頻譜分析儀稱為校正的超外差接收機僅能反映它們有什么功能及如何實現(xiàn)這些功能。如將它們稱為頻域示波器，則反映的內(nèi)容就更少了。此外，如果只是走馬觀花地看一看這項技術，那你就會得出錯誤的結論：在過去十年里，射頻和微波頻譜分析儀沒有多大變化。然而，在迅猛發(fā)展的無線技術領域，能夠顯示頻率高達3GHz以上——常常達到7GHz，有時達到20GHz--信號的頻譜分析儀事實上正在發(fā)生重大變化，其重要性也正在大大提高。

更糟糕的是，為某項任務選擇最為合適的分析儀可能是個很大的難題，當你的上司不明白這一選擇過程為什么不只是對一兩份制造商產(chǎn)品說明書上的價格和一些參數(shù)進行比較而已時，尤其是這樣。對于以下情況，有所了解的工程師不多，有所了解的經(jīng)理就更少：頻譜分析儀說明書常常隱藏著其沒有給出的數(shù)據(jù)，產(chǎn)品說明書上最重要的信息可能是頻譜分析儀制造商沒有說出的關鍵內(nèi)容。舉例來說，作為最壞的情況，有些制造商僅僅提供其競爭對手給出的典型參數(shù)值。

此外，測試條件對技術規(guī)范有極大的影響，而制造商卻希望你認為技術規(guī)范與這些測試條件無關。附文《射頻頻譜分析儀的1dB增益壓縮點》闡述了一份如此奇怪的技術規(guī)格。增益壓縮可以量化一個你并不想測量其振幅和頻率的干擾信號對你正在研究某個信號的已測振幅的影響。

大多數(shù)供應商都懂得，如果你沒有使用過打算購買的同一型號系列中的任何一種頻譜分析儀，則你對該頻譜分析儀的評價至少要花兩個星期的時間，也許還會長達一個月。理想的做法是，你要將兩件頂級備選產(chǎn)品的演示設備在實驗室中挨個放置整整一個月。這樣，你就可以在不僅相同的，而且還與你的應用相關的條件下將兩者進行比較。在實踐中，有時候會需要花一個月的時間才獲得必要的設備，然后進行這樣的評價。現(xiàn)代頻譜分析儀設計中簡化頻譜分析儀的評估和使用，有些儀器中有自動設置功能，可用來進行各個標準化組織規(guī)定的適用于各種無線通訊協(xié)議的測試。

售后服務很重要

你經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)，評估和使用頻譜分析儀需要一些附件，例如分離器、定向耦合器等等。如果你沒有這些必要的附件，或者制造商和銷售商不能及時提供，則你所在地區(qū)內(nèi)儀器制造商的現(xiàn)場工程師會將這些附件租借給你。

你可能會認為，為這類客戶服務的代價太高，這種服務方式本應在十年前就不復存在，或者說僅適用于最大的公司。然而，頻譜分析儀的制造商認為售后服務好就會帶來生意好，他們從未停止過這種服務。制造商已經(jīng)將服務費用包括在產(chǎn)品的價格框架中。由于一家公司很可能購買不止一臺頻譜分析儀，但是僅需要對其第一臺提供支持的概率很高，制造商就會有很多機會收回技術支持費用，或者向重購顧客提供具有吸引力的折扣。盡管便攜式頻譜分析儀的售價常常低于一萬美元，有些手提式頻譜分析儀的價格還要低得多，但高性能射頻頻譜分析儀（亦即寬帶低噪聲頻譜分析儀）的售價往往相當昂貴。許多高檔頻譜分析儀的售價都在3萬美元以上。

用戶對一臺設備難以進行評估，這對被用戶選中的制造商來說是有利的。產(chǎn)品復雜再加上反復向客戶銷售，就有可能既對客戶有利又對制造商有利。在付出這么多的時間評估產(chǎn)品、弄明白如何利用產(chǎn)品獨特功能和學會如何處理產(chǎn)品的故障之后，一位對服務感到滿意的客戶大概會再買所選中制造商的更多的產(chǎn)品?？蛻舾鼡Q制造商則又要進行很大的投資和花費很長時間才能了解另一種復雜產(chǎn)品的優(yōu)點。

混頻

頻譜分析儀的工作原理被稱為混頻、外差或者變頻式的。從根本上說，混頻就是倍頻，是一種固有非線性處理方法。頻譜分析儀將輸入信號（其頻率為fIN——是fIN1～fIN2范圍內(nèi)任何頻率的簡寫）和頻率為fLO的可變頻率LO（本機振蕩器）的信號混合，產(chǎn)生一個頻率為fIF的IF（中頻）信號。通常，fLO=fIN+fIF，也就是說，本機振蕩器的頻率高于輸入信號頻率，但是采用fLO=fIN-fIF的設計也是可能的。一臺經(jīng)典的頻譜分析儀對fLO進行掃描，所以在一個很短的時間段內(nèi)，混頻輸出信號代表了fIN1～fIN2頻段內(nèi)的輸入信號。然后，頻譜分析儀對混頻器輸出信號的包絡進行檢波（除去輸出信號中的fIF分量），并作為一個時間函數(shù)的包絡顯示出來，以便生成輸入信號振幅是頻率函數(shù)的曲線。

頻譜分析儀體系結構很復雜，大多是由混頻的一個不可避免的特點造成的，即頻率為fIF的混頻輸出信號不僅代表fLO-fIN頻段的輸入信號，而且也代表了fLO+fIN波段的輸入信號。如果你試圖一步就將一個頻段，比如說30MHz～3GHz頻段，變換成常用的10.7MHz中頻，那本機振蕩器的掃描范圍可能為40.7～3010.7MHz（你的本機振蕩器的掃描范圍也可能為19.3～2989.3MHz）。如果你選擇第一個方案，則混頻輸出信號不僅代表所需頻段內(nèi)的輸入信號，而且也同時代表51.4～3021.4MHz頻段內(nèi)的輸入信號。在任何時刻，混頻輸出信號都代表兩個相隔21.4MHz（fIF·2）的輸入信號之和——所需頻率＋稱為映射的不需要頻率（本例為較高的頻率）。

深入討論下去，混頻器輸出信號從不代表僅僅一個（或僅僅兩個）頻率的輸入信號；獲得這樣的輸出信號意味著中頻帶寬為零。中頻帶寬，亦即頻譜分析儀的RBW（分辯率帶寬），總是大于零的。你可選擇的最小RBW就是頻譜分析儀的優(yōu)值。然而，如果你刻意選擇RBW為零，那么所有掃頻頻譜分析都需要無窮多的時間，因為一個零帶寬的帶通濾波器需要無窮多的時間來對它的輸入信號變化作出反應。

解決映頻問題的一個辦法是采用多次變頻，頻譜分析儀通常都有3個中頻級。一個頻率覆蓋范圍為30MHz～3GHz的頻譜分析儀可能首先將輸入信號頻率變換為大于3GHz，這就使所有不需要的映頻都高于頻譜分析儀的輸入頻率范圍，所以一個固定截止頻率低通濾波器就可將它們?yōu)V除掉。如果第一個中頻，比如說為3.4GHz，則本機振蕩器的掃描范圍為3.43～6.4GHz，映頻頻段的覆蓋范圍為6.83～9.8GHz。這樣做的另一個好處是，減小了最高fLO對最低fLO的比值。在本例中，這一比值從大于6個倍頻程（40 .7～3010.7GHz）減少到小于1個倍頻程（3.43～6.4GHz）。

把頻域變換成時域

在掃頻分析儀的輸入端，整個儀器輸入頻率范圍內(nèi)各個頻率的信號可能同時存在，然而，在混頻器的輸出端，這一頻率范圍就大大地縮小了，因為當掃描使掃頻分析儀在有關頻段內(nèi)調(diào)諧時，這些信號——變換成接近fIF頻率——不是同時存在，而是按時間順序出現(xiàn)的。因此，在第一混頻器之后，掃頻分析儀就不需要非常寬的帶寬，從而大大簡化了掃頻分析儀大部分電路的設計。另一方面，現(xiàn)代通訊信號的存在時間極其短暫，而且占空比很小，從而要求掃頻分析儀能或多或少地連續(xù)掃描很寬的頻段。

現(xiàn)在已有這樣的儀器。制造商們給它們起了各種各樣的名字，其中包括信號分析儀，矢量信號分析儀，無線通訊分析儀。這類儀器全都大量采用DSP技術，而且愈來愈多的頻譜分析儀都是如此。然而，一般來說，采用DSP技術的頻譜分析儀和信號分析儀在規(guī)范和預計的應用上則大不相同。信號分析儀能以較快的速度捕獲數(shù)據(jù)，能存儲具有很長的數(shù)字化時域數(shù)據(jù)記錄，能處理矢量（相位及幅度），并能對按照諸如60QAM（64級正交調(diào)幅）格式的數(shù)字調(diào)制的信號進行復雜分析。頻譜分析儀通常比信號分析儀小巧、價格也低，但卻具有大得多的動態(tài)范圍。

大多數(shù)基于DSP技術的頻譜分析儀的框圖至少在表面上是與使用傳統(tǒng)模擬信號處理技術的頻譜分析儀的框圖很相似。與采用傳統(tǒng)體系結構的頻譜分析儀一樣，基于DSP的頻譜分析儀也大量使用模擬中頻信號。然而，在最后一個混頻器之后，你會發(fā)現(xiàn)除了高速高分辨率ADC和起數(shù)字濾波作用的DSP之外就沒有模擬濾波器了。采用DSP的頻譜分析儀的好處是，選擇性提高了（RBW較窄），而且當你減小RBW時掃描速度降低較小。然而，Agilent公司最近宣布，其PSA系列基于DSP技術的頻譜分析儀具有矢量調(diào)制分析功能。這些功能對于以前僅具有標量（大?。y量能力的頻譜分析儀來說是一種重大的變革。

這種普通的體系結構發(fā)生重大改革的日子也許不太遠了。頻譜分析儀可以不使用模擬混頻器，而采用ADC作為混頻器的一部分。取樣率為64Ms/s（取樣精度為14位）的ADC已經(jīng)問世。如果在這樣的ADC之前裝一個合適的T/H （跟蹤保持）放大器，你就可以根據(jù)需要的采樣精度，故意降低取樣率，對遠高于ADC的32MHz奈奎斯特頻率的通訊信號進行取樣。假定你按這樣的方式對已調(diào)制的200MHz載波進行取樣。如果載波頻率兩側的邊帶沒有超過采取樣頻率的一半，又沒有其它信號混入基帶，那你就能獲得這種調(diào)制的精確數(shù)字化拷貝。

當然，大多數(shù)新型數(shù)字通訊系統(tǒng)的載波頻率范圍為2.35～5.8GHz，所以一個包括有一個對已調(diào)制的200MHz載波進行放大的T/H放大器的信號分析儀仍然不得不采用混頻技術。然而，如今你用不著購買帶寬大于200MHz、精度與14位分辨率ADC相當?shù)腡/H放大器。這樣的T/H放大器雖然還未投入生產(chǎn)，但據(jù)說現(xiàn)在是可行的。如果這樣的器件投放市場，它們將使體系結構發(fā)生變革，從而可從信號分析儀和采用DSP的頻譜分析儀中去掉一個或幾個變頻級。

信號分析儀模塊化

美國國家儀器公司（NI）最近宣布的一種模塊化2.7GHz信號分析儀打破了此類儀器的諸多規(guī)則。PXI-5660（圖1）不是一種高檔儀器，而是兩個3U高度的PXI模塊——一個有3個插槽的變頻器和一個具有16M字（32M字節(jié)）數(shù)字轉換存儲器的一個插槽的14位64Ms/s數(shù)字轉換器。SFDR（無寄生信號的動態(tài)范圍）為80 dB，但是你可以犧牲測量速度來達到更大的動態(tài)范圍。NI公司聲稱，SFDR為80 dB的測量速度為SFDR相當?shù)膬x器級信號分析儀的200倍。

這兩個模塊加起來仍遠小于具有同樣功能的儀器級信號分析儀，但不能組成一個完整的分析儀。兩個模塊可插入一個可裝CPU模塊、包括必要的電源和其它附加模塊的PXI插件箱中。上萬美元的基價包括兩個模塊、一個成套頻譜測量軟件工具包、調(diào)制分析數(shù)據(jù)和幾個驅(qū)動器。雖然這個價格遠低于儀器級信號分析儀的價格，但該模塊化產(chǎn)品還要求另外購買插件箱、CPU、鍵盤、指針器和顯示器。NI公司還建議你購買它的LabView或LabWindows CVI研發(fā)環(huán)境軟件，因為你可能想開發(fā)自己的專門應用軟件。

前面有關掃描頻譜分析儀的RBW和掃描速度之間折衷的討論將提醒頻譜分析儀以及相關儀器的買主和用戶，注意這類產(chǎn)品設計有一個重要特點：如果沒有實現(xiàn)體系結構上的改革，頻譜分析儀設計師一般不可能在相互不影響的情況下提高某個特性或者技術規(guī)格。幸運的是，對頻譜分析儀的需求不斷增長——不僅體現(xiàn)在無線通訊系統(tǒng)的開發(fā)、部署和維護方面，而且也體現(xiàn)在EMI（電磁干擾）的測量和控制方面——正在引發(fā)這種體系結構上的改革。

然而，頻譜分析儀的制造廠商們指出，只要采取一種引人注目的改進措施，就不必改變儀器設計。用戶常?？梢酝ㄟ^仔細分析他們的應用來修改測試協(xié)議，以便在不犧牲測量精度的情況下縮短測試時間。一家制造商估計，用戶提出的提高儀器測試速度的各種要求，其中幾乎一半可用這樣的改進措施來滿足。這家制造商建議，在考慮購買附加的儀器之前，在生產(chǎn)測試中使用頻譜分析儀的公司應拜訪供應商的應用軟件工程師，以調(diào)查研究這種改進的可能性。盡管制造商總是希望銷售更多的儀器，但他們始終認為，幫助他們的客戶更加有效地使用現(xiàn)有的儀器是保持用戶對他們誠信度的一種重要手段。

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