中心議題:
- 頻譜分析儀的種類與應(yīng)用
- 頻譜分析儀的性能指標(biāo)與操作要點
- 頻譜分析儀的使用方法
- 頻譜分析儀的實用技巧
- 頻譜分析儀常見問題Q/A
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頻譜分析儀是用來顯示頻域信號幅度的儀器,在射頻領(lǐng)域有“射頻萬用表”的美稱。在射頻領(lǐng)域,傳統(tǒng)的萬用表已經(jīng)不能有效測量信號的幅度,示波器測量頻率很高的信號也比較困難,而這正是頻譜分析儀的強項。本講從頻譜分析儀的種類與應(yīng)用入手,介紹頻譜分析儀的基本性能指標(biāo)、操作要點和使用方法,供初級工程師入門學(xué)習(xí);同時深入總結(jié)頻譜分析儀的實用技巧,對頻譜分析儀的常見問題以Q/A的形式進行歸納,幫助高級射頻的工程師和愛好者進一步提高。
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頻譜分析儀的種類與應(yīng)用
頻譜分析儀主要用于顯示頻域輸入信號的頻譜特性,依據(jù)信號處理方式的差異分為即時頻譜分析儀和掃描調(diào)諧頻譜分析儀兩種。完成頻譜分析有掃頻式和FFT兩種方式:FFT適合于窄分析帶寬,快速測量場合;掃頻方式適合于寬頻帶分析場合。
頻譜分析儀主要用于顯示頻域輸入信號的頻譜特性,依據(jù)信號處理方式的差異分為即時頻譜分析儀和掃描調(diào)諧頻譜分析儀兩種。完成頻譜分析有掃頻式和FFT兩種方式:FFT適合于窄分析帶寬,快速測量場合;掃頻方式適合于寬頻帶分析場合。
即時頻譜分析儀可在同一時間顯示頻域的信號振幅,其工作原理是針對不同的頻率信號設(shè)置相對應(yīng)的濾波器與檢知器,并經(jīng)由同步多工掃瞄器將信號輸出至螢?zāi)?,?yōu)點在于能夠顯示周期性雜散波的瞬時反應(yīng),但缺點是價格昂貴,且頻寬范圍、濾波器的數(shù)目與最大多工交換時間都將對其性能表現(xiàn)造成限制。
掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀是最常用的頻譜分析儀類型,它的基本結(jié)構(gòu)與超外差式接收器類似,主要工作原理是輸入信號透過衰減器直接加入混波器中,可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)由與CRT螢?zāi)煌降膾呙楫a(chǎn)生器產(chǎn)生隨時間作線性變化的振蕩頻率,再將混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號放大后、濾波與檢波傳送至CRT螢?zāi)?,因此CRT螢?zāi)坏目v軸將顯示信號振幅與頻率的相對關(guān)系。
基于快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)的頻譜分析儀透過傅立葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量,進而達到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。新型的頻譜分析儀采用數(shù)位方式,直接由類比/數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)對輸入信號取樣,再經(jīng)傅立葉運算處理后而得到頻譜分布圖。
頻譜分析儀透過頻域?qū)π盘栠M行分析,廣泛應(yīng)用于監(jiān)測電磁環(huán)境、無線電頻譜監(jiān)測、電子產(chǎn)品電磁兼容測量、無線電發(fā)射機發(fā)射特性、信號源輸出信號品質(zhì)等領(lǐng)域,是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗的常用工具,特別針對無線通訊信號的測量更是必要工具。另外,由于頻譜儀具有圖示化射頻信號的能力,頻譜圖可以幫助我們了解信號的特性和類型,有助于最終了解信號的調(diào)制方式和發(fā)射機的類型。在軍事領(lǐng)域,頻譜儀在電子對抗和頻譜監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用。頻譜儀可以測量射頻信號的多種特征參數(shù),包括頻率、選頻功率、帶寬、噪聲電平、鄰道功率、調(diào)制波形、場強等。
頻譜分析儀常被用來放大器增益、頻率響應(yīng)與被動元件特性量測、失真度測量、通訊監(jiān)測、
有線電視影像資訊的量測,以及天線特性的量測。
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關(guān)于頻譜分析儀分類與應(yīng)用的詳細介紹請查看:
應(yīng)用頻譜分析儀進行信號分析,首先需要了解頻譜分析儀的相關(guān)性能指標(biāo)。
頻譜分析儀的性能指標(biāo)與操作要點
頻譜分析儀的基本性能指標(biāo)如下圖所示,包括頻率、幅度以及測試精度和測試速度。
其中,影響頻譜分析儀頻率分辨率性能的因素包括RBW、本振寄生調(diào)頻、中頻濾波器矩形系數(shù),以及本振相位噪聲。其中RBW是中頻濾波器3dB帶寬。RBW設(shè)置會影響頻譜儀測試速度,當(dāng)濾波器帶寬小時,其響應(yīng)時間會相應(yīng)變長。
以下是掃頻式頻率分析儀基本性能指標(biāo)的影響因素及相應(yīng)的操作要點:
頻率測量范圍
掃頻式頻率分析儀分析頻率范圍由本振范圍決定;
頻率分辨率
掃頻式頻率分析儀頻率分辨率與中頻率濾波器和本振有關(guān);
測試中可通過減小RBW來提高頻率分析分辨率
頻率分析儀靈敏度
掃頻式頻率分析儀分析靈敏度與中頻率濾波器、衰減器設(shè)值、視頻濾波器和本振有關(guān)。其中頻譜儀內(nèi)部混頻器及各級放大器會產(chǎn)生噪聲,通過檢波器會反映為顯示白噪聲電平(DANL)。而頻譜儀噪聲會影響被測信號功率測試:頻譜儀顯示信號=輸入信號+內(nèi)部噪聲。衰減器設(shè)值大,噪聲電平高。噪聲電平隨RBW按10㏒規(guī)律變化。測試中可通過減小RBW;VBW,衰減器設(shè)值和前置放大來提高分析靈敏度
頻率分析儀內(nèi)部失真
掃頻式頻率分析儀分析內(nèi)部失真與混頻器工作電平,中頻放大器性能有關(guān)。各階非線性失真變化規(guī)律為高階失真信號幅度比基波信號變化速度快。由于混頻器工作電平= 輸入信號電平- 衰減器設(shè)值,為減小頻譜分析儀內(nèi)部失真,混頻器應(yīng)工作在盡量低電平,應(yīng)加大衰減器設(shè)值。衰減器設(shè)值小時,頻譜儀內(nèi)部失真大、噪聲電平低;衰減器設(shè)值大時,頻譜儀內(nèi)部失真小、噪聲電平高。
頻率分析儀衰減器
掃頻式頻率分析儀衰減器設(shè)置在靈敏度指標(biāo)和內(nèi)部失真指標(biāo)間折。通過改變衰減器設(shè)置可判斷頻譜分析儀測試結(jié)果的真實性。
頻譜儀對信號功率的測量
掃頻式頻譜儀測量功率結(jié)果與其檢波方式和平均方式有關(guān)。頻譜儀檢波方式有Peak、Negative Peak、Sample、Averaging Detectors。
Peak檢波方式: 適合CW 信號及信號搜索測試
Sample檢波方式:適合于噪聲信號測試
Neg Peak檢波方式:適合于小信號測試
Averaging Detectors:適合于ACPR及通道功率指標(biāo)測試
RMS檢波方式:適合于對類噪聲信號(CDMA)總功率測量
其中Averaging Detectors功率測量顯示由多個包絡(luò)電平值的平均得到,Averaging Detectors可減少顯示信號的抖動,掃描速度越高,平均效果越明顯。
平均方式包括Log,、Lin、Power。Log平均(窄VBW、trace平均)適合于低電平CW信號測試;電壓平均適合于脈沖信號上升下降時間測量;功率平均適合于信號平均功率測量。
根據(jù)頻譜分析儀的各項性能指標(biāo),可對模擬調(diào)制信號和數(shù)字調(diào)制信號進行分析。下面是頻譜分析儀的相關(guān)使用指導(dǎo)。
頻譜分析儀的使用
對于測量的可測與不可測與否,完全取決于頻譜分析儀的設(shè)定。這包括了對衰減器、頻率范圍與解析度頻寬的設(shè)置。頻譜分析儀的設(shè)定包括頻率范圍、解析度和動態(tài)范圍,動態(tài)范圍又涉及最大輸入功率即燒毀功率,增益壓縮使小于1W的輸入信號一旦超過線性工作區(qū)域便會出現(xiàn)誤差。此外靈敏度也是考慮頻譜分析儀對輸入信號可測與否的關(guān)鍵。
參數(shù)頻率范圍要從兩個方面觀察,一是頻率范圍的設(shè)定是否夠窄,以具有足夠的頻率分辨能力,也就是夠窄的掃頻寬度。二是頻率范圍是否有足夠的寬度,是否可以測到第二次、第三次諧波。當(dāng)用頻譜分析儀測量一個放大器諧波失真的時候,若放大器為1GHz,則它的三次諧波就是3GHz,這就是要考慮頻率范圍的最大可測寬度。如果頻譜儀是1.8GHz,就不能進行量測,如果頻譜分析儀是 26.5GHz,就可以測到它的第三,第四次諧波。
解析度也是頻譜分析儀中非常重要的參數(shù)設(shè)定。解析度表示當(dāng)要測量兩個頻率的功率不一樣時,必須將它們區(qū)分開來。將中頻頻寬設(shè)置成三種不同的寬度,下面所對應(yīng)的就是在這一頻寬設(shè)置時所看到的曲線。中頻頻寬越窄則解析度越高,中頻頻寬越寬則解析度越低。解析度頻寬直接影響到微小信號的識別能力和測量的結(jié)果。
參數(shù)頻率范圍要從兩個方面觀察,一是頻率范圍的設(shè)定是否夠窄,以具有足夠的頻率分辨能力,也就是夠窄的掃頻寬度。二是頻率范圍是否有足夠的寬度,是否可以測到第二次、第三次諧波。當(dāng)用頻譜分析儀測量一個放大器諧波失真的時候,若放大器為1GHz,則它的三次諧波就是3GHz,這就是要考慮頻率范圍的最大可測寬度。如果頻譜儀是1.8GHz,就不能進行量測,如果頻譜分析儀是 26.5GHz,就可以測到它的第三,第四次諧波。
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在頻譜分析儀的使用中應(yīng)注意什么問題呢?以下是對頻譜分析儀注意要點的經(jīng)驗歸納。
頻譜分析儀實用技巧
1) 頻譜分析儀的校準(zhǔn):頻譜分析儀一般都有固定幅度和頻率的校準(zhǔn)器,使用頻譜分析儀測量信號特別絕對信號電平測量時,需要對頻譜分析儀進行校準(zhǔn),以保證信號測量精度;另外,通過校準(zhǔn)信號的測量,可以檢查頻譜分析儀是否有問題。
2) 射頻輸入信號電平小于頻譜分析儀允許的安全電平:在頻譜分析儀輸入端接入射頻信號之間,一定要對輸入信號電平進行正確估算,避免頻譜分析儀射頻輸入大于頻譜分析儀允許的安全電平,否則將會燒毀頻譜分析儀輸入衰減器和混頻器。特別是在高功率信號測量中,要格外小心謹慎。例如用頻譜分析儀測量1W以上高功率放大器時,注意在頻譜分析儀輸入端接衰減器,以使頻譜分析儀的射頻輸入信號小于頻譜分析儀允許的安全電平。
3) 確定頻譜分析儀是否允許直流信號輸入:某些頻譜分析儀不允許直流信號輸入,因此注意測量信號是否包含直接成分。特別是在某些系統(tǒng)中,射頻信號和直流信號用同一根電纜傳輸,此時要特別小心,信號接入頻譜分析儀射頻輸入端口之前,一定在頻譜分析儀輸入端接隔直流器,以免損壞儀器。例如在很多衛(wèi)星通信系統(tǒng),低噪聲放大器的直流加電線和射頻信號傳輸采用同一根電纜,測量這樣射頻信號時,特別注意在頻譜分析儀射頻輸入接隔直流器,保護頻譜分析儀的射頻輸入電路。
4) 低電平信號測量:頻譜分析儀的靈敏度是指在特定帶寬下,頻譜分析儀測量小信號的能力。因此,在測量低電平信號時,特別是測量信號接近頻譜分析儀本底噪聲時,應(yīng)減小頻譜分析儀的射頻衰減和分辨帶寬,提高頻譜分析儀的靈敏度,提高低電平信號的測量精度。另外減少視頻帶寬和采用視頻平均技術(shù),雖然不影響頻譜分析儀的靈敏度,但可以改善小信號測量精度。
5) 合理設(shè)置頻譜分析儀參數(shù):在測試射頻信號時,合理設(shè)置頻譜分析儀的分辨帶寬、掃頻帶寬、視頻帶寬和掃描時間等,確保頻譜分析儀CRT不出現(xiàn)測量不準(zhǔn)的信號提示。當(dāng)頻譜分析儀CRT出現(xiàn)測量不準(zhǔn)信息,此時測量無法保證測量精度。
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在頻譜分析儀的實際操作中往往會產(chǎn)生一些疑問,在這里附上頻譜分析儀的常見問題解答。
頻譜分析儀常見問題Q/A
1 頻譜分析儀在零掃寬能夠測得的最快脈沖上升時間是多少?
答:測得的上升時間一般不會超過頻譜分析儀的最佳上升時間。分析儀的上升時間由下面這個公式來確定:
Tr = 0.66/max RBW,
其中RBW為分辨率帶寬。
例如,在 PSA中,RBW最大值為8 MHz。因此,最快的上升時間為:
0.66/8 E6 = 82.5 nS。
然而,RBW過濾器帶寬誤差為± 15%,額定值(中心頻率= 3 GHz),因此上升時間范圍在71.7 nS到97 nS之間。
參見具體頻譜分析儀的技術(shù)資料或規(guī)范指南。
2 是否可以將頻譜分析儀當(dāng)做網(wǎng)絡(luò)分析儀使用?
答:是的,有2種方法可將頻譜分析儀當(dāng)作網(wǎng)絡(luò)分析儀使用,但是都只能進行標(biāo)量測量
方法1:使用頻譜分析儀內(nèi)置的跟蹤信號源。如果要測量反射系數(shù),則還需要一個定向耦合器去采集反射功率。
方法2:使用獨立的源。如需要可配上耦合器。前提是頻譜儀的掃描速度要快過信號源的掃描速度。但這種方式通常不被推薦,因為它的準(zhǔn)確性較低。
對于校準(zhǔn),可用到的方法是歸一化的方法。這種方法把接收機和源的頻率響應(yīng)移除。然而,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用更強大的誤差校準(zhǔn)技術(shù),還可以消除不匹配和交調(diào)帶來的的影響。這就意味著,一般來講,和頻譜分析儀方法相比較,網(wǎng)絡(luò)分析儀可以進行更準(zhǔn)確的測量。
3 當(dāng)清晰信號應(yīng)用到射頻輸出端時,為什么頻譜分析儀間距中發(fā)現(xiàn)了雜散信號?
答:過度激勵分析儀的輸入混頻器可能會導(dǎo)致雜散信號。大多數(shù)頻譜分析儀(尤其是使用諧波混頻擴展調(diào)諧范圍的分析儀)都擁有二極管混頻器。將用于創(chuàng)建中頻信號的LO與該二極管混頻器中的輸入信號相結(jié)合時,創(chuàng)建內(nèi)部失真。為多種混頻器輸入電平規(guī)定第2個和第3個失真產(chǎn)品。針對不同的頻譜分析儀,可參閱校準(zhǔn)指南或規(guī)范指南中的動態(tài)范圍曲線。無雜散動態(tài)范圍取決于混頻器中的輸入電平。
深入了解動態(tài)范圍圖表非常重要,但簡單測試可以確定顯示的雜散信號是否是一個內(nèi)部生成的混合產(chǎn)品還是輸入信號的一部分:修改輸入衰減。衰減器是射頻輸入和第一個混頻器間的唯一一個硬件。在雜散信號上做出標(biāo)記并提高輸入衰減。如果標(biāo)記值沒有改變,那么雜散信號就屬于外部信號。而如果標(biāo)記值改變,信號就是內(nèi)部信號或者是內(nèi)外部信號的總和。繼續(xù)增加衰減,直到標(biāo)記值不再改變,再開始測量。這一點就是優(yōu)化第一個混頻器輸入電平的最佳值,因為此時所做的測量內(nèi)部失真最低。一般來說,需要測量的動態(tài)范圍越廣,第一個混頻器的輸入電平就應(yīng)該越低。
屏幕圖像下端的黃色跡線表示在輸入混頻器被過度激勵時的內(nèi)部失真。衰減為零。藍色跡線表示當(dāng)衰減設(shè)置為10dB時,雜散信號所減少的電平。
4 怎樣使用頻譜分析儀、前置放大器和信號發(fā)生器測量噪聲系數(shù)?
答:只用頻譜分析儀和前置放大器,就能作許多噪聲系數(shù)測量。只需用頻譜分析儀、前置放大器和信號發(fā)生器,就能覆蓋被測器件的頻率。這種方法的精度低于需要經(jīng)校準(zhǔn)噪聲源的Y因素技術(shù),與所關(guān)注頻率的分析儀幅度精度相當(dāng)。具體測量步驟為:
1)把信號發(fā)生器和頻譜分析儀設(shè)置為所測噪聲系數(shù)的頻率,測量器件的增益。把該值標(biāo)為Gain(D)。
2)同樣方法測量前置放大器增益。把該值標(biāo)為Gain(P)。
3).斷開頻譜分析儀的任何輸入,把輸入衰減器設(shè)置為0dB。前置放大器輸入沒有任何連接。把它的輸出接到頻譜分析儀輸入。在作這一連接時,您會看到分析儀顯示的平均噪聲級的增加。
4).把被測器件的輸入接至其特性阻抗,把輸出接到前置放大器輸入。此時分析儀顯示的噪聲級應(yīng)增加。
5).把頻譜分析儀視頻帶寬(VBW)設(shè)置為分辨率帶寬的1%或更低。按標(biāo)記功能(MKR FCTN)鍵,然后按Noise Marker On軟鍵。把標(biāo)記放置在所要測噪聲系數(shù)的頻率上。讀以dBm/Hz為單位的標(biāo)記噪聲功率密度讀數(shù),把它標(biāo)為Noise(O)。
6).然后計算被測器件的噪聲系數(shù)NFig:NFig = Noise(O) - Gain(D) - Gain(P) + 174 dBm/Hz
5 分辨率帶寬(RBW)和視頻帶寬有什么區(qū)別?
答:RBW是您能隔離兩個信號,并還能看到它們的最小帶寬。RBW也會影響KTB噪聲系數(shù)功率,因為RBW每改變10 倍,KTB功率改變10dB。
視頻帶寬濾波器噪聲。視頻帶寬用于平均,它等效一個低通濾波器。為過濾噪聲,視頻帶寬通常設(shè)置得較窄,但又不過窄,因為這會減慢掃描時間。
在特定情況下視頻帶寬可設(shè)置得較寬。一個例子是不需要,或不要求平均。另一個例子是在零跨距時測量AM。為測量AM,視頻帶寬需要足夠?qū)挕?/div>