本章要点
1-1概论
1-2频谱分析仪的工
1-3频谱分析仪的应
实习一 频谱分析仪
1-1 概论
就量测信号的技术观之,时域方面,示波器为一项极为重要且有效的量测仪器,它能直接显示信号波幅、频率、周期、波形与位应变化,目前,般的示波器少为双轨迹出显示装置,同时也具有与绘图仪连接的IEEE-488、IEEE-1394或RS-232接口能,能将屏幕上量测显示的信绘出,作为究比较的依据,但它仅局限于频的信号,高频信号则有其实际困。频谱分仪乃能弥补此缺失,同时将一含有许多频的信号用频域方式来呈现,以识别在各个频率的功率装置,以显示号在频域里的特性。图1.1说明方波在时与频域的关系,此立体坐标轴分别表时间、频率与振幅。由傅立级数(Fourier Series)可知方波包含有基本
低频时,双轨迹模拟与数字示波器为目前信号时域的主量测设备,模拟波器可量测的输入信号频率可达100 MHz,数字示波
等多种。屏幕上显示信号的意义为横轴代表时间,纵轴代表信电压的振幅,用示波器量测可得到信号时间的相位及信号与时间的关系,但无法知信号失真的数据,亦即无法获号波分量的分布情况,同时测微波领域(UHF以上的频带)号时,基于备电子组件功能的限制、输入端杂散电容因素,量测的结果无可避免将产信号失真衰减,为解量测高信上述的问题,频谱析仪为一适当而必备的量测仪,谱分析仪的主要功是量测信号频率响应,轴代表频率,轴代表信号功率或电压的数值,可用性或对刻度显测的结果。另外它的信号追踪产器 (Tracking Generator)可直接量测待件(DUT;Device Under Test)的频率响应特性,但它只能量测振幅无法量测相位。就高频信号领域观,频分析仪是电子工程技术人员不可或缺的设备,对频分析仪工作原理的了解将有助于信号量测统的立及充分扩应用畴。频谱分析仪的应用领域相当广泛,诸如卫星接收系统、线电通信系统、动电话系统地台辐射场的量测、电磁干扰等高频信的侦与分析,同时也是研究信成份、信号失真
图1.1:方波时域
与频域的立体坐
基于以上探讨的因素,本内容主要在探讨频分析仪设备的工作原理用方法,其次讨论建量测系统以量测所须的信号参数,并分析信号的特,评估待测件的特性及如何由绘仪获得书面数据,
证频谱分析仪与示波器显示值的正确性,同时出多项有线电视系统的量用。最后将提出素为程人员忽略的天线特量测,于本张节中讨论天线增益及射场型(Radiation Pattern)的量术,包括完整
1-2频谱分析仪的工
频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器,外观如图1.2所示,面板上布建许多功能制按键,作系统能之调整与控制,系统主要的功能在频域里显输信号的谱特性。频分析仪依信号处理方式的不,一般有两种类型;实时频谱分析仪(Real-Time Spectrum Analyzer)与扫瞄调谐频谱分析(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer)。实时频分析仪的功能为在同一瞬间显频域的号幅,其工作原理是对不同的频率
(Detector),再经由同步的多任务扫瞄器将信号传送到CRT屏幕上,其优点是能显周期性杂散波(Periodic Random Waves)的瞬间反应,其缺点是价昂且性能受限频宽范围、滤波器数与最大的多任交换时间(Switching Time)。最常用的谱分析仪是扫瞄调谐频谱分仪,其基本结构类似超外差式收,工作理是输入信号衰减器直接外加到混波器,可调变的本地振荡器经与CRT同步的扫瞄产生器产生随时间线性变化的振荡频率,经混波器与输入号混波降频后的中频信号(IF)再放大、滤波与检波传送CRT的垂方向,因此在CRT的纵轴显示信号振幅与率的对应系,信流程架构如图1.3所示。影响号反应的重要
(Gaussian-Shaped Filter),影响的功能是量时常见到的解析频宽(RBW,Resolution Bandwidth)。RBW代表两个不频的信号能够被清楚的分辨出来的最低频宽差异,两个同频率的信号频宽低于频谱分析的RBW,此时该两号将重迭,难以分辨,较的RBW固然有助于不同频
的RBW将滤除较高频率的信号成份,导致信号显示时产失,失真值与设定的RBW相关,较高的RBW固然有于宽带带信号的侦测,将加噪声底层值(Noise Floor),降低量测灵敏度,对于侦测低度的信号易产阻碍,因此适当的RBW度是正确使用频谱
图1.2:频谱分析
仪的外观
另外的视频频宽(VBW,Video Bandwidth)表单一信号显示在屏幕所需的频宽。如前说明,量测信号,视频频宽过与不及均非宜,都将造成量测的困扰,如何调整必须加以解。通常RBW频宽大于等VBW,调整RBW而信号振幅并无产生显
量测RF视频载波时,信号经设备内部的混波器降频后再加以放大、滤波(RBW决定)及检波显示等流,扫描太快,RBW滤波将无法完全充电到信号的振幅峰值,因此必须持足够的扫描间,而RBW的度与扫描时间互关系,RBW较大,扫描时间也快,反之亦然,RBW适当宽度的选择因而显现其要性。 较的RBW较充分地反应输入信号的形与振幅,但较低的RBW将能区别不同频率的信号。如使用于6MHz频宽视讯频道的测,经验得知,RBW为300kHz与3MHz时,载波振幅峰并产生显著变化,量测6MHz的视信号通常用300kHz的RBW以降噪。天线信号量
100MHz,获得较宽广的信号频谱需,RBW使用3MHz。这些的量测参数并非一成不变,将会现场况及过去
1.分析频谱分析仪的讯息处
在量测高频信号时,外差式的频谱分析仪混波以后的中频因放大之故,能得到较高的灵敏度,且改变中频滤波器的频带宽度,能容易地改变频率的分辨,但于超外差式的频谱分仪是在频带扫瞄之故,因此,除非使扫瞄时间趋近于零,无法得到输入信号实时(Real Time)应,故得到与实分析仪的能一样的外式频谱分析仪,其扫瞄速度常之快,若用中频滤波器时间常数小的扫瞄时间扫瞄的话,则无法得到信号正的振幅,因此高频谱析仪之频率分辨率,且要能得到准确之响应,要有适的扫瞄速度。若用比中频滤波器之时间常数小的扫描时间来扫描的话,则无法得信号的正确振幅。因此,欲提高频谱分析仪频率辨率,且要得到准确之响应,要有适当的描度。由以上之叙述,可以得知超差式谱分析仪法分瞬时信号(Transient Signal)脉冲信号(Impulse Signal)的频谱,而其主应用在测试周期性的信号其它杂散信
频谱分析仪系统内部及面显示的特性,详如附录一的说明,对该内容的了解将有助于频分析仪的作使
一般本地振荡器输出信号频率均高于中频信号的频率,地振荡器输出信号的频率可被整在谐波频率,
????????IN=n?????????LO?????????IF???????? n=1, 2,
3.......????????
????????????????(2)
由式(2)知,频谱分析仪的信号量测围,无形中己拓宽,低于或高于本地振荡器或其它谐频率的输入信号,均能被混波产中频。延伸输入信号频率的混波原如图1.4所示,其中纵代表输信号(????????IN),横轴代表本
荡频率(????????LO),图中的正负整数代表
(2)
?????????????????????
图1.3:频谱分析仪的信号流程
由图1.4可会频谱分析仪利用本地振荡的谐波信延输信号频的工作原理。然而图1.4可能对应多个输入信频率,为消除此一现象,在衰减器前面入频率预选器(Preselector),用来提升频谱分析的动态范围,同时使输出结果能去除其它不必要的频率真正反应输入信号的
图1.4:利本地振荡之谐波信号拓展信号频率的
由以上得知外差或频谱分析仪无法分析瞬信号(Transient Signal)或脉冲号(Impulse Signal)的频谱,而其主要应用则在测周期性的信号及它随机信(Random Signal)频谱。 2.噪声
由于电阻的热敏效应,何设备均具有噪声,频谱分析仪亦不例外,频谱分析仪的声,本上是热声,属于随性(Random),它放大与衰减,由于系随机性信号,两噪声的结合有相加而无法产生相减的效果。在频带范内也相当平坦,其频大于设备内部电路的频宽,检测器检知的噪声值与设定的分辨率频宽(RBW)有关。由于噪声是随机性迭于信号功率上,此显示的噪声准位分辨率频成对数的关系,改变分辨率频时噪声随变化,噪声改变量相关的数学式如下
????????
????????????????????
?? ?(3)
例如:频宽从100kHz(BW1)调整到10kHz(BW2),则噪声变量
????????? ,
?????????????(4)
亦即降低噪声量10dB (为原的1/10),相对提高讯号与噪声比10dB。由此可知,纯粹要降低噪声量,使用窄宽度的频宽能达到目
不论噪声之于外部或内部产生,测时均将影信号振幅的准确性,特别在低准位信号时,更是如此,噪太大时,甚至掩盖信号以致无正确判断信号的大,影响测质量的两种噪声可括为下列三大
(1).生于交换功能的数字电路、火系统与DC马达脉冲噪声,这类噪声常见于EMI(Electromagnetic Interference)的讨论领域
(2).机性噪声来之于自然界或电路的子移动,又称之为 (或称热敏)噪声、Johnson噪声、宽带噪声或白氏(White)噪声,本主要以热敏噪声为点,数学式
????? ,
???????????????????????????????(5)
其中: =噪
?????? k=Boltzman常数, joule/oK ? ????T=绝对温度表示的常温=290 oK ?????? BW=系统的噪声功率宽(Hz)。 4MHz、75 、290 oK时的噪声功率-59.1dBm。由声功率得知,信号频宽降,系统噪声功率随之降低,信号的
Signal-to-Noise Ratio),信号强度(单位为dBm)与系统噪声功率(单位为dBm)相减即为信号噪声,数学式
?????? ?????????? 
?(6) ;???
(3).非线性系统产生的噪声
量测信号均假设仪器为线性,亦即输出号正比于输入信号,如图1.5之所示,实际情况非如此,几乎没有完全线性设备,其间出与输信号的关系可由数学式表示
线性系统:
??????????
???
????????
???????????? ??? ?(7a)
图1.5
非线性系统:
?????????
????????
?(7b)
??
图1.6:非线性系统输出与输入信号的
显然地,非线系统高次方项将产生谐波失真,是噪声源之
线性度
A.量测载波振幅。
B.量测噪声振幅。
C.应用校正因素。
D.
E.计算比值。
如何降低量测备噪声层(Noise Floor)避免影响确度,是工程人员须特别注意的技术,为了效降低量测设备噪声层的影响,避免备噪声过大以致无法分辨到信号,可在测件(DUT)之加入低噪高增益放器,此项相关的量测技术说将于本节后半段讨
3.匹配因素
量测设备的输入抗有时无法匹配待测件连接线特性阻抗,据磁理,阻抗配时,输出功率最大且没有其它不良的副作用,而阻抗匹配,将造成信号反射,影系统频率的稳定造成信号功率的损失。信号在传输在线往返传送生驻波及噪声,进而响接收端的号质量与量测的准确性。量测设备输入阻抗与待件组抗不匹配之缺点可规
A.信号
B.噪声增大。
C.
D.影
E.影
如阻抗不匹配,测时一定要加入阻抗匹配器或阻抗转器。阻抗配器常由电感(L)与电容(C)或等效的微带线(Microstrip Line)所构成,阻抗转换器由宽带的精密电阻所组成,有线电视统传输同轴缆线阻抗75 ,测仪器之输阻抗为50 时,其最简单型衰式匹配电路如图1.7
?(图1.7:阻抗匹配(a)量测示意图(b)电路
利用输入阻抗为50 的频谱分析仪量测75 待测件而入匹器,实际信号振幅必须考虑匹配器的介入损失(Insertion Loss),才能真正应信号的振幅。图1.7匹配电路衰减6dB,亦即介入损失为6dB,量测时必须考虑项损失,以免误差。量时频谱分析仪之读值如为P1(dBm),则真正输入信号的
下式计算之:
??????????
??????(8)
V(dBmV) = P1(dBm) + 6 (dB) + 48.8 (dB)。
????(9)
其中6(dB)来之于匹配器的信号介损失,48.8 (dB)为dBm与dBmV位的转换因素。其中dBm定义为1mW基准功率比对数值,学式表之如
?P(dBm) =。
???????????&nb
sp;?
(10)?????????? 
;
而dBmV定义1mV为基准的电压振幅比对数值,数学式表如
???????????&nb
sp;? ???(11)
频谱仪原理
在测量一些CATV系统指标,常常要用频谱仪,了使测量结准确,在频谱仪的使用上常涉及到个分辨带设置的问。要弄清这个题,得要知道一些频谱仪的基本原。图1是频谱仪的基本原理框图。图中的中频频率(输入信号通过本振信号的和频或差频产生),本振受波发生器制,在斜波生器的控制下,本振频率将从低到高的线性变化。这样在显示时,斜波发生器产生的斜波电压加到显示器的X,检波器输出经低通滤波器后接到Y轴上,当斜波发生器对本振频进行扫描时显示器上将自绘出输入信的频谱。检波器出端的低通滤波器称视频滤波,用在分析扫描时对响应进行平滑。 1、 分
在频谱分析仪中,频率辨率是一个非常重要的概念,它是由中频滤波器的带所确定,这带宽决定了器的分辨带宽。例如,器的带宽是100KHZ。那么谱线频率就有100KHZ的不定性,也即在一个滤波的带宽频率范围内,现了两条谱线的话,则仪器不能检出这两条谱线,而只显示一条谱,此时仪器所反映的谱线电平(率)是这两条谱的电平功率的叠加。因此会现测量误差。所以,对于两紧密相关谱线,其分辨力取决于滤波器的带
2、 视频滤波器
检波器输出端往往存在直分量和交流分量,直分量代表着中频带宽内存在的能量,所以过视频滤器可达提取直流分去除一些交流分量,这样能给稳定的无噪声输出。采用宽带滤波器时噪声的波动较大,采用窄带滤波器时波动显著减少,两者的噪均值却一样,也就是说波器不会降低平均噪声电平,但能减少噪声的峰值电平。因而能暴露出用较宽视器不能看到的低电平信号。但在某情况下,如分析一特殊的噪声信号时,我则需要较的视频滤波器带,以便观察和析,所以我可根据不同的情况来设置视频滤波器的
视频滤波器带宽和分辨带宽的关系:检波前的声可以通过较窄的分辨带宽来降低,从而降低检波器的噪声出电平;检波后的噪声则通过带视频滤波器来平滑减噪声动,但不能降低噪声
频谱仪分
在测量无线信号系统指标中,常常要用到频谱仪,为使测量结果确,在频谱仪的使用上常涉及到一分辨带宽置的问。要弄清这个题,得要知道一些频谱仪的基本理。图1是频谱仪的基本原理框图。图中的中频频率(输入信号通与本振信号的和频或差频产生),本受斜波发的控制,在波发生器的下,本振频率将从低到高的线性变化。这样在显示时,斜波发生器产生的斜波电压加到的X轴上,检波器输出经低通滤波器后到Y轴上,当斜波发生对本振频率进行扫描时示器上将自绘出输入信号的频。检波器输出端的通滤波器为视频滤波器,用在分析扫描时对响应进行平
[p=30, 2, left][attach]871[/attach][/p][p=30, 2, left]1、 分辨带宽[/p][p=30, 2, left]
在频谱分析仪中,率分辨率是一个非常重要的概念,它是由频滤器带宽所确的,这个带宽决定了仪器的分辨带宽。例如,滤波器的带是100KHZ。那么谱线频就有100KHZ的不定性,也即在一个滤波器的带宽频率范围内,出了两条谱线的话,则仪不能检出这两谱线,而只示一条谱线,此时仪器所反映的谱线电(功率)是这两条谱线的
率的叠加。因此出现测量误差。所以,对于两条紧密关的线,其分辨取决于滤波器的带宽。[/p][p=30, 2, left] 我们以测量载波电平例,对仪器的分辨带宽设置加以比较,图2是分宽分别是(由下到)30KHZ、300KHZ、3MHZ的频谱曲线(输入
[p=30, 2, left][attach]872[/attach][/p] [p=30, 2, left]在设置分辨带宽时,我们考是器在分响应输入信号时是有够的带宽,正确的方法是展滤波器的带宽,当在屏上观察到信号载波幅度不再增加时,就表示频滤器对入信号的应已有足够的带宽了。在图中我们看到,当分辨带宽在300KHZ到3MHZ变化时,显示的号幅度没有变化,这就可以认为300KHZ带宽已经足够了。另外,分辨带宽在300KHZ和3MHZ之间设置时,对于单个载波情况的信号幅度没有变化,但是在实际测量CATV系统图象载波电平时却不能将分辨宽设为3MHZ,这是因为在实际中图象载波附近存在相邻道的伴音载波(距1.5MHZ),3MHZ带宽则不能相邻伴音载波的能量滤掉,这样相邻伴音载波的能量加到正在测量的图象载波上,使测到的电平值比际高。[/p][p=30, 2, left]2、 视频滤波器[/p][p=30, 2, left] 在图1中的检波器之后的滤波器称为波波器又叫视频滤波器,它是一个低通滤器,它的作用可以减少检波器输出的声变化,揭一些已被掩盖且接近本底噪声的信号,如果是测量噪声功,它有助于稳定测量。[/p][p=30, 2, left] 检波器输出端往往存在流分量和交量,直流分量代表着中频带宽内存在的能量,以通过视频滤波器达到取直流分量去除一些交流分量,这样能给出更稳定的无噪声输出。图3是不同视频带宽下,检波器输出的信号图,图3a采用宽视频滤波,图3b采窄视滤波器,由图中可看出,采带滤波器时噪声的波动较大,采用窄带滤波器时波动显著减少,两者的噪声均值却一样,就是说滤波不会降平均噪声电平,但能减少噪声的峰平。因而能暴露出用较宽视频滤波器不能看到的平信。但在某些情下,如分析一些特殊的噪声信号时,我们则需较宽的视频滤波器带宽,以便观察和分析,所以我们可根据不同的情况来视频滤波器的带宽。[/p][p=30, 2, left][attach]873[/attach] [/p][p=30, 2, left]视频滤器的带宽和分辨宽的关系是:检波前的噪声可以通过较窄辨带宽来降低,从而降低检波器的噪声输出电平;检波后的噪声则通过窄带视频滤波器来平滑减少噪波动,但不能降低噪声的平
频谱仪原理
时域得到的是信号的波形信息,不适合测量混合信号和复杂信号,AM信号、QPSK信号。频域得到是信号的频分布信
左上图的信幅度和相位无规则变化,时域中测量难获得有用的信息。可以把这个复的信号看作是两个不同频率和度的两个信号(右上图)的合成,然后在频域中表示出来(下图),这样就可以很清楚地了该混合信号的构
上图是测量范围9kHz~3.6GHz频谱分析仪的内模
1、超外式频谱分析仪通过内部混频器本地振荡器Lo信号将输入信号转换到固定的中频,后在此基础上进行信号处。通过扫描本地振器的心频率达到在频率扫描输入信
2、输入信号被转换成中频号后信号需要经过放大和滤波,频谱仪的RBW就是中频滤波器,它是一个通滤波
3、为了允许一个电平范围信号同时在屏幕上显示,中频信号用对数放大来压
4、中频信号经过包络检后变成基带信号,频谱仪的视频波器VBW是基带信号滤波器,它是一个通滤波
5、由于从起始频率到终止率扫描点的数量远远大于仪器能够示的象素点,测量点到显示点之间个对应关系,称作检
6、现代的频谱都采用液晶显示来代替传统的阴极射线管,体更
7、压控振荡器的振荡频率(本频率)和实际的射频频率之间有一个对关系,信号处理也有一定延迟,因显示压控振荡器间需要同
所谓接收机低中频方案,指第次变频时将输入信号频率变低,高中方案则是第一次变频时将输入信号频变高,然后将它变
9kHz~3.6GHz频谱测量方法:
如果频谱仪采用低中频方,当输频率范围大于2fIF,那么测信号范围和像信号范围将会重叠,采用低通滤波器不能镜像频率信滤除,所对输入滤波器的要求,在不影响主信号的情况下,应用一个调带通滤波器以抑制镜像频率。为了覆盖(9kHz~3.6GHz)的频率范,由于较宽的调谐范围(几十个倍频程)使滤器变得极为复不容易实现,此必须采用高中案。第一中频频率比输入信号频率高,那么本振信号也比输信号频率高,镜像频率和输入信号的频率间隔为2fIF,也就是像频率远远高于本振信号频率和输入号的频率,因此设计一个固的滤波器,其截止频率位于最输入频率和中频率之间就很容易解决像率对有用信号的影。此外,低通波器还可以抑本振信号从频谱仪输入端口泄漏出去而影响
高于3.6GHz频谱测量方法:
现代频谱仪在射频前端采一个滤波器,将低于3.6GHz和高于3.6GHz的信号分。高于3.6GHz信号采用中频方案,输入前端使用可的YIG带通滤波器来滤除镜像频率的干扰,因为调谐范比较小(13GHz/3.6GHz=3.6),YIG带通滤波器很易实现,但它的频率响应不好,调节有延迟。YIG滤波器通过调节的电流来感,进而改变中心谐振频率。如果谱仪分析频率在1GHz~5GHz的信时,它是分扫描的,1GHz~3.6GHz和3.6GHz~5GHz的扫描采用了不同的射
衰减器有机械的,也有电子,其步进一般为10dB和5dB,有些频谱仪提供2dB步进调。衰减器作用如
1、当测量高电信号时,对信号进行衰减,保护频谱仪不损
2、改
3、提高测的准确性,混频器是非性器件,当频器输入信号电平较高时,输出会产生许多产物,而且电平太会干扰测试结果,使无互调范减小。当输入信号电在混频1dB压缩点以上时,测试结果会不准
4、提高频谱仪动态范:通过设置步进衰减器调节进入混频器的电平,可以得较大的态范
同时,衰减设置过大,仪器的本底噪声被抬
频谱仪的
1、基波混频:输入信号通本振的基波混频。但为了覆盖更的频率范围,有必要进行倍频,在混频器加乘法
2、谐波混频:
由于混频器的非性会使本振信号产生谐波,可用谐波来进混
基波混频可获最小的插入损耗,由此可以得低噪声系数。但这种方法要求对本振信号做复杂的处理。除了乘法器外,要求滤波器在作乘运算后对谐波有很好的抑制作用。需足够高的本振电的放大器须是宽带大器,因为它对应了高频入部分的输入频率
谐波混频虽很容易实现,但会造成相对高转换损耗,此,要求加到混频器的本振电平要高于在低频段的值,由于足够高的本电平与混频器的非线性,高次谐波以用于混频。转损耗随谐阶次的
Δam是对于基波混频时的转换损耗增
m:用
以上这两方案在实际中根据频谱仪的价格次而定,两种方法同时使用也是可能的,比如,使用频得到本振信号,谐波实的转换可以在一个以接收价格上进行复杂与灵敏度的折
3、外混频器:
对于毫米范围内的测试(40GHz上),可利用外混频器来提高频谱仪的频带范。这些混频器一般采用谐波混频,所以本信号率范围比输入号频率范围
输入信号通过本振的谐变频到低中频,并在频谱仪低端频率输入部分的中频信号链适当的位上插
在毫米波经常使用波导,外混频器般采用波导形式,这些混频器一般不采用预器,因此对镜像频率没有抑制,无用的频产可以通过合适的法分辨出
输入信号频率、本振信号频率和中频信号频率一固定关系,比如本振频率-输入信号频率=中频频率,中频频率是固定的,本振信号频变化就等于输入信号频率变化,扫描频谱分析仪是通过描本振(即调谐本频率)来实现输入信号在一频率范围内的扫
上图说明一个待测试的单载波信号入到频谱仪,实际上测量到的是中频滤波器频特性的形状,即实际测量的结果是中滤器幅频特性和输信号的卷
采用窄带滤波可实现高分辨率,但需要更长的扫描时
比例系数K取于滤波器的类型和允许的瞬态响应差。对于4--5个单独电路组成的模拟滤波器,比例系数K=2.5(最大的瞬态响应误差大概为0.15dB)。数字高斯滤波器的瞬态响应可并能够精确再现,模拟滤波器比,可以过与信号类型无关的合适修正数来获得更高的扫描
窄的中频滤波器可实
本振信号频变化的一般以远小于RBW的频率步扫描,比如RBW/10,RBW变大,SPAN不变,那本振调整的步进变大,测量的数就变少了,整个扫描间会短。反之,RBW越,扫描时间就越
中频放大器:
输入信号过了前置衰减器,电平降低,为了恢复信号幅度,补偿输入衰减器的变化,在混器后对中频信号进行放大,在放大有用信的同,噪声和干扰信也被同时放
对数放大器:
检波器之前有一对数放大器,对数放大器按照对数函数来压缩号
(对于输入电压幅度v,输出电压幅度为logv),这大大减小了由检波所检测信号平变化,同时向用户提供校准成贝读数的对数垂直刻度,在频谱分析仪中,由信号电平大幅度变化,故需要采用刻度。对数放大器设计基于多级解调原理,将许多个具有固定增益(每一级的增益通10dB)的单元放大器级起来。随后,将一级放大器的输逐个相加提供线性输出电压,有些器件提供个表示输入信号的相对相位的限幅
中频滤波器可以减小噪声带宽,带宽越窄,噪声带宽就越窄,进入频分析仪的噪声就越小,那么接收敏就越高,即本噪声越
当今的频仪的中频滤波器有以下三种形
1、模拟滤波器
2、数字滤波器
3、FFT
模拟滤波器常用来实现大的分辨率带宽。本例中频谱分仪带宽从100kHz~10MHz是用模拟滤波器来实现的,其选性依赖于滤波电路阶数,一般频谱为4级滤波电路,也有5滤波电路产品,这样可分别得到14和10的形状系
理想的高斯滤波器的形状系数为4.6 ,不能用模拟滤波器实现,但是在20dB带宽内实现近似是可能的,这瞬响应几乎与高滤波器相
通过数字滤波可以获得很窄的带宽。和模拟波相比,理想高斯滤波器可以实现。数字滤波器在可接的价格内有更好的选择性。如5级电模拟滤波器的形状系数为10,高斯滤器为4.6。另,数字滤器有更好温度稳定性,无需调整。因,在带宽上它更为
由于数字滤波器的瞬态响应已确定,使用合适的修正系数可使数滤波器获得比模拟滤波器在相同带宽情况下更短扫描时
从10Hz~30kHz的分辨率带宽是通过数字滤波器实现
信号的频谱是由其域特性决定的。时域和频域可借助傅立叶变换傅立反变来相互转,因此可以计算出域信号的频谱。为了精确计算输入信号的谱,就需要无限期的观察。另域中每个点上信的振幅都要知道。这种计算的结果将是一个连续的频谱,率分辨度将是无限的。很显,这么精确计算在实际中不可能的。假设某些前提条件,频谱仍然在保证足够精确度的情况下
实际上,傅立叶换需要借助于数字信号处理,因此被析信号用模转换器采样及振幅量化。通过抽样可以使连续输入信转换成时域上离散的点,但是关于时域性的信息将会丢失。因此输入信号的带宽必须限,否则会因为取样而生不真实信号。根据农采样定律,采样频率fs必须至少高于输入信号带宽
实际上,被分析的信号通过模数换器采样,变成离散信号,采样值被存在一个存储器中,经过离散傅立变计算,计算信号的频
中频滤波器用来界已变换到中频的输入信号将显示在频率轴上定位上对应的部。由于高裙边选择和由此产生的选择特性,需要矩形滤波,但对频谱分析而言,这种矩滤波器的瞬态响是不合适的。由于这样的滤波器有较长的瞬态响应时间,入信号的频谱应通过十缓慢的本振谐变到中频以免幅度误差。使用优化瞬态响应的高斯波器可以获得相对短的测试
由于有限的裙边选性高斯滤波器必须定义带宽,在频谱分析中通常定义3dB带
滤波器的
SF60/3=B60dB/ B3dB
这里B3dB=3dB带宽,B60dB=60dB
在电磁兼容接机里面的测量带宽指的是中频滤波器6dB带
假定在一个强信号旁边一个弱信号时,采用大波形系数的中频滤波器(RBW)可能检不出
1kHz的分辨率带宽
当SF=4.6时(对应蓝色踪迹),可测出弱信
当SF=9.5时(对应红色踪迹)则分辨不出弱信
频谱仪的频谱辨率主要决定于分辨率带宽RBW,中频滤波器宽。若使用取样或峰值检波器,频谱分辨率在显示中通过3dB衰减来分辨两个幅信号的最小频率偏移。如左图所示,线对应30kHz辨率带宽,减小带宽,蓝线对应3kHz分辨率带,两个信号被明显
如果相邻号的电平有明显不同,小平信号在大分辨率设置下不会显露出来。(右图红色踪迹)。通过减小带宽,弱信可被露出来。(见右
输入信号幅度的信息包含在中信号的幅度中,通过使用模拟或者数滤波器,在滤除高的中频信号之后,以得到中频号的包
视频滤波器在包检波器之后,视频滤波器决定了视频带宽。视频波器一级低配置,用于从视频信号中滤除噪声,平滑轨迹,从而使显结果稳定。这里所述频谱仪视频滤波器也是字式的,因此视频信号在检波器输出处通过A/D器被取样及量化。和辨率带宽类似,视频带宽也限制最大允许的扫描速度,要达到最的扫描时间需要增大视频
对于有足够噪比的情况下测量正弦号,经常选VBW与RBW相等。在低S/N情况下,可以通过减小VBW来稳定显示,弱信号会在频谱突现出来并且稳定可再。在测正弦信号时,减小VBW,对电平无影
1、现代频谱仪使用晶显示器来代替阴极射线管来显示记录频谱,相地,幅和频显示的分率都受到限制。幅度率的限制可用曲线处理来弥补,这样即可很高分辨率的情况下来确定幅度。当显示大的频率跨时,一个象素点包含了相对较大子段的频谱信息,由于频谱仪一级本振的调整步长取决于辨率带宽,这多个取样点(测结果值)会落在一个象素点上,象素点显示么样的数值取决于检波器的检波
2、举个例子,当测试1GHz~7.25GHz的谱时,RBW等于10MHz,频率跨度为6.25GHz,频谱仪示了625点,际上一个显示点(象素点)代表10MHz信号带宽内的频谱。假设本振以RBW/10为步进,那么每10MHz带宽的输入信号测了10次,整个带宽内共测试了6250次,中心频率分别为1.001GHz、1.002GHz、1.003GHz...... 7.248GHz、7.249GHz、7.25GHz,但显示点只有625个,么一个显示代表这10MHz带内的10次测结果值,到代表哪一次或者哪几次结果的合成就由检波器
一共有7种检波器:
1、最大峰值检波器:从分配到每像素点的取样点中取一个最高电平并显示出,如上例,将第9个点和第13个点测试果值显示出来,其它的无
2、最小峰值检波器:从分配到每像素点的取样点中取一个最小电平并显示出,如上例,将第5个点和第17个点测试果值显示出来,其它的无
3、自动峰值检:同时显示最高电平和最小电平,两点之间用垂相
4、取样检:从分配到每个像素点取样点中取定位置的电平并显示出来,如上例,将第1个点和第11个的测试结果值显示出来,其它无效。在频率跨度远远于RBW的情况下,输入信将不再被可靠检
5、RMS检波器(均方根):计算分到每个像素点的所有取样值的均方根值,结果为像点对应频宽内的信号功率。在RMS计算,包的取样值要求采线性值来计
6、平均值检波:计算分配到每个像素点所有取样点的线性均
7、准峰值检波:这是种用于干扰测量应用并定义了充放电时间的峰值检波器,用EMC方的测
由于宽的可调范围与相位噪声,YIG振荡器经常被用作本振。这项技使用磁来调
一些频谱仪采用压振荡器来作本振,其调整范围较小,但较YIG调整起更
为了增加频仪的频率精度,本振信号以是合成信。也就是说,本振经锁相环锁定在考信号上。和模拟频谱仪相比,本振不能连续调节,但是可分为个小的步长调整。步长赖于分率带宽,小的分辨率带需要小的调整步
参考信号通由一个温控晶振(TCXO)产生。为了增频率精度与长期的稳定性,对大多数频仪来说,广泛采用恒温控制晶(OCXO)。可以从频谱仪后面的一个接头上得10MHz的参考步信号。也可以应用外考时基来同步频谱
示波器分
1、频谱仪的相噪声指本地振荡器短时间稳定度的量数。相位噪通常是以一个单载波的幅度为参考,并偏移一定频率下的单边带相位噪声。这个数值是在1Hz带宽下的相对噪声电平,故其单位为dBc(1Hz)或dBc/Hz,c指的是波,由于相位噪声电平比载波电低,所以我们定义为
2、频谱分析仪的振信号的相位噪声经过混频器混频,将在入信上产相应的位噪声,这就意味着即使输入的是一个理想的正弦信号,频仪的本振相位噪声也将在显谱线上叠加,果输入信号夹带相位噪声(实际上常有这种情况),仪的显示轨迹就包含了入信号和本信号合成的相噪声。本振的相位噪声太差,在输入信邻近的小信号就无法检测
3、相位噪主要影响频谱仪的分辨率和动态范
4、用频谱仪来准确分被测信号相位噪声条件:频谱仪的相位噪声要比被测信的相位噪明显
5、为了测试频谱分析的相位噪声指标,必须用一个相位噪声比频谱仪相位噪好得多的来测
1、固有噪声是频仪灵敏度的度量指标,决定了频谱仪的最小可检电
2、为了稳定显示声电平,可通过窄的视频带宽和多踪迹进行适当平
3、频谱的SPAN并不影响固有声。因为SPAN和RBW在默认设置下有一相对固定的比值,调整SPAN后,RBW也着变化,本底声也产生变
4、举例:FSU在1GHz中心率处,RBW=100KHz,衰减器为30dB,其固有噪声为多少?被测号为-80dBm,够检测到
答:通过FSU的datasheet,FSU在1GHz中心频率本地声为-148dBm@10Hz RBW,0dB 衰减,那么当前设置下,固有噪为-148dBm-10dB+10lg(100kHz)+30dB-2.5dB=-80.5dBm,-80dBm的被测信号和本底噪声相,是不能被检的。为了准确测试这信号,可以减小RBW或衰减器的
频谱分析仪显示的噪声本电平依赖于衰减器的设置,每增10dB的衰减量,显示的噪电平将提
因为热噪频谱功率密度在噪声带宽内是连的,所以显示的本底噪声电平是与选取的中频滤波器(RBW)的带宽有关,可通过计算而得。RBW增10倍,噪声电平
上图中,RBW等于1MHz和300kHz时,本底噪声电平较低,S/N较高,信号的功率测试时基本不RBW的影响,当RBW等于3MHz时,本底噪声平与信功率比较接近,使信功率测量值偏
1dB压缩定义:由于器件饱和区影响,增益低1dB的点。与截断点相类似,1dB压缩点可以指输入电平输出电平。对于功率放大器来说,通常给出的是输出1dB压缩点,对于频谱仪来说,为入的1dB压缩
频谱仪的1dB压缩点特性主要受第一级混频(衰减设置为0dB)决定,标称的输入电平指的是混器输入端口的电平。增加减器设置,1dB压点会着衰减值的加大而同样的数值增
为了避免过载真,最大输入电平应该远低于1dB压缩
动态范围:
动态范围是频分析仪同时处理不同电平信号的力。动态围的值依赖于实际所要进行的测量,动态范围下限由自然噪声或相位噪声决定的,动态围的上限是由1dB压缩点或由频谱仪过而造成的失真决定。动态范可以以不的方式定义,它和我们所常说显示范围概念并不
电平显示范围:
动态范围和指标所提到的电平显示范围不是同一个概,示范指的是平均噪声电平到最大输入的电平。频谱仪为了显示大输入电平的信号,常常要将RF衰减器置得非常高,这样频谱仪显示的噪声就不可能小值。频谱仪为了示接近平均声电平的信,衰减器设置到足够小,这时就能测量最大输入电平的
最大动态范围:
最大动态范围通常在最小分辨率带宽情况下,显示的噪声做为下限,1dB压缩作为上限。如果到达第一级混频的输入电平高出1dB压缩点,那么将产混频器的非线性失真,使用较小RBW时,失真产就会明显地显示出来(它们不会被噪声淹没),此时的频谱量就不能明确反映被测设的真实频谱。代频谱仪中,参电平和减器设置是连动的,即使在手动减设置时,参考电平也是受限
最大谐
对混频器电平的选取应该找到个合适的折衷,如果衰减过大,则混器电平将降低,频谱仪产生的失真信和互调产就很微弱,但与此同时对于入信号而言,信噪比降低了,在种况下,动态范围下限就由固有噪底决定。在另一方面,混频器电平果过高可以看到,失真和互调产物超过然噪底而在仪很清晰分出来。实际测中,无失真显示频谱范围是很重要的。它由互调产物或是高次谐波失真限制这个范围,我们称这为无互调范围或者是最大谐波抑制,两者由混频器电平和所选择RBW决定的,如果互调产物者高次谐波平与噪声电平相等,则达到了相应的最值。理论上大无互调
参考频率误差:
现代频谱仪本振通过锁相环同步到一个定的参考振器上,它的频率精度也就是参考振荡器精度,并且受参考振荡器的温和长期稳定度的影响。频谱仪默认用内部的参考荡器,也以使用部的参考振荡器,其参振荡器信号可以输
参考振荡器(般是10MHz)通常采用用温补晶体振荡(TCXO)或恒温槽晶体振荡器(OCXO),采用OCXO作参考振荡器的频精度要比TCXO高。产生的参考频率到环境温度和操作间老化的响,要确频谱分析仪频率精度绝对准,就必须定期对它
测量频率
最大误差误差(坏情况)是各个相关参数的简单相,算所的最误差的可信度为100%,实际误差永远不可能超这一数值。然而最大误差极少发生。从计学上讲,所有误差分量同时为最大值且符同几乎是不可能的件。在一的置信度下(典型值为95%或99%)去计总不确定度更加符合
现实生活中,表指示的时间有时会不准,为了决个问题,要定期地参考电视台/广播电台的定点报时做一定的调整,这就是一个同步的过。每台仪器的频率都有自己的参考基准,那么不同仪器在相的频率设情况下会完全相同,因此需要将他们间的参考基准进行
射频仪器中广泛采用PLL技术,仪器一般有REF IN和REF OUT两端口,当仪器的考频率采用内部的源,REF OUT可以输出内部的参考源给其它器或者设备。当仪器的参考源采用部的,需要一个外的参考源连接到REF IN,绝大多数的外部参考源的频率10MHz,有些情况下采用13MHz(如GSM基站),此REF OUT仍然能输出参考源。在工程,常见如下仪器参考基准的同步
1、信号源的REF OUT产生10MHz的参考信号,它来同步频谱仪,在频谱仪上要使能外参考时
2、频谱仪的REF OUT产生10MHz的参考信号,它来同步信号源,在信号源上要使能外参考时
3、被测件(基站)参考信号连接到信号(或频谱仪)REF IN,信号源(频谱仪)的REF OUT连接到频谱仪(信号源)REF IN,频谱仪的REF OUT出来的10MHz信号以同步其仪器。在频谱仪和信号源上要使能外部参考
关于本教材有任何问题和
频谱仪原理
频谱分析仪概述
频谱
?
频谱分析仪与示波器比具有灵敏度高﹑频 率范围宽﹑动态范围大特点.可方地获 得域测量中不易得到的特信息.它可测 量信号频率幅度﹑频谱纯﹑信号失真﹑寄 生﹑交调等各参数.是微波领域万用表. 是雷达﹑ 航天 ﹑通信等领域的重要测试仪 .它可以很好的对遥控器﹑讲机﹑无绳 话﹑有线电视CATV﹑机等有线 ﹑无线 系统进行故
2
1
频谱仪
信号周期 信号周期
频谱分析仪简化框图
时域分析 时域分析
升降沿 升降 峰值电压 峰值电压 信号频率 信号
信 号
频域分析 频域分析
谐波分量 谐波分量 信号功率 信号功率 寄生、交调 寄生、交调 号边带 信号
3 4
安泰
?
频谱仪框图
衰减器 模拟 滤波 取样器 模数 转换器 ADC 数字 滤波 处理 显
? ?
?
?
国外频谱分析仪价格昂,与国内外频谱分析 仪相比,安泰信频谱分析仪性比最高. 是波实验最理的微波测试仪器 可以信进行傅立叶分析﹑测量信号的谐 波分量﹑调﹑调幅特性﹑调制失真等实验 内置发生器(AT5011)可以利用AT频谱分 析仪作各种传输﹑反射实验.如驻波比测﹑ 阻抗匹配实验﹑测量定向耦器﹑滤波器﹑ 减器宽带放大器等率特性 应用AT频谱分析仪探头系可以对EMC电磁 兼容作早期评估和预认证
输入
FFT
fS
5
6
1
微波
?
为了能动态地观察被测信号的频谱,现代频谱仪 大多采用扫频超外差式接收案,利用扫频第一 本振的方法,被信号混频后得到固的中频信
频谱仪
7
8
ATTEN频
频谱仪
低通 第一 通 第二 滤波器 变频器 滤器 频 F2IF F1IF FRF 射频 衰减器 YTF MXR1 MXR2 检波器 描斜波发生器 第一本振 YTO F1lo 显示器 带通 第三 步 带宽 对
LOG
1050MHz
1.聚焦:光锐角调节,调动时改变CRT中显示频谱线的
此时X
9
2.亮度:光点暗调节,调动时改变CRT中 显示频谱的
10
ATTEN频谱分析仪面板
频标:在通带内可视觉标记,启动时,所显示的 频率是标记频率,MK示灯
频标的作用
REF PEAK LOG 10 dB/ SPAN 200 kHz .0 dBm ATTEN 10 dB MKR-TRK 300.0015 MHz -20.04 dBm
WA SB SC FC CORR
CENTER 300.0015 MHz #RES BW 3 kHz
11
VBW 3
kHz
SPAN 200.0 kHz SWP 100 msec
12
2
ATTEN频谱分析仪面板
四位半
中心频率调节
中心
频率
Center Fr
equency
中心频率:调时可改变其的接收频率,外加一个 微调
13
X轴
14
ATTEN频谱分析仪面板
通道带宽:400KHz/20KHz滤波器
ATTEN频谱分析仪面板
扫频输
Y轴位移:主要用作 两个信号比较 视频滤波:通、断控制基线的压,更看楚小
15
输入端口:BNC母
16
ATTEN频谱分析仪面板
ATTEN频谱分析仪面板
输入、输出衰减器:4×10位步进衰减器,每个衰减 器总衰减量共40dB。
17
扫频宽度:来调节水平轴(频率轴)的每格扫频
18
3
频谱仪的刻度
8×10格刻度
频谱分析
SCANWIDTH
2 MHz DIV 5 10 20 ZERO SCAN 0 50 100
1 2 3 4 5 6 7 8
2
3
4
5
6
7
8 9 0
1 0.5
CRT显示管
(阴极射线显示管)
19
0.2 0.1
20
频谱分析
SCANWIDTH MHz 5 DIV 10 ZERO SCAN 0 20 50 100
频谱分析
中心 频率
中心
频率
2 1 0.5 0.2 0.1
2 1 0.5 0.2 0.1
Center Frequency
SCANWIDTH MHz 5 DIV 10 ZERO SCAN 0 20 50 100
Center Frequency
A、当中心频率: 500MHz 时 B、当扫频宽度: 100MHz 时
X轴
21
X轴
100 200 300 400 500 600 700 800 900
22
频谱分析
SCANWIDTH MHz 5 DIV 10 ZERO SCAN 0 20 50 100
功率的转换
信号的功率指在定负载的情况下,负载所获 得的率。 ? 例如:相同电压加在不同负载上,负载会得到 不同的率。 ? dBm与mw的互换。 P(dBm)=10logP(mW) 0dBm=1mW, +3dBm=2mW, -10dBm=0.1mW ? 使用dBm对功率计算带来的
?
23 24
2 1 0.5 0.2 0.1
A、当中
B、当扫
以中心频率的刻度线为基础进行算: 左五格的频率 = 中心频率 - 减去格数 右五格的频率 = 中心频率线 + 减去
4
频谱分
频谱分析
中心 频率 Center Frequency
频谱分析仪的度是以频谱线的最高顶点为典 值,由上至下行读数,以屏幕刻度最高点(- 27dBm)为起点,以纵轴(Y轴)为读数值,频率 以横轴(X轴)为读数。屏幕中10 dBm为一格 落差,每一大格
-27 dB
-37 dB -47 dB -57 dB -67 dB -77 dB -87 dB -97 dB -107dB
10dBm
读数: 屏幕中每10 dBm 为一大格落差,每一大 格内分5小格,每小格
25
26
频谱分析
中心 频率 Center Frequency
-37 dB -47 dB -57 dB -67 dB -77 dB -87 dB -97 dB -107dB
频谱分析
中心 频率 Center Frequency -27 dBm
-37 dB -47 dB -57 dB
-27 dBm
幅度
幅度为 -37+20=-17dBm
-67 dB -77 dB -87
dB -97 dB -107dB
图
2
27
如图计算一频谱线的幅值,但其输入处 已经衰减了20dB时。图中的频谱的幅度 是多
28
频谱分析
中心 频率 Center Frequency -27 dBm
-37 dB -47 dB -57 dB -67 dB -77 dB -87 dB -97 dB -107dB
怎样确
1、首先将扫式频谱分析仪的输出与输入直接 连
幅度为 -37+20+20= +3dBm
注:
SCANWIDTH MHz 5 DIV 10 ZERO SCAN 0 20 50 100
2 1 0.5 0.2 0.1
如图计算一频谱线的幅度值,但其入处 已经由频谱仪内部衰减了20dB,在输入至频 谱仪前又衰减了20dB。中的频谱线的度 是多
CABLE
29 30
5
频谱仪工作原理
第 1 页 共 321 页 Tektronix 实时频谱仪原理作指南 张鹏实时频谱仪础识和操作指南 张鹏 V1.0 第 2 页 321 原理介绍第一章 介和述..…………………………………………………………………4第二章 实时频谱仪是如何工作的…………………………………………………18第三章 实时频谱仪的分析和测量…………………………………………...…….36第四章 QampA……………………………………………………….………………..52操作指南第一章 启动..............................................................................................................63第二章 安装..............................................................................................................68第三章 校准................................................................................................................77第四章 基本操作......................................................................................................81第五章 菜单功能........................................................................................................93第六章 指..............................................................................................................110第七
时间分析....................................................................................................162第九章析......................................................................................................169第十章 视图刻度和格式........................................................................................176第十一章 设置频率和间......................................................................................185第十二章 置幅度..................................................................................................189第十章 FFT 和 RBW...........................................................................................198十四章 采集数据..................................................................................................204第十五章 触发..........................................................................................................208第十六 显示和取均功能的曲线比较..............................................................219
行....................................................................................................233第十九章 W-CDMA 下行分析仪(选件 22).......................................................236第二章 W-CDMA 上行分析..............................................................................253第二十一章 文件操作..............................................................................................268第十二章 文件格式..............................................................................................276第二十三章 与 LAN 连接 .......................................................................................285第二十四章 USB 装.............................................................................................287第二五章 使用 Windows 98 ................................................................................288第二十六章 贝屏幕..............................................................................................290二十七 Using the Online Help(使用在线帮助) .........................................293第二八章 显版本和选件..................................................................................294 实时频谱仪础知识和操作指南 张鹏 V1.0 第 4 页 共 321 页第一章:简介和概述RF 信演变早在 19 世纪 60 年代,James Clerk Maxwell 通过数运,预出存能够通过真空传输能量的电磁波,此后,工程师和科家直在寻求创方法用 RF 技术。在 Heinrich Hertz在 1886 年理演示了“无线电波”之后,Nikola Tesla、Gugliemo Marconi 等人开创了利用这些波实现长途通信的方式。个世纪以后,无线电已经成为 RF 信第一个实际应用。过去三十年中已经
号发送和接收方法, 检测和定位远距离内的目标。到第二次世界大战开始时,无线电探测和测也称为雷经成为又一个盛行的 RF应用。在很程度,由于军事和通信领域的持续增长, 技术创在 20 世纪其余时间都直 RF稳定加增长,直今天这种增长在继。为止干扰、避免被探测及改善容量,现代雷系统和商用通信网络已经得非常复,这两种系统一般都采用全面组合的 RF 技术,如脉冲、跳频、码多址和适应调。设计这些高级 RF 设备,并把它们成功地集成到工作系统中,是非常复杂的任务。同时,越来越泛的蜂窝技术和无数据网络的成功,导致了基 RF 器件的成本直线下降。这使得传统军事和通信领域之外的造商能够把相对简单的 RF 设备嵌入到各类商用产品中。RF 发射机变得异常行,几在任何想得到的位置可以发现它?堑纳碛埃 缂抑械南 训樱 皆褐械囊搅粕璞福 こе械墓た叵低 偕璞干踔量芍踩爰倚蟆?栉锖腿说钠し粝,孀?RF 号在现代世界中变无所不在,生成 RF 号的设备之间的干扰问题也随之增长。在需要执照的频谱中工作的动电话等产品,在设计时须不会把 RF 能发送到相邻频率通道,对在不传输模之间切、并保持步链接不同网元的复杂多标准设备来说,这一点尤其具有挑性。在无需执照的频段中工作的比较简单的设备, 也必设计成在存在干扰号能够正确运行,政府通常规定,这些设备只许以低功率在短脉冲中传输信号。为服这些不断发展的挑战,当前工程师和家能可靠检测和检定随间变化的 RF信号非常关键,而使用传统测量工具并不能简便地实现这一点。解这些问,泰克设计实时频谱分析仪RTSA,这种仪器可以触 RF 信号,把信号无缝捕获到内存,并在频域、时调制域中分析这些号。本文介绍了 RTSA 的工作方式,可以基本了解怎样使用RTSA,解决与捕获析现 RF 信号有关的许多测量问题。现代 RF 量挑战鉴于定当前 RF 设备行为特点的挑战,必需了频率、幅度和调制参在短期长期内的行为方式。这情况下,使用传统工具如扫频频谱分析仪SA和矢量信号分析仪VSA能会在频域和调制域内提供信概况,其通常能提供足够的信息,让用户满怀信心地描述设备生的那些动态的 RF 信号。RTSA 在所有这些量中增加了另一个关键维度 – 时间。 实时频谱仪基础知识和作指南 张鹏 V1.0 5 页 321 页 捕获分析瞬时动态信号 捕获脉冲传输、毛刺和关瞬变 检定 PLL 稳定时间、频率漂移、微音大 检测间歇性干扰,噪声分析 捕获扩频信号和跳频信号 监频谱使用情况,检测意发射 一致性测,EMI 模拟和数字调制分析 检定随时间变化的调制特性 使多域时间相关,诊断复杂的无线标准问题 进行调制质量诊断图 1-1:分析仪以定步长扫描频段,通会漏掉在当前扫描波段之外生的重要的瞬时事件,如中用黄色突出显的部分。图 1-2:典型的扫频析仪结构。每测量都涉及随时间化的 RF 信号,这些信号通常是不测的。为有效检定这些信号的特点,工程师需要一种工具,这种工具要能够发已知事件或预测的事,缝捕获号,把号存储在内存中,分析频率、幅度和调制参数在不同时间的点。 实时频谱仪础知识操作指南 张鹏 V1.0 第 6 页 321 页仪器结构纵实时频谱析仪RTSA是泰克设计的一种新型测量工具,解决介绍的新兴 RF 量挑战。为了解 RTSA 的工作方式及理解其提供的测量价值,有必要先考察类其它的传统 RF信号分析仪:扫频频谱分仪SA和矢量信号分析仪VSA。扫频频谱
超外差频谱仪是几十年前第一个使程师能够进频域测量的传统结构。频频谱分析仪最是使用纯模拟器件构的,之后一直随着其服的应用不断发展。当前一代扫频频谱析仪包括各种数单元,如 ADC、DSP 和微处理器。但,基本扫描方法在很大程度上保持不变,其最适合观测受的静信号。扫频频谱分析通过把感兴趣的信号向下变频,并扫描通过分辨率带宽RBW滤波器的传输频带,来量功随频率变化。RBW 滤波后面跟有一个检测器,检测器算选择的跨度内每频点的幅度。尽管这种法可以提供很高的动态范,但其缺点在于,它一次只能计算一个频率点的幅度据。分析仪在频率跨度内扫描要长的时间,在某些情况下要达到几十秒。这种方法基于这样一个,即析仪能够完成次扫描,而被测信号没有明显变化。结果,这种方法求输入信号相对稳定及不变。如果信号迅变化,那么在统计上可能会漏掉变化。如 1-1 所示,扫描看频段 Fa,而在 Fb 图上生了一个瞬时频谱事件。描到达频段 Fb ,事件已经消失,有检测到事件右图。频谱分析仪没有提供触发这个瞬时信号
-2 说明了典型的代扫描频谱分能存储全面的信号在不同时间上的行为记
析仪结构。它采用数字技术替换较窄的滤波器,而不用继承下来的模拟分率带宽RBW滤波器。对 BW1、BW2 或 BW3 范围内的带宽,ADC 前滤波、混频和放大都是模拟处。需要窄于“BW3”的滤波时,将在模数转之后步骤中通过数字信号处理DSP进行滤波。图 1-3:典的矢量信分析仪结构。ADC 和 DSP 的工作要更加苛刻。ADC 中的非线性度和噪声是一个挑战,尽管其可以消除 实时频谱仪基础知识操作指南 张鹏 V1.0 第 7 页 共 321 页纯拟频谱分析仪中可能发生的某些类型的错。矢量信号分析仪:数字调制分析传统扫频分析进行标量测量, 只提供与输入信号幅度有关的息。分析承载数字调制的信号要求同时提供幅度相位信息的矢量量。 矢量信分析仪是为行数字调制析专门设计的工具。图 1-3 是简化的 VSA 框图。VSA 是为进行调制测量而优化的。与下节介绍的实时分析仪一样,VSA 对仪器传输频带中所有 RF 能量进行数字化,以提测量数调制要求的幅度和相位信息。但是,大多数但不是全部VSA 都旨在了解任何时间点上的输入信号概, 此很难或不可能存储很长的一串集记录,获得号在不同时间上行为特点的累积历史。与扫频频谱分析仪,发功能一般局限于 IF 电平触器和外触发器。在 VSA 内部,ADC 数字化宽带 IF 信号,频、滤波和检测均以数字方式进行。时域到频域换使用 FFT 法完。ADC 的线性度和动态范围对仪器的性能至关重要。同样重要的是,还必须有足够的 DSP 处理能力,以能够进行快速测量。VSA 矢量度差 EVM等调制参数,提供星座图等它显示。通常使用独立式 VSA完善传统扫频频谱分析仪的功能。此外,许多代仪器采用的构可以同时现扫频析仪和 VSA 功能,在一个产品供不相关的频域测量和调制域测量。实时频谱分析:触发,捕获,分析实频谱分析仪旨在决与上一节中介绍瞬时动态 RF 信号有关的测量战。实时频谱分析的基本概念是能够触发 RF 号,把信号无缝地捕获到内存中,并在个域中分信号。这可望可靠检测和检定时间变化的 RF 信号。图 1-4 了 RTSA 构简化的方框图。第二章中供了更详细的示图和电路说明。 可以在仪器的整个频率范调谐 RF 端, 它把输入信号下变频到固定 IF,固定 IF 与 RTSA的最大实时带宽关。然后 ADC 对信号
传送到 DSP 引擎上,DSP引擎负责管理仪器触发、 存和分析功能。 尽管这个方框的各个要采集过程与 VSA结构类似,但 RTSA 经过专门优化,提供了实时触发、无缝信号捕获时间相关多域分析功 实频仪基知识和操指南 张 V1.0 第 8 321 能。此外,ADC 的技术进可以实现高动态范围和低声转换,使 RTSA 的性能相当于或超过许多扫频频谱分析仪的基本 RF 性。图 1-5:点、帧和块:RSA 的内存层级。图 1-6:实时频谱分析仪块采集和处理。对小于等于实时带宽的量跨度,通过数字 RF 信号,并把时间连续样点存储内存中,RTSA 结构能够无缝地捕获没有时间间隔的入信号。这较扫频频谱分析仪的采集过程有多种优势,因为扫频频谱分析仪通过连续扫频率跨,构建频域图像。本其余部分将详细讨论这些优势。实时频分析仪的主要概念样点、帧和块RTSA 行的测量使用数字信号处理DSP技术实现。了解怎样在时域、频域和调制域中分 RF 信号,首需要察仪器怎样采集和存储信号。在 ADC 数字化转换信号之后,信使用时域数据表示,然后以使用 DSP 计所有频率和调制参数。第二章中细讨论这些概。 实时谱仪基础知识和操作指南 张鹏 V1.0 第 9 页 共 321 页在 RTSA 使用实时采集无缝捕获信号时,三个条件样点、帧和描了存储的数据层级。 1-5 是样点-帧-结构。数据层级的最低层是样点,它着离散的时域数据点。这种结构在其它取样用中很常见,如实示波器和基于 PC 的数字转换器。决定相邻样点之间时间间隔的有效取样速率决选择跨度。在 RTSA 中,每个样点作为包含幅度相位信息 I/Q 对,存储在内存中。下一层帧。帧由整数个样点组成,是可以应快速傅立叶变换FFT把时域数据转换到频域中的基本单位。在这一过程中,每个帧产生频域谱。采集层级的最高层是块,它由不时间内无捕的许多相帧组成。块长度也称为采集长度是一个连续采集示的总时间。块内部示输入信时没有时间间隔。 RTSA 实时测量模式下,它无缝捕获每个块,并存储在内存中。然后它用 DSP 技术进行后期处理,分析信的频率、时间和调制特点。在标准频谱分析仪模式下,RTSA 步进通过超过最大实时带宽的频段中的 RF 端, 第 来仿真扫频分析仪。 4 章中介绍了更多的信息。图 1-6 显示了采集模式,可实实时无捕获。对块内的所帧,每个集在时间上都是无缝的,但在块之不是无缝的。在一个采集块中的信号处理完成后,将开采集下一个块。一旦块存储在内存中,可以应用任何实时测量。如,实时频谱式下捕的信号可以在解调式和时间模下分析。通过把采集长度除以帧长度,可以确定块内采集数。用户输入的采集长度要四舍五入,因此块包含整数数帧。 最大采集长为秒到几天,取决于选择的测跨和仪器的内存深度。第 4 章中给出了特定的 RTSA 实例。 实时谱仪基础知识和操作指南 张鹏 V1.0 第 10 页 共 321 页图 1-7:采用频率模板的实时频发。图 1-8:使用频率模板,在存在大的信号时触发电平脉冲。 实时谱仪基础知识作指南 张鹏 V1.0 11 页 共 321 页图 1-9:使用频率模板,在拥的频环境中触发特信号。时触发有效触发一直是大多数频谱分析工具缺失的项目。RTSA 是一个主频谱分析仪,除了简单的 IF 电平和外部触发功能,提供了实时频域触发其它直观的触发模式。传统扫频结构不太适合实时触发,其原因有很多,但最重要的因在于扫频频谱分析仪使用触发事 而件开始描, RTSA 则使用触发事件作为无缝采
许多其它有用的功能, 第 如能够同时存储触发前的信息和触发后的信息。 2 章深入讨论了 RTSA 实时触发器。RTSA 的另一重要功能是实时频板发,许用户根据频域中的特定触发采集。如图 1-7 所,它画出一个模,定义析仪实时带宽内部将生成触发事件的条件集合。灵的率模触发器为可地检测和分析动态 RF 信号提供了一个强大的工具。它可以用来进传统频谱分析仪不可能完成测量,如在存在强大的 RF 信号时捕小电平瞬时事件如图 1-8 所示,在拥挤的频谱范围内检测定频率上的间歇性信号如图 1-9 所示。 实时频谱仪基础知识和操作指南 张鹏 V1.0 第 12 页 共 321 页图 1-10:频图示。图 1-11:时间相关的多个视图:功与频率关系图左和谱图右。 实频谱仪基础知和操作指南 张鹏 V1.0 第 13 页 共 321 页无缝获和频谱图一旦定义了实时触发条件,仪器准备开始采,RTSA 会检查输入信号,察指定的触发事件。在等这个事件发生时,信号会不断字化,域数据循通过先进先出捕获缓冲器,在累积新数据时,缓冲器会丢弃老数据。这使得分析仪在检测到触发事件时,够触前和触发后的数据保存到内存。如前几节所,这一过程可以无缝采集指定的块,其中信号用连续的时域样示。一旦这些数据存储在内存,它可以用不同显示画面进行处理和分析,如功率与频率关系、频谱图多域图。样数一直在随机访问的内存中提供,直到它被后续采集盖,另外它还可以保到 RTSA 的内置硬驱中。频谱图是一个重要的测量项目,它直观地显示了频率和幅度怎样随时间变化。 横轴表示传统频谱分析仪在功率与率关系上示的同频率围。在频谱图中,竖轴表示时间, 每幅度则用轨迹颜色表示。 “片” 频谱图与从一个时域数据帧中计算得出的一个谱相对应。图 1-10 显了动态号频谱图的概念图。图 1-11 是屏幕快照,显示了功率与频率关系及图 1-10 所示信的频谱图。在谱图上,最老的帧示在图的顶部,最的帧显示在的底部。这一测量显示频率随时间变化的 RF 信号,它还揭示了在时间尾附近出现和消失的小瞬时信号。由于据存储在内中,可以使标尺,“在时间上回滚动”频谱图。在图 1-11 中,标尺放在频谱的瞬事件上,这导致与某个时点相应的频谱显示在功与频率关系图上。时间相关的多域分析一旦已经采集并存储内存中,可以使用 RTSA 中提供的各种时间相关视图分析信号,如图 1-12 所。这对设备调试和信号检定应