正确理解频谱分析仪的技术指标

2008-05-26 00:21:58来源: EDN
  射频微波频谱分析仪甚至在原理上也是不简单的。将这两种频谱分析仪称为校正的超外差接收机仅能反映它们有什么功能及如何实现这些功能。如将它们称为频域示波器,则反映的内容就更少了。此外,如果只是走马观花地看一看这项技术,那你就会得出错误的结论:在过去十年里,射频和微波频谱分析仪没有多大变化。然而,在迅猛发展的无线技术领域,能够显示频率高达3GHz以上——常常达到7GHz,有时达到20GHz--信号的频谱分析仪事实上正在发生重大变化,其重要性也正在大大提高。

手持式频谱分析仪

  更糟糕的是,为某项任务选择最为合适的分析仪可能是个很大的难题,当你的上司不明白这一选择过程为什么不只是对一两份制造商产品说明书上的价格和一些参数进行比较而已时,尤其是这样。对于以下情况,有所了解的工程师不多,有所了解的经理就更少:频谱分析仪说明书常常隐藏着其没有给出的数据,产品说明书上最重要的信息可能是频谱分析仪制造商没有说出的关键内容。举例来说,作为最坏的情况,有些制造商仅仅提供其竞争对手给出的典型参数值。

  此外,测试条件对技术规范有极大的影响,而制造商却希望你认为技术规范与这些测试条件无关。附文《射频频谱分析仪的1dB增益压缩点》阐述了一份如此奇怪的技术规格。增益压缩可以量化一个你并不想测量其振幅和频率的干扰信号对你正在研究某个信号的已测振幅的影响。

  大多数供应商都懂得,如果你没有使用过打算购买的同一型号系列中的任何一种频谱分析仪,则你对该频谱分析仪的评价至少要花两个星期的时间,也许还会长达一个月。理想的做法是,你要将两件顶级备选产品的演示设备在实验室中挨个放置整整一个月。这样,你就可以在不仅相同的,而且还与你的应用相关的条件下将两者进行比较。在实践中,有时候会需要花一个月的时间才获得必要的设备,然后进行这样的评价。现代频谱分析仪设计中简化频谱分析仪的评估和使用,有些仪器中有自动设置功能,可用来进行各个标准化组织规定的适用于各种无线通讯协议的测试。(参考文献1)

  售后服务很重要

  你经常会发现,评估和使用频谱分析仪需要一些附件,例如分离器、定向耦合器等等。如果你没有这些必要的附件,或者制造商和销售商不能及时提供,则你所在地区内仪器制造商的现场工程师会将这些附件租借给你。

  你可能会认为,为这类客户服务的代价太高,这种服务方式本应在十年前就不复存在,或者说仅适用于最大的公司。然而,频谱分析仪的制造商认为售后服务好就会带来生意好,他们从未停止过这种服务。制造商已经将服务费用包括在产品的价格框架中。由于一家公司很可能购买不止一台频谱分析仪,但是仅需要对其第一台提供支持的概率很高,制造商就会有很多机会收回技术支持费用,或者向重购顾客提供具有吸引力的折扣。尽管便携式频谱分析仪的售价常常低于一万美元,有些手提式频谱分析仪的价格还要低得多,但高性能射频频谱分析仪(亦即宽带低噪声频谱分析仪)的售价往往相当昂贵。许多高档频谱分析仪的售价都在3万美元以上。


NI带宽为2

  用户对一台设备难以进行评估,这对被用户选中的制造商来说是有利的。产品复杂再加上反复向客户销售,就有可能既对客户有利又对制造商有利。在付出这么多的时间评估产品、弄明白如何利用产品独特功能和学会如何处理产品的故障之后,一位对服务感到满意的客户大概会再买所选中制造商的更多的产品。客户更换制造商则又要进行很大的投资和花费很长时间才能了解另一种复杂产品的优点。

  混频

  
频谱分析仪的工作原理被称为混频、外差或者变频式的。从根本上说,混频就是倍频,是一种固有非线性处理方法。频谱分析仪将输入信号(其频率为fIN——是fIN1~fIN2范围内任何频率的简写)和频率为fLO的可变频率LO(本机振荡器)的信号混合,产生一个频率为fIF的IF(中频)信号。通常,fLO=fIN+fIF,也就是说,本机振荡器的频率高于输入信号频率,但是采用fLO=fIN-fIF的设计也是可能的。一台经典的频谱分析仪对fLO进行扫描,所以在一个很短的时间段内,混频输出信号代表了fIN1~fIN2频段内的输入信号。然后,频谱分析仪对混频器输出信号的包络进行检波(除去输出信号中的fIF分量),并作为一个时间函数的包络显示出来,以便生成输入信号振幅是频率函数的曲线。

  频谱分析仪体系结构很复杂,大多是由混频的一个不可避免的特点造成的,即频率为fIF的混频输出信号不仅代表fLO-fIN频段的输入信号,而且也代表了fLO+fIN波段的输入信号。如果你试图一步就将一个频段,比如说30MHz~3GHz频段,变换成常用的10.7MHz中频,那本机振荡器的扫描范围可能为40.7~3010.7MHz(你的本机振荡器的扫描范围也可能为19.3~2989.3MHz)。如果你选择第一个方案,则混频输出信号不仅代表所需频段内的输入信号,而且也同时代表51.4~3021.4MHz频段内的输入信号。在任何时刻,混频输出信号都代表两个相隔21.4MHz(fIF·2)的输入信号之和——所需频率+称为映射的不需要频率(本例为较高的频率)。

  深入讨论下去,混频器输出信号从不代表仅仅一个(或仅仅两个)频率的输入信号;获得这样的输出信号意味着中频带宽为零。中频带宽,亦即频谱分析仪的RBW(分辩率带宽),总是大于零的。你可选择的最小RBW就是频谱分析仪的优值。然而,如果你刻意选择RBW为零,那么所有扫频频谱分析都需要无穷多的时间,因为一个零带宽的带通滤波器需要无穷多的时间来对它的输入信号变化作出反应。

  解决映频问题的一个办法是采用多次变频,频谱分析仪通常都有3个中频级。一个频率覆盖范围为30MHz~3GHz的频谱分析仪可能首先将输入信号频率变换为大于3GHz,这就使所有不需要的映频都高于频谱分析仪的输入频率范围,所以一个固定截止频率低通滤波器就可将它们滤除掉。如果第一个中频,比如说为3.4GHz,则本机振荡器的扫描范围为3.43~6.4GHz,映频频段的覆盖范围为6.83~9.8GHz。这样做的另一个好处是,减小了最高fLO对最低fLO的比值。在本例中,这一比值从大于6个倍频程(40 .7~3010.7GHz)减少到小于1个倍频程(3.43~6.4GHz)。

  把频域变换成时域

  
在扫频分析仪的输入端,整个仪器输入频率范围内各个频率的信号可能同时存在,然而,在混频器的输出端,这一频率范围就大大地缩小了,因为当扫描使扫频分析仪在有关频段内调谐时,这些信号——变换成接近fIF频率——不是同时存在,而是按时间顺序出现的。因此,在第一混频器之后,扫频分析仪就不需要非常宽的带宽,从而大大简化了扫频分析仪大部分电路的设计。另一方面,现代通讯信号的存在时间极其短暂,而且占空比很小,从而要求扫频分析仪能或多或少地连续扫描很宽的频段。

  现在已有这样的仪器。制造商们给它们起了各种各样的名字,其中包括信号分析仪,矢量信号分析仪,无线通讯分析仪。这类仪器全都大量采用DSP技术,而且愈来愈多的频谱分析仪都是如此。然而,一般来说,采用DSP技术的频谱分析仪和信号分析仪在规范和预计的应用上则大不相同。信号分析仪能以较快的速度捕获数据,能存储具有很长的数字化时域数据记录,能处理矢量(相位及幅度),并能对按照诸如60QAM(64级正交调幅)格式的数字调制的信号进行复杂分析。频谱分析仪通常比信号分析仪小巧、价格也低,但却具有大得多的动态范围。

  大多数基于DSP技术的频谱分析仪的框图至少在表面上是与使用传统模拟信号处理技术的频谱分析仪的框图很相似。与采用传统体系结构的频谱分析仪一样,基于DSP的频谱分析仪也大量使用模拟中频信号。然而,在最后一个混频器之后,你会发现除了高速高分辨率ADC和起数字滤波作用的DSP之外就没有模拟滤波器了。采用DSP的频谱分析仪的好处是,选择性提高了(RBW较窄),而且当你减小RBW时扫描速度降低较小。然而,Agilent公司最近宣布,其PSA系列基于DSP技术的频谱分析仪具有矢量调制分析功能。这些功能对于以前仅具有标量(大小)测量能力的频谱分析仪来说是一种重大的变革。

  这种普通的体系结构发生重大改革的日子也许不太远了。频谱分析仪可以不使用模拟混频器,而采用ADC作为混频器的一部分。取样率为64Ms/s(取样精度为14位)的ADC已经问世。如果在这样的ADC之前装一个合适的T/H (跟踪保持)放大器,你就可以根据需要的采样精度,故意降低取样率,对远高于ADC的32MHz奈奎斯特频率的通讯信号进行取样。假定你按这样的方式对已调制的200MHz载波进行取样。如果载波频率两侧的边带没有超过采取样频率的一半,又没有其它信号混入基带,那你就能获得这种调制的精确数字化拷贝。

  当然,大多数新型数字通讯系统的载波频率范围为2.35~5.8GHz,所以一个包括有一个对已调制的200MHz载波进行放大的T/H放大器的信号分析仪仍然不得不采用混频技术。然而,如今你用不着购买带宽大于200MHz、精度与14位分辨率ADC相当的T/H放大器。这样的T/H放大器虽然还未投入生产,但据说现在是可行的。如果这样的器件投放市场,它们将使体系结构发生变革,从而可从信号分析仪和采用DSP的频谱分析仪中去掉一个或几个变频级。

  信号分析仪模块化

  美国国家仪器公司(NI)最近宣布的一种模块化2.7GHz信号分析仪打破了此类仪器的诸多规则。PXI-5660(图1)不是一种高档仪器,而是两个3U高度的PXI模块——一个有3个插槽的变频器和一个具有16M字(32M字节)数字转换存储器的一个插槽的14位64Ms/s数字转换器。SFDR(无寄生信号的动态范围)为80 dB,但是你可以牺牲测量速度来达到更大的动态范围。NI公司声称,SFDR为80 dB的测量速度为SFDR相当的仪器级信号分析仪的200倍。

  这两个模块加起来仍远小于具有同样功能的仪器级信号分析仪,但不能组成一个完整的分析仪。两个模块可插入一个可装CPU模块、包括必要的电源和其它附加模块的PXI插件箱中。上万美元的基价包括两个模块、一个成套频谱测量软件工具包、调制分析数据和几个驱动器。虽然这个价格远低于仪器级信号分析仪的价格,但该模块化产品还要求另外购买插件箱、CPU、键盘、指针器和显示器。NI公司还建议你购买它的LabView或LabWindows CVI研发环境软件,因为你可能想开发自己的专门应用软件。

  前面有关扫描频谱分析仪的RBW和扫描速度之间折衷的讨论将提醒频谱分析仪以及相关仪器的买主和用户,注意这类产品设计有一个重要特点:如果没有实现体系结构上的改革,频谱分析仪设计师一般不可能在相互不影响的情况下提高某个特性或者技术规格。幸运的是,对频谱分析仪的需求不断增长——不仅体现在无线通讯系统的开发、部署和维护方面,而且也体现在EMI(电磁干扰)的测量和控制方面——正在引发这种体系结构上的改革。

  然而,频谱分析仪的制造厂商们指出,只要采取一种引人注目的改进措施,就不必改变仪器设计。用户常常可以通过仔细分析他们的应用来修改测试协议,以便在不牺牲测量精度的情况下缩短测试时间。一家制造商估计,用户提出的提高仪器测试速度的各种要求,其中几乎一半可用这样的改进措施来满足。这家制造商建议,在考虑购买附加的仪器之前,在生产测试中使用频谱分析仪的公司应拜访供应商的应用软件工程师,以调查研究这种改进的可能性。尽管制造商总是希望销售更多的仪器,但他们始终认为,帮助他们的客户更加有效地使用现有的仪器是保持用户对他们诚信度的一种重要手段。

关键字:射频  微波  无线  耦合  分离  检波  信号  混频  振荡器

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2008/0526/article_164.html
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