为发射器或组件测试选择合适的分析仪

2008-05-26 00:32:09来源: 今日电子 关键字:混频  放大器  通道  振荡器  相位  噪声  频率

  目前,市场上有许多可供选择的分析仪,有些具备非常特殊的专业用途,有些则提供了较多的通用射频测量能力;有些被称为频谱分析仪,有些则被称为信号分析仪。这些分析仪都是用来测量和显示信号频率与幅度之间的关系的。如何在众多型号的分析仪中选择合适的一款需要多方面的考虑,本文将为您解答在挑选市场上各种分析仪时所遇到的疑问,并帮助您做出正确的选购决定。

  性价比分析

  分析仪的价格部分取决于它的成本。如果设计分析仪时采用低成本的组件,那么它的价格可能是比较诱人的。但是,通常情况下它的性能就会十分有限。性能取决于什么呢?混频器、LO放大器、模/数转换器、FPGA/ASIC和微处理器的选择都会影响到产品最终的成本和性能。举例来说,单回路局部振荡器的设计成本通常是比较划算的,但是,它却可能产生较大的相位噪声失真,导致无效的测量结果。另外,如果单从成本的角度,那么,便宜的微处理器似乎非常吸引人,但是如果把分析仪中所有的DSP都换用这种微处理器来进行解调工作,那么频谱分析仪的运行速度将变得非常慢。

  下面给出了一些在保持成本的前提下提高产品性能的新方法,通过这些方法可以很好地控制产品价格。

● 是否采用扫描方式:许多传统的分析仪厂商仍然使用扫描式体系架构。尽管这种架构非常适合于微波和毫米波频谱的分析,但是许多新型的射频分析仪不再采用这种传统的扫描式系统,而采用信号处理测量技术实现了类似的(多数情况下更好的)测量功能。带有频谱分析功能的吉时利2810型矢量信号分析仪就是这类新型产品中极好的一个例子。

测量速度:当购买分析仪时,您可能会问测量数据是如何处理的,有的仪器为了快速产生测量结果而采用了多个处理器,有的分析仪则采用FPGA或ASIC来进行测量,主处理器仅处理常规事务,还有一些仪器仅仅使用一个微处理器来完成所有的工作。显而易见,虽然最后一种方案对厂商来说是最节约成本的,但是它在处理比较复杂的调制信号时速度将慢得让人无法忍受。吉时利的2810采用了基于DSP IQ测量引擎的独特高速架构,为业界提供了高性能的测量产品。

  频率范围

  没有必要购买那些频率范围超出您所需要的分析仪。分析仪的频率范围是其价格的主要决定因素之一。大多数分析仪的频率范围在2.5GHz、6GHz、13GHz和26GHz左右。高性能的分析仪频率通常能达到50GHz。如果只是对无线通信产品或者工作在ISM波段的产品(例如802.11b/g无线局域网设备)进行测试,那么最高频率低于3GHz的分析仪通常是最划算的。

  载波(CW)测量

  让我们看一看图1中一种简化的频谱分布情况。图中有两个信号:一个是载波,另一个是较小的干扰信号。载波有许多特性,包括幅值、频率、相位噪声和宽带噪声。幅值是由设备在特定的频率下发出的频谱能量。相位噪声(表现为信号的边带特性)体现的是信号的稳定或纯净程度。通常,产品的局部振荡器会对信号的相位噪声产生影响。例如:在图1的左边能观察到一个干扰信号,即寄生信号。该信号可能是由紧邻的大功率发射器所引起的,也可能是从系统的其他部分产生的,例如来源于微处理器的时钟。

图1  基本的信号特征

  幅值测量

  幅值测量的效果越好,结果就越可靠或可信。在选择分析仪时,我们不要局限于测量精度低于0.6dB或者频率低于3GHz的分析仪。

  噪声测量与低电平信号

  在测量噪声和/或低电平信号时,必须确保分析仪有前置放大器,而且还要考虑分析仪的测量架构。通常,分析低电平信号意味着要设定一个非常窄的信号范围。当在比较窄的范围内对多种分析仪的速度进行比较时,就会发现扫描式分析仪的速度是相当慢的,而采用了数字信号处理器的分析仪就不会出现这种问题。最后,您可能想在一定的带宽范围内给出噪声密度的测量结果。与其他分析仪只是将高斯成形滤波器的分辨带宽定义在3dB不同的是,吉时利的2810能够指定滤波器的噪声带宽,从而非常适合进行这种类型的测量。

  交调测量

  这种类型的测量主要测量的是特定的信号条件下分析仪或系统所产生的失真。通过图2我们可以看到仪器的激励是两个载波信号或双音信号。这个双音信号导致仪器产生失真,在频域内可以清楚地看到输入双音信号左右两边的两个失真产物。由于分析仪也是一个信号接收器,在其信号通路中包含有源器件,因此分析仪也可能会产生这种类型的失真,从而导致测量失效。验证信号完整性的一种简便方法是增加分析仪的衰减设置。如果在增加衰减时,信号幅值会减少,那么这个结果是由分析仪产生的;如果改变衰减值对信号幅值没有影响,那么测量就是有效的。当增加衰减值的时候,本底噪声电平也会增加同样大小的分贝值。这就是载波幅值在不同衰减水平下保持不变的原因。然而,本底噪声电平的增加可能意味着噪声信号掩盖了交调结果。

图2  双音信号(非线性放大器失真)


  为了获得最佳的测量性能,微调衰减步长非常重要。大幅度的衰减步长只能够对本底噪声电平进行10dBs的调整,这样会很快掩盖掉待测信号。

  在存在大信号的情况下对小信号进行测量是频谱分析仪的一个重要功能——这种性能特征也称为分析仪的动态量程。动态量程通常由三部分的组合来表示,即分析仪的三阶交调失真(如在前面讨论过的双音频测量)、仪器的本底噪声电平和相位噪声。一般来讲,对测试仪的动态量程直接进行比较是非常困难的,因为不同的制造商可能会分别针对仪器的本底噪声电平性能或失真性能进行优化。对不同分析仪的动态量程进行对比的一个简单方法就是检测分析仪的W-CDMA相邻信道功率。这种测量方法能够囊括上述所有的参数。

  调制信号

  到目前为止,我们只是讨论了载波(CW)信号。在测量已经经过调制的信号的时候,必须确保频谱/信号分析仪不仅能够测量信号的频谱,还能够衡量信号调制的质量。

  图3是频域内一个典型的数字调制数字信号示意图。这个信号采用了不固定功率包络的调制方式,因此其信号幅值是随着时间而变化的。分析仪必须实现的一种关键测量功能就是要能够给出这类信号的平均功率值,这通常需要指定一个确定的带宽。交调和相位噪声失真体现在信号的边带上。分析仪的相邻信道功率特征有助于量化待测设备的交调和相位噪声性能。

图3  调制信号

  现代分析仪有两大关键功能需求:对信号进行解调以及用某种指标(如EVM,误差矢量幅度)来衡量信号质量。在分析仪中实现这类测量的关键性能特征包括仪器的数字化带宽和相应的频率与相位响应。举例来说,吉时利的2810能够捕获并且数字化处理带宽高达35MHz的信号。对于主流的调制方式,如GSM和W-CDMA,分析仪通常内置了信号解调功能和信号质量衡量指标。即便如此,分析仪的选择也应考虑到适应通信技术发展的需要。图4给出了吉时利2810用作校准式IQ采集引擎的情况。在该测量配置方案中,2810捕捉待测设备的信号,将其转换为IQ校准数据对,并存储在容量为50×106次采样的内存中。同时该分析仪还提供了数据记录的导出功能,可以将这些数据导入到其他商业分析软件中,如Matlab。这种灵活性能够满足通信技术不断发展的测量需求。

图4  2810用作校准式IQ采集引擎

  分析仪的互连特性

  大多数现代分析仪都兼容LXI-C标准。LXI(LAN eXtension for Instrumentation,仪用扩展局域网)是在局域网上定义分析仪互连特性的一个标准。LXI标准有A、B、C 三个版本。C表示通过局域网来对分析仪进行控制,包含远程操作的Web服务。举例来说,如果您正在与世界上其他合作组织共享测量信息,您只需在网页浏览器中输入分析仪的IP地址,分析仪的显示器将出现在浏览器中。标准B和A仍然正在完善之中,它们提供了更多的高级测量功能,功能比标准C更强大。

  当然,现在大多数的分析仪仍然使用的是GPIB接口控制方案。在选择分析仪时,必须确保它能与以前使用GPIB接口的测试系统进行互连,同时还能够兼容未来的LXI C级标准。

  随着带LAN功能的分析仪的出现,Internet的安全和保障成了关键问题,特别是在大型企业系统中。举例来说,如果分析仪是基于Windows XP系统的,也就是说它具有一般PC的所有特性。当通过IT部门将其连入网络时,分析仪将像其他PC一样面临病毒和被攻击的威胁。因此,有些分析仪厂商转而选择Linux系统,但是这就影响了分析仪与基于Microsoft工具的互连性。吉时利的2810采用了Windows CE操作系统,这对于互连性和安全性是一个很好的折中。

  结论

  购买频谱或信号分析仪可能是一笔很大的投资,同时在市场中有多种分析仪可供选择。如果您在选购时认真考虑以下的问题,或许可以帮助做出正确的选择:

● 购买的预算是多少
● 测量对象的频率范围是多少
● 需要什么样的幅值精度
● 对动态量程的需求是多少(使用ACP进行快速交叉校验)
● 对相位噪声有什么样的要求
● 需要测量什么类型的信号,是载波信号还是已调制信号
● 是否需要解调功能;信号的带宽是多少
● 如何控制测试仪,远程还是手动

  如果预算没有限制,那么所有的问题都迎刃而解了。然而,如果想要确保投资获得最大收益,那么最好与分析仪销售代表一起来讨论选择能够满足需要和预算的、最合适的分析仪。

关键字:混频  放大器  通道  振荡器  相位  噪声  频率

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2008/0526/article_167.html
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