频谱分析仪使用攻略

2016-07-25 10:42:41来源: mwrf
  国内频谱分析仪市场


  频谱分析仪简称频谱仪,是用来显示频域信号幅度的仪器,在射频领域有“射频万用表”的美称。在射频领域,传统的万用表已经不能有效测量信号的幅度,示波器测量频率很高的信号也比较困难,而这正是频谱分析仪的强项。

  频谱仪与示波器属于两种类型的仪器,示波器主要显示时域信号幅度的变化,而频谱仪显示的是频域信号幅度的变化。对于研究射频的工程师和爱好者,频谱仪是工作的好帮手,它可以形象地展示一定频率范围内信号的幅度,可以据此发现信号的存在和不同类型信号的特征。随着科技的发展,频谱仪也从传统的模拟线路进化到数字化频谱仪,被赋予更多的功能,以适应不断出现的复杂信号。


  应用与意义

  频谱分析仪在射频领域应用非常广泛。频谱仪最基本的作用就是发现和测量信号的幅度。频谱仪可以以图示化的方式显示设定频率范围内的射频信号,信号越强,频谱仪显示的幅度也越大。通过这种特性,频谱仪被用来搜索和发现一定频段内的射频信号,广泛应用在监测电磁环境、无线电频谱监测、电子产品电磁兼容测量、无线电发射机发射特性、信号源输出信号品质、反无线窃听器等领域。频谱仪可以测量射频信号的多种特征参数,包括频率、选频功率、带宽、邻道功率、调制波形、场强等。在射频信号的频率测量方面,虽然频率计是专业的设备,但遇到时分多址的信号(GSM移动电话、IDEN、TETRA的信号)、跳频的信号、宽带的信号,普通频率计无法准确计数,功率计无法及时测量,而频谱仪由于基于高速的信号捕捉,则可以有机会测量这些信号。针对这些常见的不稳定信号,很多中高档频谱仪还在测量软件上做了优化,提供专用的自动测量工具。

  由于频谱仪具有图示化射频信号的能力,频谱图可以帮助我们了解信号的特性和类型,有助于最终了解信号的调制方式和发射机的类型。在军事领域,频谱仪在电子对抗和频谱监测中被广泛应用,不同类型的雷达信号、通信电台信号、应答机信号、“敌我”识别器信号都有各自不同特征的频谱图。在民用无线电管理领域,通过频谱图,我们可以及时发现非法使用的频率,这比传统扫描监听的效率要高得多。在不明干扰源的定位中,频谱图有助于判断干扰信号的类型,并推断出产生干扰信号的可能设备,以缩小排查范围。频谱仪还是一部很好的场强仪,具有比较大的动态,一些具有自动测量功能的频谱仪可以方便地读出目标信号的场强数值,同时可以显示目标频率周边的情况。实际应用中,有很多手持频谱仪就替代了场强仪。

  有的频谱仪内置跟踪信号源,或者支持外接跟踪信号源,频谱仪与跟踪信号源配合使用,可以显示双端口网络的频幅特性,扩展了频谱仪的用途。该功能类似扫频仪和标量网络分析仪的主要功能,比普通老式扫频仪的精度要高得多,可以应用于滤波器的调校。如果频谱仪与跟踪源配合驻波电桥,还能直接图示化显示天线的匹配情况,具有天线分析仪的部分功能。


  发展历程

  频谱分析仪从发明以来,经历了模拟线路频谱仪、单片机程控频谱仪、电脑数字化频谱仪的发展历程。随着集成电路和微处理器电路的迅猛发展以及对信号测量要求的提高,频谱仪的工作频率不断提高,精度不断提升,体积和重量不断缩减。从早期巨大笨重的台式频谱仪,发展到广泛使用的便携式频谱仪,以及近年来现场应用越来越多的手持式频谱仪,频谱仪正向着数字化、高精度化、小型化发展。

  老式的频谱仪为纯电路结构,早期的产品采用与示波器一样的示波管进行显示,通过快速扫描的接收机来形成频谱图。这类频谱仪基本没有自动测量功能,测量信号幅度靠人工对照示波管刻度进行数数,功能单一,只具有频谱仪基本的频率扫描和幅度显示功能,且精度很低。目前在主流应用中已基本淘汰。

  单片机程控频谱仪是通过单片机微处理器来控制的频谱仪,虽然从外观上看,最早期的数字频谱仪依然采用示波管显示,但增加了字符发生器电路,在仪器屏幕上可以看到一些设置信息,并具有了一些自动测量功能。随后,高性能的微处理器和频率合成器电路相继被引入,使得频谱仪的工作精度、分辨率和程控化水平得到显着提高。显示屏由示波管发展为CRT管,显示的频谱图是通过微处理器计算后形成的,并增加了很多数控和自动测量功能,屏幕上显示的信息一下子多了很多,频谱仪的分辨率显着提高到1kHz的水平,部分高端产品达到了1Hz级别。

  现代的数字化频谱仪除了射频信号处理单元,其余部分基本都数字化了。很多附加的专项测量功能,如TETRA信号测量、GSM信号测量,都能以软件开通形式添加,显示屏改为彩色液晶显示,并且进一步缩减了频谱仪的体积和重量,扫描速度进一步提高,背景噪声和相位噪声也得到了进一步控制,频谱仪的性能提高到一个新的水平,这更有利于对微小信号的测量。

  此外,新结构体系的实时频谱仪也全新登场,更有利于对遂发的信号进行捕捉。

  传统的频谱仪一贯比较笨重,比同年代的示波器重得多。很多大型台式频谱仪两个人都很难抬得动,即便是后期的HP8563E(CRT管型)之类,属于便携型的频谱仪,也有20kg重。随着液晶屏替代CRT显像管,以及仪器内部线路的进一步集成化,频谱仪的重量也有所减轻,如E4403B,重量在15kg左右。新一代的手持频谱仪成为现场检测中轻便灵巧的工具,新的N9340B装上电池的重量只有3.5kg左右,Rohde&Schwarz的 FSH3仅重2.5kg.

  性能与指标

  标志频谱分析仪性能和特性的主要指标有工作频率范围、分辨率带宽、频率扫宽、动态范围、扫描速度、端口阻抗、平均噪声电平、相位噪声、绝对幅度精度。

  频谱分析仪的工作频率范围是指频谱仪最高工作频率和最低工作频率,标志着频谱仪可以显示频谱的最大范围。在射频应用中,用户往往更关心频谱仪的最高工作频率,这使其成为用户关心频谱仪性能的第一指标。

  随着2.4GHz和5.8GHz频段应用的增多,通信信号使用频率不断提高,对频谱仪最高工作频率的要求也不断提升。早期的常规频谱仪工作频率最高在 1~2GHz,当时看上去已经很高了,而现在的频谱仪基本上都是从3GHz起步,工作频率高的可以达到50GHz,很多实验室都将40GHz的频谱仪作为标准配置。对于一些频率很低信号的应用也有对应专用的低频频谱分析仪,工作频率在10mHz~100kHz.

  频谱分析仪的档次不仅仅取决于工作频率范围,信号显示的品质高低更关系到分辨率、带宽、频率扫宽、动态范围、扫描速度、平均噪声电平、相位噪声、绝对幅度精度等指标。分辨率、带宽与频谱仪对信号的解析能力有关,对于一些窄带信号,使用高分辨率更容易展现信号的特征。通常,高档的频谱仪分辨率基本可以做到 1Hz水平,中档产品在100Hz~1kHz水平。高动态的频谱仪有利于信号的显示,并可以减小信号的失真,特别适合大小信号并存的情况。

  频谱仪的扫描速度与仪器硬件处理性能有关,扫描速度关系到信号显示的实时性。绝大部分的频谱仪都属于扫频型构架,高扫描速度带来高刷新率,这对于捕捉偶发的信号更为有利。高速扫描处理能力使得用户有机会设置、使用更大的扫描带宽和更精细的分辨率,同时频谱图刷新不至于太慢。对于需要检测微小信号的应用,就需要低噪声的频谱仪,这对仪器的放大器电路和频率合成器以及基准都提出了很高的要求。对于很多小信号的测量,并不是只需加个放大器那么简单。

  作为附加和扩展功能,硬件上主要有跟踪发生器、前置放大器、中频输出、通信端口。跟踪发生器主要是用来配合频谱仪显示两端口网络的频幅特性,前置放大器主要用来显示微小信号,多用在EMC/EMI中。在软件上,主要是授权一些功能的开放和附加测量功能的软件。

  此外,频谱分析仪还有一个“近亲”--“信号分析仪(signal analyzer)”.通常,信号分析仪与频谱仪同宗同源,但具有更高的参数指标,更适合测量特定的复杂信号。

  在同等级技术水平下,台式频谱仪的性能无疑是最好的。目前高性能的频谱仪和信号分析仪体积和重量虽有改善,但都还是很大,其提供的一流性能主要适合对复杂和瞬时信号进行精密分析和对新型数字信号进行测量。便携式频谱仪一般可以视为通用频谱仪,提供主流的性能,适合常规传统应用。手持式频谱仪提供尚可的性能,适合现场的快速检测和高移动性要求。

  在业余电台中的典型应用

  测量发射机的发射频谱和带外辐射是频谱仪在业余电台中的典型应用之一。

  理想的发射机发出的射频信号应该仅为工作频率的信号,但实际上,由于电子电路的一些特性,发射机在输出主射频信号的同时还会输出一些谐波,典型的情况就是会在工作频率的整数倍频上出现谐波发射。例如,一部工作在7.050MHz发射的电台,多多少少会在2倍频14.100MHz、3倍频21.150MHz 等倍数频率上发射。有兴趣的爱好者可以做一个简单的试验,用一部对讲机在145MHz上发射,同时在很近的距离用另一部对讲机在435MHz频率上接收(正好是2m波段对讲机工作频率的3倍),一定会听到145MHz对讲机发出的声音,这就说明存在倍频谐波发射。谐波的发射如果不加以控制,会无意中干扰其他的通信和电子设备工作,所以发射机在功率放大器的后级都设有低通滤波器,以尽量抑制高次谐波的输出。

  国家对无线电设备的带外发射有严格的规定,杂波散射也是无线电管理局对发射机强检的必然项目。实际设备使用中,由于设备故障或者滤波器元器件老化等原因,都会引起发射机杂波增大。频谱仪是检测带外发射的利器,通过频谱仪的搜索功能可以检测到发射机的带外发射点以及每个发射点的输出幅度。对于自制发射机和功率放大器的业余电台爱好者,通过频谱仪,能有效调整末级滤波器,将带外辐射抑制到最小,同时将对主通信信号的影响降到最低。另外,在HAM自制电台时,频谱仪还能很方便地观察频率合成器输出信号的纯度。

  有些具备跟踪信号发生器的频谱仪能够测量两端口网络的频幅特性,被很多业余电台爱好者视为调整带通滤波器和中继台双工器的理想工具(当然,使用矢量网络分析仪更好)。如果配合驻波电桥使用,频谱仪可以以图形曲线的方式显示出天线的频幅特性,这对制作天线十分有利。HAM可以借此迅速直观地了解DIY天线的匹配情况和带宽并加以修正,使用起来比单一驻波比表要方便多了。

  实战操作

  下文以业余无线电爱好者使用比较多的 Agilent ESA-L系列频谱仪为例,介绍一下其简单的设置和使用。该款频谱仪属于目前国内市场上数字频谱仪的典型产品。

  Agilent ESA-L系列频谱仪为典型新型数字化频谱仪,继承了HP频谱仪操作界面。

  第一步,开机预热。E4403具有很强大的自动测量功能,可以显示频率和信号幅度。频谱仪外接功率衰减器,衰减量可以事先输入频谱仪,这样频谱仪在自动测量信号幅度时会自动加入运算,省得用户自己再做加减法。

  第二步,设定中心频率,在E4403控制面板左上角按下“FREQUENCY”长条状按键,通过数字键盘直接输入频率数据即可。E4403频率设置有两种方式,一种是设置中心频率,另一种是设置扫描起始频率和结束频率,通过屏幕边上的软键可以选择。

  第三步,设置扫描宽度,按下控制面板左上角“SPAN”长条状按键,然后直接输入扫描带宽即可。系统会自动选择适合的RBW和VBW分辨率,如果用户有特殊需求,也可以手动设定RBW/VBW.

  第四步,设定参考电平幅度。按下控制面板左上角的“AMPLITUDE”长条状按键,然后输入参考电平(也可以使用控制面板上的飞梭调节),通过参考电平调节使得信号在频谱图上有较好的显示。

  E4403的详细设定非常复杂,上面提到的只是最简单的基础设定。有时,做一些高级设定时会出现仪器表现异常的情况,此时可以按控制面板右上角的绿色 “Preset”键恢复基本设定状态,然后重新操作。

  频谱仪输入端口的功率比较小,一般最高输入功率不超过1W(30dBm),所以遇到像对讲机、短波电台等大功率信号时,需要使用衰减器来将信号等比缩减后再输入频谱仪。最容易损坏频谱仪的误操作就是将功率过大的信号直接输入频谱仪,导致频谱仪内部衰减器损坏。要知道中高档频谱仪价格昂贵,维修费用也非常高昂。对将频谱仪用于对讲机和小型短波电台维修检测的用户,建议在频谱仪输入端口前串联一个30~40dB的功率型衰减器。

  为了有利于信号细节的显示和发现信号,尽量使用较小的扫描带宽和较高的分辨率(RBW和VBW)。合理配置外部衰减器,使进入频谱仪的信号幅度适当,因为较大的信号进入频谱仪容易引起显示失真。善用数字频谱仪的“MARKER”功能和测量功能,自动测量的数据会比传统“数格子”精确得多,也高效得多。例如,检测对讲机的高次谐波就可以充分利用频谱仪的ΔMARKER、CFSTEP功能和search功能。对于测量快速跳变不稳定的信号,如TDMA类型的信号,可以充分利用频谱仪“MAXHOLD(最大值保持)”功能捕捉出现的信号。


  Tektronix实时频谱仪RSA6000系列


  国内频谱分析仪市场

  国际市场上最有名的频谱仪品牌是Agilent(以前为HP品牌)、Rohde&Schwarz、Tektronix.此外,日本的 ANRITSU频谱仪性能也很不错。Agilent和Rohde&Schwarz是国内科研高端和主流商用选用最多的频谱仪品牌,它们作为国际顶级射频仪器厂商,都提供了丰富的产品线,既包括经济型的产品,也提供世界最顶尖科技的杰作。Agilent ESA-L和R&SFSL提供了经济型轻便的频谱仪,适合生产线和教育机构批量使用以及移动使用。尽管是经济型产品,但其综合性能也达到了很高的水平,是大部分国货难以匹敌的。Agilent ESA-E和R&S FSP提供中档频谱仪的性能,满足商用企业和产品开发的主流要求,而且对于这类用户价格并不是高不可攀。Agilent PSA和R&S FSU系列提供了高端频谱仪的卓越性能,很多指标可以与一些信号分析仪媲美,适合作为科研和国防航天等尖端领域应用。Rohde&Schwarz 的高端FSV和FSG系列信号分析仪提供了无与伦比的性能,特别对热门的WCDMA/HSPA、LTE、WiMAX、WLAN信号提供针对性的测量软件支持。在手持频谱仪方面,Rohde&Schwarz、Tektronix以及Agilent先后都推出了手持频谱仪产品。目前,国内市场上 Rohde&Schwarz和Tektronix的FSH系列和YBT系列覆盖较多,广泛应用于流动性很强的现场检测和无线电监测领域。

  实时频谱仪是频谱仪的新构架,其相对传统扫频式频谱仪有很多优势,几乎不会遗漏时间极短的瞬态信号,对快速跳变信号的显示与测量尤为适用,Tektronix就在大力推广其实时频谱仪。

  实时频谱仪是一个技术发展新方向,Rohde&Schwarz也推出了自己的实时频谱仪FSVR,提供了40MHz的实时带宽。ANRITSU频谱仪虽为日本产品,但同样提供了世界主流产品的性能,并在价格方面有一定优势。ANRITSU的MS2711D是较早面世的手持式频谱仪,也曾经是应用最广泛的现场检测手持设备。ANRITSU现在主打的MS2723/2724可以跻身国际顶级手持频谱仪的行列。

  国产频谱仪方面,安泰信提供了AT5000系列低端频谱仪,用户可以以非常低廉的价格获得初级性能的频谱仪产品,满足初级应用的基本需要。近期,以示波器在国内闻名的“普源”也推出了频谱分析仪产品,RIGOL以中档频谱仪应用领域为切入点,提供性能不错的RSA1030A频谱仪,在性价比方面,可以与洋品牌产品一较高下,也体现出普源在仪器领域的制造实力。中国电子科技集团第41所推出的频谱仪和信号分析仪在国内具有领先水平,尤其在一些高工作频率的频谱仪上具有相当的优势,已经有了40GHz的产品。41所的频谱仪产品系列比较多,包括有多种型号的手持式频谱仪,有些产品在功能上已经与洋品牌产品不相上下,可见国内科研院所在仪器制造方面具有深厚的底蕴。

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编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016072516315.html
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