頻譜分析儀和矢量信號分析儀

頻譜分析儀(yi) 和矢量信號分析儀(yi)

在實驗室和車間zui常用的信號測試儀(yi) 器是電子示波器。人的思維對時間概念比較敏感,每時每刻都與(yu) 時域事件發生,但是信號往往以頻率形式出現,用示波器觀察zui簡單的調幅載波信號也不方便,往往顯示載波時看不清調製儀(yi) ,屏幕上獲得的是三條譜線,即載頻和在載頻左右的調製頻。調製方式越複雜,電子示波器越難顯示,頻譜分析器的表達能力強,頻譜分析儀(yi) 是名副其實的頻域儀(yi) 器的代表。溝通時間一頻率的數字表達方法就是傅裏葉變換,它把時間信號分解成正弦和餘(yu) 弦曲線的疊加,完成信號由時間域轉換到頻率域的過程。

　　早期的頻譜分析儀(yi) 實質上是一台掃頻接收機,輸入信號與(yu) 本地振蕩信號在混頻器變頻後,經過一組並聯的不同中心頻率的帶通濾波器,使輸入信號顯示在一組帶通濾波器限定的頻率軸上。顯然,由於(yu) 帶通濾波器由無源元件構成,頻譜分析器整體(ti) 上顯得很笨重,而且頻率分辨率不高。既然傅裏葉變換可把輸入信號分解成分立的頻率分量,同樣可起著濾波器類似的作用,借助快速傅裏葉變換電路代替低通濾波器,使頻譜分析儀(yi) 的構成簡化,分辨率增高,測量時間縮短,掃頻範圍擴大,這就是現代頻譜分析儀(yi) 的優(you) 點了。

　　矢量信號分析儀(yi) 是在預定,頻率範圍內(nei) 自動測量電路增益與(yu) 相應的儀(yi) 器,它有內(nei) 部的掃頻頻率源或可控製的外部信號源。其功能是測量對輸入該掃頻信號的被測電路的增益與(yu) 相位,因而它的電路結構與(yu) 頻譜分析儀(yi) 相似。頻譜分析儀(yi) 需要測量未知的和任意的輸入頻率,矢量信號分析儀(yi) 則隻測量自身的或受控的已知頻率;頻譜分析儀(yi) 隻測量輸入信號的幅度（標量儀(yi) 器）,矢量信號分析儀(yi) 則測量輸入信號的幅度和相位（矢量儀(yi) 器）。由此可見,矢量信號分析儀(yi) 的電路結構比頻譜分析儀(yi) 複雜,價(jia) 位也較高。現代的矢量信號分析儀(yi) 也采用快速傅裏葉變換,以下介紹它們(men) 的異同。

　　頻譜分析議和FFT頒譜分析議

　　傳(chuan) 統的頻譜分析儀(yi) 的電路是在一定帶寬內(nei) 可調諧的接收機,輸入信號經下變頻後由低通濾器輸出,濾波輸出作為(wei) 垂直分量,頻率作為(wei) 水平分量,在示波器屏幕上繪出坐標圖,就是輸入信號的頻譜圖。由於(yu) 變頻器可以達到很寬的頻率,例如30Hz-30GHz,與(yu) 外部混頻器配合,可擴展到100GHz以上,頻譜分析儀(yi) 是頻率覆蓋zui寬的測量儀(yi) 器之一。無論測量連續信號或調製信號,頻譜分析儀(yi) 都是很理想的測量工具。

　　但是,傳(chuan) 統的頻譜分析儀(yi) 也有明顯的缺點,首先,它隻適於(yu) 測量穩態信號,不適宜測量瞬態事件;第二,它隻能測量頻率的幅度,缺少相位信息,因此屬於(yu) 標量儀(yi) 器而不是矢量儀(yi) 器;第三,它需要多種低頻帶通濾波器,獲得的測量結果要花費較長的時間,因此被視為(wei) 非實時儀(yi) 器。

　　既然通過傅裏葉運算可以將被測信號分解成分立的頻率分量,達到與(yu) 傳(chuan) 統頻譜分析儀(yi) 同樣的結果,出現基於(yu) 快速傅裏葉變換（F盯）的頻譜分析儀(yi) 。這種新型的頻譜分析儀(yi) 采用數字方法直接由模擬/數字轉換器（ADC）對輸入信號取樣,再經FFT處理後獲得頻譜分布圖。據此可知,這種頻譜分析儀(yi) 亦稱為(wei) 實時頻譜分析儀(yi) ,它的頻率範圍受到ADC采集速率和FFT運算速度的限製。

　　為(wei) 獲得良好的儀(yi) 器線,性度和高分辨率,對信號進行數據采集的ADC需要12位-16位的分辨率,按取樣原理可知,ADC的取樣率zui少等於(yu) 輸入信號zui高頻率的兩(liang) 倍,亦即頻率上限是100MHz的實時頻譜分析儀(yi) 需要ADC有200MS/S的取樣率。

　　目前半導體(ti) 工藝水平可製成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC,亦即,原理上儀(yi) 器可達到2GHz的帶寬,此時垂直分辨率隻有8位（256級）,顯然8位分辨率過低,因此,實時頻譜分析儀(yi) 適用於(yu) 製MHz帶寬以下的頻段,此時具有12位（物96級）以上的分辨率。為(wei) 了擴展頻率上限,可在ADC前端增加下變頻器,本振采用直接數字事成的振蕩器,這種混合式的頻譜分析儀(yi) 適合在幾GHz以下的頻段使用。

　　FFT的性能用取樣點數和取樣率來表征,例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點,則zui高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點數為(wei) 2048點,則分辨率提高到25Hz。由此可知,zui高輸人頻率取決(jue) 於(yu) 取樣率,分辨率取決(jue) 於(yu) 取樣點數。FFT運算時間與(yu) 取樣,點數成對數關(guan) 係,頻譜分析儀(yi) 需要高頻率、高分辨率和高速運算時,要選用高速的FFT硬件,或者相應的數字信號處理器（DSP）芯片。例如,10MHz輸入頻率的1024點的運算時間80μs,而10KHz的1024點的運算時間變為(wei) 64ms,1KHz的1024點的運算時間增加至640ms。當運算時間超過200ms時,屏幕的反應變慢,不適於(yu) 眼睛的觀察,補救辦法是減少取樣點數,使運算時間降低至200ms以下。

　　矢量網絡分析儀(yi)

　　對於(yu) 頻譜分析和電磁幹擾測量來說,頻譜分析儀(yi) 是通信測量儀(yi) 器中常用的設備,由於(yu) 具有大於(yu) 1∞dB的動態範圍、低於(yu) -110dBc/Hz的噪聲、1Hz-100Hz的帶寬、50GHz以上的頻率範圍,能夠接收到極微弱的信號和分辨出兩(liang) 個(ge) 幅度相差很大的信號。頻譜分析儀(yi) 的缺點是隻能顯示頻率分量的幅值,而不能獲得信號的相位。對於(yu) 某些通信元器件和通信鏈路,幅值和相位必須能夠同時測量出來,前者如放大器和振蕩器,後者是*代至第三代的移動通信。

　　前麵曾提及,為(wei) 了擴大基於(yu) FFT的頻譜分析儀(yi) 的頻率範圍,可在前端增加下變頻器。同樣原理可用於(yu) 矢量信號分析儀(yi) ,它是傳(chuan) 統頻譜分析儀(yi) 與(yu) F阿分析儀(yi) 的結合,從(cong) 而獲得在高頻和射頻頻率下的FFT分析能力,同時顯示幅度和相位信息。對於(yu) 現代通信的數字調製分析,以及調幅/調頻/調相的解調都是非常有效的手段。

　　頻譜分析儀(yi) 的變頻前端擴展儀(yi) 器到GHz的頻段,經變頻後的輸入信號頻率變成適於(yu) FFr處理的頻段,電路中的濾波器與(yu) 頻譜分析儀(yi) 的濾波器不同,這裏的濾波器不是選擇性的,而防止ADC變換過程產(chan) 生的信號混疊,即變換過程中出現的虛假信號。ADC的輸出分成兩(liang) 路,獲得同相和正交信號,經DSP作時間一頻率的F町運算後由顯示屏獲得頻譜的幅度和相位。

　　目前儀(yi) 器公司供應的矢量信號分析器的頻率範圍可達3GHz,測量對象是複雜的移動通信常用頻段的調製信號,如GSM、CDMA的基帶特性和載波特性。矢量信號分析儀(yi) 的測量模式有:標量、矢量、數字解調和門控測量。觸發可由基帶輸人信號或由中頻信號調節,包括觸發電平和相位。掃頻方式有單次和連續,對測量數據可多次平均,並用有效值（RMS）、峰值保持和指數坐標指示。

　　一種新型的矢量信號分析器的重要特性是:頻率範圍—DC~2.7GHz;基帶帶寬—40MHz;中頻帶寬—36MHz;率分辨率—0.001Hz時基準確度—0.2ppm/年;相位噪聲—97dBc/Hz（載波偏移100Hz）,-122dBc/Hz（載波偏移1khz）幅度範 圍45~+20dBm；幅度準確度—±2dB;三階互調失真—70dB。應用領域是衛星通信、擴頻跳頻通信、點到點通信、以及頻率監控和搜索。以移動通信的碼分多址（CDMA）來說,利用配套的分析軟件,可以獲得:

　　
·發射機的平均載波功率 　　
·功率隨時間的變化 　　
·相位和頻率誤差 　　
·鄰近信道功率比 　　
·偽(wei) 隨機噪聲序列的調製精度 　　
·近距離寄發生發射頻率 　　
·頻譜測量和波形測量

　　在無線基站或的產(chan) 品開發和產(chan) 品檢驗中,矢量信號分析儀(yi) 可按多種工業(ye) 標準,對GSM、CDMA等的發射機和進行嚴(yan) 格的精度和動態範圍測量。在CDMA等通信產(chan) 品生產(chan) 中,隻利用連續測量是不夠的,利用數字調製信號可方便地測出輸出功率和失真等重要參數。

　　矢量信號分析儀(yi) 采用Windows平台,容易通過外接微機進行數據處理和交換,Windows平台便於(yu) 性能升級和利用其他工程設計工具,熟識的圖形界麵可縮短學習(xi) 時間,留出更多的時間進行測量和應用各種設計及測試工具。

數字存儲(chu) 示波器的頻譜測量

　　數字存儲(chu) 示波器（DSO）的前端就是ADC變換,因而同樣具有頻譜分析能力,通過標準或選購的FFT模塊獲得頻譜分析特性。應該指出,DSO主要特點是時域測量,帶寬100MHz的產(chan) 品具有10位以上的垂直分辨率,帶寬500MHz的產(chan) 品隻有8位的分辨率,亦即在分辨率上低於(yu) 頻譜分析儀(yi) 的12位-16位。DSO的前置放大器和衰減器引人瞬態失真,容易在頻譜圖上表現為(wei) 低電平的譜波噪聲。

　　特別是高頻數字在存儲(chu) 示波器,它采用交疊的ADC來提高取樣率,例如每塊ADC的取樣率是1Gs/s,兩(liang) 塊疊加起來獲得2Gs/s的取樣率。這是簡便的提高有效帶寬的辦法,但用於(yu) 頻譜顯示時,各ADC的線性度、增益、頻率響應和取樣定時稍有差別,都會(hui) 在取樣時鍾脈衝(chong) 交疊取樣過程中引人頻譜失真,相當多了一組Fs/N的取樣脈衝(chong) ,這裏且是基本取樣頻率,N是交疊的ADC數。這種電路自身產(chan) 生的混疊信號不容易用濾波器消除,用DS0測量高頻信號時要非常小心在頻譜圖上出現的混疊信息。例如,利用上述兩(liang) 塊取樣率1Gs/s ADC構成的DSO來觀察l00MHz正弦波時,會(hui) 在900、1100MHz附近出現虛假信號。由此可見,DSO觀察時域信號是的儀(yi) 器,由於(yu) 頻域變換後往往出現虛假信號,測量頻譜特性時一定要注意“去偽(wei) 存真”。

　　小結

　　頻譜分析儀(yi) 的頻率範圍zui寬,靈敏度高,非常適於(yu) 通信設備和鏈路的頻率分布測量,缺點是隻能獲得輸入信號的幅值。矢量信號分析儀(yi) 頻率範圍較低,利用FFT的特點能夠同時獲得幅度和相位,特別地*、二、三代移動通信,包括蜂窩、GSM和CDMA設備的測量。