頻譜分析儀是射頻微波應(yīng)用領(lǐng)域常用的測(cè)試儀表，通過(guò)頻譜儀的測(cè)試，可以得到信號(hào)很多重要的性能參數(shù)，如信號(hào)頻率，信號(hào)功率，信號(hào)帶寬，雜散性能等。對(duì)于一個(gè)射頻工程師來(lái)講，能正確使用頻譜儀來(lái)測(cè)試和分析信號(hào)，也是個(gè)重要的技能喔!如果能正確使用儀表越來(lái)越豐富的技術(shù)功能，就可以實(shí)現(xiàn)工作事半功倍的效果，不能只做埋頭苦干的攻城獅，煎餅俠也要笑傲江湖!

現(xiàn)在我們就來(lái)了解下頻譜分析儀的來(lái)龍去脈和技術(shù)能力吧!頻譜分析儀簡(jiǎn)稱SA(Spectrum Analyzer),現(xiàn)在隨著技術(shù)的發(fā)展，SA的內(nèi)容又變成Signal Analyzer信號(hào)分析儀，這其實(shí)是意味著儀表功能一個(gè)巨大質(zhì)的提升!

無(wú)論如何變化，SA的基本功能就是測(cè)試信號(hào)的頻譜，頻譜測(cè)試的技術(shù)是如何變化的呢?

圖：頻譜測(cè)試的基本功能

第一代的頻譜分析儀完全采用模擬電路的處理方式，典型的代表就是HP/Agilent的E8563A頻譜分析儀。它采用模擬的掃頻的技術(shù)來(lái)完成頻譜測(cè)試，形象的比喻就是像一臺(tái)老式的收音機(jī)，收音機(jī)通過(guò)旋鈕調(diào)諧來(lái)對(duì)準(zhǔn)廣播的信號(hào)頻率，從而可以收聽到這個(gè)電臺(tái)的聲音。掃頻頻譜儀也是通過(guò)一個(gè)能自動(dòng)掃頻的振蕩器在設(shè)置的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，當(dāng)掃頻本振的頻率和被測(cè)信號(hào)頻率一樣時(shí)，儀表就顯示一條線來(lái)表示這個(gè)信號(hào)，這個(gè)線的高度代表信號(hào)的幅度，就像收音機(jī)輸出的音量一樣。當(dāng)然頻譜儀能掃描的范圍比收音機(jī)寬得多，也快的多，能在毫秒的時(shí)間內(nèi)掃頻26G頻率的范圍。

掃頻式方法是頻譜儀最早采用的技術(shù)，現(xiàn)在頻譜儀在進(jìn)行寬帶頻譜測(cè)試時(shí)還是采用這種方法。掃頻測(cè)試的最大缺點(diǎn)就是對(duì)瞬變信號(hào)沒有測(cè)試能力，就像收音機(jī)在收聽交通臺(tái)的時(shí)候不知道音樂(lè)臺(tái)在播放什么節(jié)目，掃頻頻譜儀只能定量測(cè)試穩(wěn)定或周期出現(xiàn)的信號(hào)。

矢量信號(hào)分析儀(VSA： vector signal analyzer)也是經(jīng)常聽到的一種測(cè)試儀表，其實(shí)VSA是隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的信號(hào)測(cè)試新技術(shù)，在頻譜測(cè)試中，采用FFT(快速傅里葉變換)來(lái)完成頻譜測(cè)試。FFT測(cè)試頻譜就像照相機(jī)拍照片，一下子就能獲得整副圖形，F(xiàn)FT能獲得分析帶寬內(nèi)整個(gè)的頻譜信息，而不需要通過(guò)掃描一點(diǎn)一點(diǎn)得到。從而可以大大提高頻譜測(cè)試的速度。還能大大提高頻譜測(cè)試時(shí)的性能，比如由于采用數(shù)字濾波來(lái)完成RBW的分辨濾波器，濾波器的矩形系數(shù)能大大降低，從而提高了頻譜分析儀測(cè)試的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率。

圖：數(shù)字濾波器對(duì)頻譜分析性能的提升

VSA(矢量信號(hào)分析儀)的技術(shù)核心是對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，所以很容易對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行更多功能的分析，其中最重要的就是信號(hào)解調(diào)，通過(guò)對(duì)信號(hào)的相位，頻率，幅度參數(shù)的提取和分析，提供信號(hào)的調(diào)制星座圖，給出EVM，相位誤差，頻率誤差等調(diào)制特性參數(shù)都是VSA的重要功能。

圖：VSA提供的信號(hào)解調(diào)功能

照相機(jī)兩次快門按下的中間間隙是無(wú)法拍照的，VSA在進(jìn)行連續(xù)兩次FFT的中間也無(wú)法進(jìn)行信號(hào)測(cè)試，這樣對(duì)出現(xiàn)在這個(gè)間隙中的信號(hào)就會(huì)丟失，從而無(wú)法捕捉到信號(hào)進(jìn)行分析。實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀(RTSA：Real time signal analyzer)的出現(xiàn)就解決了這個(gè)問(wèn)題，RTSA通過(guò)硬件來(lái)完成數(shù)字信號(hào)處理，大大提高信號(hào)處理的速度，就像把照相機(jī)升級(jí)到高速的攝像機(jī)，對(duì)目標(biāo)每個(gè)時(shí)刻的變化都能及時(shí)的捕捉。當(dāng)然這個(gè)能力也是有限度的，現(xiàn)在先進(jìn)的RTSA能對(duì)大約出現(xiàn)超過(guò)3ns的信號(hào)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和捕捉。Keysight的N9040B就是其中的典型代表，測(cè)試的頻率范圍也由之前的26G擴(kuò)展到110G或者更高的太赫茲頻段。

圖：Keysight N9040B寬帶實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀

利用RTSA能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的捕捉瞬變的信號(hào)，圖7為普通頻譜儀測(cè)試瞬變信號(hào)和RTSA測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，普通頻譜儀只能捕捉到瞬變信號(hào)變化過(guò)程中的頻率分量，無(wú)論是顯示的頻率還是幅度都和主信號(hào)的信息不符。而RTSA能準(zhǔn)確地顯示主信號(hào)的頻譜信息，當(dāng)然信號(hào)變化過(guò)程中帶來(lái)的其他頻率分量也能完整反映。

那你會(huì)問(wèn)，什么是瞬變信號(hào)?瞬變信號(hào)就是信號(hào)的頻率，功率等參數(shù)是變化的，而且是無(wú)規(guī)律的變化，最典型的瞬變信號(hào)就是常見的無(wú)線寬帶wifi信號(hào)，wifi設(shè)備發(fā)射的信號(hào)是一會(huì)有，一會(huì)沒有的突發(fā)信號(hào)，信號(hào)的頻率也是在頻段內(nèi)幾個(gè)頻點(diǎn)切換跳變。你可以使用任何一臺(tái)普通的頻譜儀設(shè)置到2.4G的頻率位置，就能看到這個(gè)不斷在跳舞的wifi信號(hào)了。

圖：實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀對(duì)瞬變信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)試

由于先進(jìn)的RTSA采用高速的ADC和FPGA硬件處理，儀表的分析帶寬和分析速度能保證儀表對(duì)復(fù)雜信號(hào)進(jìn)行分析。圖8的實(shí)例就是RTSA通過(guò)寬帶采集能完整測(cè)試寬頻段范圍的多個(gè)信號(hào)，并對(duì)不同載波的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和頻譜處理，全局信號(hào)分布和每個(gè)信號(hào)的細(xì)節(jié)參數(shù)測(cè)試同步完成，相信這樣的功能能幫助技術(shù)工程師更好、更快地完成信號(hào)的測(cè)試任務(wù)。

圖：寬帶RTSA完成多信號(hào)同步分析

審核編輯：湯梓紅