頻譜儀or 示波器?

射頻信號(hào)分析儀器到底怎么選？這可能是射頻工程師最頭疼的問(wèn)題了

示波器與信號(hào)與頻譜分析儀在頻域分析性能上各有所長(zhǎng)，功能也各有重疊。信號(hào)與頻譜分析儀在靈敏度等技術(shù)指標(biāo)上更勝一籌，示波器在實(shí)時(shí)帶寬上更為出色，現(xiàn)今的實(shí)時(shí)示波器所具有的帶寬使其能夠直接采集微波甚至毫米波 (mmWave) 信號(hào)，為射頻工程師開(kāi)啟全新可能。

因此，在測(cè)量不同類(lèi)型的射頻信號(hào)時(shí)，需要根據(jù)特定的測(cè)試需求和兩種儀器的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行具體分析。

下面我們將重點(diǎn)討論兩種儀器之間的差異，并通過(guò)一些具體應(yīng)用展示這兩種儀器是如何理想滿足相關(guān)測(cè)量的典型要求的。

信號(hào)與頻譜分析儀

信號(hào)與頻譜分析儀覆蓋的頻率范圍高達(dá)85 GHz及以上，可應(yīng)用于無(wú)線、蜂窩或衛(wèi)星通訊、雷達(dá)或物聯(lián)網(wǎng)的大部分應(yīng)用的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、安裝和維護(hù)活動(dòng)。對(duì)于這些應(yīng)用，顯示平均噪聲電平 (DANL)、動(dòng)態(tài)范圍和頻率范圍等參數(shù)以及其他有關(guān)功能和測(cè)量速度的嚴(yán)格要求顯得尤為重要。此外，信號(hào)與頻譜分析儀還用于進(jìn)行時(shí)域測(cè)量，例如測(cè)量時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)輸出功率隨時(shí)間的變化。

支持寬帶頻譜

信號(hào)與頻譜分析儀可顯示選定分辨率帶寬下電平與頻率的關(guān)系，用于測(cè)量信號(hào)電平或帶寬等基本信號(hào)參數(shù)。通過(guò)屏幕上顯示的信號(hào)形狀可以估算更多參數(shù)，例如濾波器設(shè)置或頻率響應(yīng)。

頻譜中的其他測(cè)量包括雜散發(fā)射檢測(cè)、信噪比 (SNR) 測(cè)量或多余雜散發(fā)射檢測(cè)。信號(hào)與頻譜分析儀具有頻率選擇性，即一次僅考慮部分頻譜。這種特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍，在強(qiáng)載波信號(hào)附近甚至可以顯示非常小的信號(hào)。

使用R&S的FSW等現(xiàn)代信號(hào)與頻譜分析儀，可以在單次測(cè)量中測(cè)量和顯示從2 Hz到85  GHz的整個(gè)頻譜。借助外部混頻器，還可將顯示的頻率范圍擴(kuò)增數(shù)百GHz。

確保一致性

多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求進(jìn)行頻譜測(cè)量以確保一致性。在移動(dòng)無(wú)線電應(yīng)用中，將執(zhí)行鄰道功率比 (ACLR)、頻譜發(fā)射模板 (SEM)、大頻率范圍的雜散發(fā)射等測(cè)量，這些測(cè)量需要在強(qiáng)信號(hào)附近測(cè)量非常小的電平。信號(hào)與頻譜分析儀是首選的測(cè)量設(shè)備，因?yàn)轭l率選擇性能夠滿足這些標(biāo)準(zhǔn)所要求實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍。

使用信號(hào)與頻譜分析儀測(cè)量頻譜發(fā)射模板  (SEM)

ACLR的測(cè)量與SEM類(lèi)似。但與SEM不同的是，需要關(guān)注的并非單獨(dú)的雜散，而是通信信號(hào)相鄰?fù)ǖ赖男盘?hào)功率。這種鄰道功率泄漏是設(shè)計(jì)高效功率放大器時(shí)常會(huì)遇到的挑戰(zhàn)。信號(hào)與頻譜分析儀提供了根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行此類(lèi)測(cè)量所需的動(dòng)態(tài)范圍。

鄰道泄漏比 (ACLR) 測(cè)量需要高動(dòng)態(tài)范圍，可使用信號(hào)與頻譜分析儀執(zhí)行

電磁干擾 (EMI) 方面同樣需要確保一致性。相應(yīng)的EMI標(biāo)準(zhǔn)要求使用適當(dāng)?shù)?EMI 檢測(cè)器 (準(zhǔn)峰值、CISPR-Average和MS-Average (CISPR-RMS)) 測(cè)量最低數(shù)量的雜散。信號(hào)與頻譜分析儀可進(jìn)行對(duì)應(yīng)的預(yù)一致性測(cè)量。

使用信號(hào)與頻譜分析儀進(jìn)行EMI預(yù)一致性測(cè)量

頻率選擇性

頻率選擇性是信號(hào)與頻譜分析儀有別于功率傳感器或示波器等其他射頻測(cè)量?jī)x器的一項(xiàng)基本特性。掃描頻譜模式下的信號(hào)與頻譜分析儀一次僅考慮一小部分頻譜。在低頻端將去除信號(hào)中的直流分量。在通常為7 GHz至8 GHz的頻率下，使用一種稱(chēng)為預(yù)選器的可調(diào)帶通濾波器從其通帶中去除信號(hào)分量。頻率選擇性可增加動(dòng)態(tài)范圍，這樣即使存在更高功率的信號(hào)，也仍能檢測(cè)到較小信號(hào)。

信號(hào)分析能力

除了信號(hào)與頻譜分析儀，現(xiàn)今的分析儀還支持信號(hào)分析。使用混頻器將射頻信號(hào)一次或兩次混頻降至中低頻，并使用A/D轉(zhuǎn)換器在大帶寬上執(zhí)行采樣，然后對(duì)采樣后的信號(hào)下變頻到基帶并進(jìn)行均衡處理。高達(dá)1 GHz的信號(hào)分析帶寬現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)普遍，F(xiàn)SW等現(xiàn)代信號(hào)與頻譜分析儀甚至支持最高8.3 GHz的分析帶寬。通過(guò)這種方式獲得的數(shù)字I/Q值包含帶寬和動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的所有信號(hào)信息，以便對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步處理。

使用信號(hào)與頻譜分析儀進(jìn)行數(shù)字信號(hào)分析

信號(hào)與頻譜分析儀結(jié)合使用適合特定應(yīng)用的測(cè)量，可對(duì)信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)分析。例如，通信信號(hào)的重要參數(shù)是調(diào)制質(zhì)量，通常包括誤差矢量幅度 (EVM)、I/Q偏移或不平衡以及導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)信道的電平比。對(duì)于雷達(dá)應(yīng)用的脈沖信號(hào)，則包括整個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)的相位、頻率、調(diào)制和電平。頻譜分析儀或VSE等PC軟件中給出了相應(yīng)的測(cè)量應(yīng)用。

對(duì)5G NR信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析。測(cè)量應(yīng)用將顯示EVM、功率譜和星座圖等關(guān)鍵參數(shù)。

支持進(jìn)一步的測(cè)量

高頻設(shè)備從前期開(kāi)發(fā)到批量生產(chǎn)的過(guò)程中，需要在組件、模塊以及最終的產(chǎn)品級(jí)別進(jìn)行多種測(cè)量。對(duì)于放大器而言，噪聲系數(shù)和增益的測(cè)量必不可少，而對(duì)振蕩器來(lái)說(shuō)，相位噪聲測(cè)量是不可或缺的。這些測(cè)量都可借助信號(hào)與頻譜分析儀以及相應(yīng)的測(cè)量應(yīng)用來(lái)完成。

使用信號(hào)與頻譜分析儀結(jié)合專(zhuān)門(mén)的測(cè)量應(yīng)用對(duì)低噪聲放大器進(jìn)行噪聲系數(shù)和增益測(cè)量。由于消除了分析儀的固有噪聲，使用Y因子方法可以實(shí)現(xiàn)幾乎低至熱噪聲本底的非常精確的測(cè)量。

使用信號(hào)與頻譜分析儀測(cè)量相位噪聲。相位噪聲測(cè)量通常在頻譜模式下進(jìn)行，而在I/Q模式下則可進(jìn)行更復(fù)雜的測(cè)量，這樣可以分離AM和PM噪聲或?qū)ζ圃催M(jìn)行頻率追蹤。

高端信號(hào)與頻譜分析儀能提供更深層次的測(cè)量，例如：連續(xù)的實(shí)時(shí)頻譜分析和連續(xù)的數(shù)字I/Q數(shù)據(jù)流。

總結(jié)一下，信號(hào)與頻譜分析儀的優(yōu)勢(shì)主要源自它的頻率選擇性：

· 通過(guò)頻率選擇性實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍：低電平信號(hào)也可在強(qiáng)信號(hào)附近進(jìn)行分析，符合標(biāo)準(zhǔn)的ACLR和SEM測(cè)量通常只有通過(guò)頻譜分析儀才能實(shí)現(xiàn)

· 憑借信號(hào)解調(diào)，大動(dòng)態(tài)范圍帶來(lái)高質(zhì)量測(cè)量結(jié)果：特別是對(duì)于具有大帶寬和高峰均比的信號(hào)，可以獲得更好的結(jié)果，即更理想的EVM值

· 最大頻率非常高，從最小頻率到最大頻率連續(xù)掃描

· 根據(jù)帶寬大小，可進(jìn)行超長(zhǎng)時(shí)間流暢記錄

· 支持相位噪聲和噪聲系數(shù)/增益測(cè)量應(yīng)用

· 支持連續(xù)的實(shí)時(shí)頻譜分析的測(cè)量應(yīng)用