分析儀的種類以及優(yōu)缺點(diǎn)比較

目前，市場上有許多可供選擇的分析儀，有些具備非常特殊的專業(yè)用途，有些則提供了較多的通用射頻測量能力;有些被稱為頻譜分析儀，有些則被稱為信號(hào)分析儀。這些分析儀都是用來測量和顯示信號(hào)頻率與幅度之間的關(guān)系的。如何在眾多型號(hào)的分析儀中選擇合適的一款需要多方面的考慮，本文將為您解答在挑選市場上各種分析儀時(shí)所遇到的疑問，并幫助您做出正確的選購決定。

性價(jià)比分析

分析儀的價(jià)格部分取決于它的成本。如果設(shè)計(jì)分析儀時(shí)采用低成本的組件，那么它的價(jià)格可能是比較誘人的。但是，通常情況下它的性能就會(huì)十分有限。性能取決于什么呢?混頻器、LO放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、FPGA/ASIC和微處理器的選擇都會(huì)影響到產(chǎn)品最終的成本和性能。舉例來說，單回路局部振蕩器的設(shè)計(jì)成本通常是比較劃算的，但是，它卻可能產(chǎn)生較大的相位噪聲失真，導(dǎo)致無效的測量結(jié)果。另外，如果單從成本的角度，那么，便宜的微處理器似乎非常吸引人，但是如果把分析儀中所有的DSP都換用這種微處理器來進(jìn)行解調(diào)工作，那么頻譜分析儀的運(yùn)行速度將變得非常慢。

下面給出了一些在保持成本的前提下提高產(chǎn)品性能的新方法，通過這些方法可以很好地控制產(chǎn)品價(jià)格。

● 是否采用掃描方式：許多傳統(tǒng)的分析儀廠商仍然使用掃描式體系架構(gòu)。盡管這種架構(gòu)非常適合于微波和毫米波頻譜的分析，但是許多新型的射頻分析儀不再采用這種傳統(tǒng)的掃描式系統(tǒng)，而采用信號(hào)處理測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了類似的(多數(shù)情況下更好的)測量功能。帶有頻譜分析功能的吉時(shí)利2810型矢量信號(hào)分析儀就是這類新型產(chǎn)品中極好的一個(gè)例子。

● 測量速度：當(dāng)購買分析儀時(shí)，您可能會(huì)問測量數(shù)據(jù)是如何處理的，有的儀器為了快速產(chǎn)生測量結(jié)果而采用了多個(gè)處理器，有的分析儀則采用FPGA或ASIC來進(jìn)行測量，主處理器僅處理常規(guī)事務(wù)，還有一些儀器僅僅使用一個(gè)微處理器來完成所有的工作。顯而易見，雖然最后一種方案對(duì)廠商來說是最節(jié)約成本的，但是它在處理比較復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)時(shí)速度將慢得讓人無法忍受。吉時(shí)利的2810采用了基于DSP IQ測量引擎的獨(dú)特高速架構(gòu)，為業(yè)界提供了高性能的測量產(chǎn)品。

頻率范圍

沒有必要購買那些頻率范圍超出您所需要的分析儀。分析儀的頻率范圍是其價(jià)格的主要決定因素之一。大多數(shù)分析儀的頻率范圍在2.5GHz、6GHz、13GHz和26GHz左右。高性能的分析儀頻率通常能達(dá)到50GHz。如果只是對(duì)無線通信產(chǎn)品或者工作在ISM波段的產(chǎn)品(例如802.11b/g無線局域網(wǎng)設(shè)備)進(jìn)行測試，那么最高頻率低于3GHz的分析儀通常是最劃算的。

載波(CW)測量

讓我們看一看圖1中一種簡化的頻譜分布情況。圖中有兩個(gè)信號(hào)：一個(gè)是載波，另一個(gè)是較小的干擾信號(hào)。載波有許多特性，包括幅值、頻率、相位噪聲和寬帶噪聲。幅值是由設(shè)備在特定的頻率下發(fā)出的頻譜能量。相位噪聲(表現(xiàn)為信號(hào)的邊帶特性)體現(xiàn)的是信號(hào)的穩(wěn)定或純凈程度。通常，產(chǎn)品的局部振蕩器會(huì)對(duì)信號(hào)的相位噪聲產(chǎn)生影響。例如：在圖1的左邊能觀察到一個(gè)干擾信號(hào)，即寄生信號(hào)。該信號(hào)可能是由緊鄰的大功率發(fā)射器所引起的，也可能是從系統(tǒng)的其他部分產(chǎn)生的，例如來源于微處理器的時(shí)鐘。

圖1 基本的信號(hào)特征

幅值測量

幅值測量的效果越好，結(jié)果就越可靠或可信。在選擇分析儀時(shí)，我們不要局限于測量精度低于0.6dB或者頻率低于3GHz的分析儀。

噪聲測量與低電平信號(hào)

在測量噪聲和/或低電平信號(hào)時(shí)，必須確保分析儀有前置放大器，而且還要考慮分析儀的測量架構(gòu)。通常，分析低電平信號(hào)意味著要設(shè)定一個(gè)非常窄的信號(hào)范圍。當(dāng)在比較窄的范圍內(nèi)對(duì)多種分析儀的速度進(jìn)行比較時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)掃描式分析儀的速度是相當(dāng)慢的，而采用了數(shù)字信號(hào)處理器的分析儀就不會(huì)出現(xiàn)這種問題。最后，您可能想在一定的帶寬范圍內(nèi)給出噪聲密度的測量結(jié)果。與其他分析儀只是將高斯成形濾波器的分辨帶寬定義在3dB不同的是，吉時(shí)利的2810能夠指定濾波器的噪聲帶寬，從而非常適合進(jìn)行這種類型的測量。

交調(diào)測量

這種類型的測量主要測量的是特定的信號(hào)條件下分析儀或系統(tǒng)所產(chǎn)生的失真。通過圖2我們可以看到儀器的激勵(lì)是兩個(gè)載波信號(hào)或雙音信號(hào)。這個(gè)雙音信號(hào)導(dǎo)致儀器產(chǎn)生失真，在頻域內(nèi)可以清楚地看到輸入雙音信號(hào)左右兩邊的兩個(gè)失真產(chǎn)物。由于分析儀也是一個(gè)信號(hào)接收器，在其信號(hào)通路中包含有源器件，因此分析儀也可能會(huì)產(chǎn)生這種類型的失真，從而導(dǎo)致測量失效。驗(yàn)證信號(hào)完整性的一種簡便方法是增加分析儀的衰減設(shè)置。如果在增加衰減時(shí)，信號(hào)幅值會(huì)減少，那么這個(gè)結(jié)果是由分析儀產(chǎn)生的;如果改變衰減值對(duì)信號(hào)幅值沒有影響，那么測量就是有效的。當(dāng)增加衰減值的時(shí)候，本底噪聲電平也會(huì)增加同樣大小的分貝值。這就是載波幅值在不同衰減水平下保持不變的原因。然而，本底噪聲電平的增加可能意味著噪聲信號(hào)掩蓋了交調(diào)結(jié)果。

圖2 雙音信號(hào)(非線性放大器失真)

為了獲得最佳的測量性能，微調(diào)衰減步長非常重要。大幅度的衰減步長只能夠?qū)Ρ镜自肼曤娖竭M(jìn)行10dBs的調(diào)整，這樣會(huì)很快掩蓋掉待測信號(hào)。

在存在大信號(hào)的情況下對(duì)小信號(hào)進(jìn)行測量是頻譜分析儀的一個(gè)重要功能——這種性能特征也稱為分析儀的動(dòng)態(tài)量程。動(dòng)態(tài)量程通常由三部分的組合來表示，即分析儀的三階交調(diào)失真(如在前面討論過的雙音頻測量)、儀器的本底噪聲電平和相位噪聲。一般來講，對(duì)測試儀的動(dòng)態(tài)量程直接進(jìn)行比較是非常困難的，因?yàn)椴煌闹圃焐炭赡軙?huì)分別針對(duì)儀器的本底噪聲電平性能或失真性能進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)不同分析儀的動(dòng)態(tài)量程進(jìn)行對(duì)比的一個(gè)簡單方法就是檢測分析儀的W-CDMA相鄰信道功率。這種測量方法能夠囊括上述所有的參數(shù)。

調(diào)制信號(hào)

到目前為止，我們只是討論了載波(CW)信號(hào)。在測量已經(jīng)經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)的時(shí)候，必須確保頻譜/信號(hào)分析儀不僅能夠測量信號(hào)的頻譜，還能夠衡量信號(hào)調(diào)制的質(zhì)量。

圖3是頻域內(nèi)一個(gè)典型的數(shù)字調(diào)制數(shù)字信號(hào)示意圖。這個(gè)信號(hào)采用了不固定功率包絡(luò)的調(diào)制方式，因此其信號(hào)幅值是隨著時(shí)間而變化的。分析儀必須實(shí)現(xiàn)的一種關(guān)鍵測量功能就是要能夠給出這類信號(hào)的平均功率值，這通常需要指定一個(gè)確定的帶寬。交調(diào)和相位噪聲失真體現(xiàn)在信號(hào)的邊帶上。分析儀的相鄰信道功率特征有助于量化待測設(shè)備的交調(diào)和相位噪聲性能。

圖3 調(diào)制信號(hào)

現(xiàn)代分析儀有兩大關(guān)鍵功能需求：對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)以及用某種指標(biāo)(如EVM，誤差矢量幅度)來衡量信號(hào)質(zhì)量。在分析儀中實(shí)現(xiàn)這類測量的關(guān)鍵性能特征包括儀器的數(shù)字化帶寬和相應(yīng)的頻率與相位響應(yīng)。舉例來說，吉時(shí)利的2810能夠捕獲并且數(shù)字化處理帶寬高達(dá)35MHz的信號(hào)。對(duì)于主流的調(diào)制方式，如GSM和W-CDMA，分析儀通常內(nèi)置了信號(hào)解調(diào)功能和信號(hào)質(zhì)量衡量指標(biāo)。即便如此，分析儀的選擇也應(yīng)考慮到適應(yīng)通信技術(shù)發(fā)展的需要。圖4給出了吉時(shí)利2810用作校準(zhǔn)式IQ采集引擎的情況。在該測量配置方案中，2810捕捉待測設(shè)備的信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為IQ校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)，并存儲(chǔ)在容量為50×106次采樣的內(nèi)存中。同時(shí)該分析儀還提供了數(shù)據(jù)記錄的導(dǎo)出功能，可以將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到其他商業(yè)分析軟件中，如Matlab。這種靈活性能夠滿足通信技術(shù)不斷發(fā)展的測量需求。

圖4 2810用作校準(zhǔn)式IQ采集引擎

分析儀的互連特性

大多數(shù)現(xiàn)代分析儀都兼容LXI-C標(biāo)準(zhǔn)。LXI(LAN eXtension for Instrumentation，儀用擴(kuò)展局域網(wǎng))是在局域網(wǎng)上定義分析儀互連特性的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。LXI標(biāo)準(zhǔn)有A、B、C 三個(gè)版本。C表示通過局域網(wǎng)來對(duì)分析儀進(jìn)行控制，包含遠(yuǎn)程操作的Web服務(wù)。舉例來說，如果您正在與世界上其他合作組織共享測量信息，您只需在網(wǎng)頁瀏覽器中輸入分析儀的IP地址，分析儀的顯示器將出現(xiàn)在瀏覽器中。標(biāo)準(zhǔn)B和A仍然正在完善之中，它們提供了更多的高級(jí)測量功能，功能比標(biāo)準(zhǔn)C更強(qiáng)大。

當(dāng)然，現(xiàn)在大多數(shù)的分析儀仍然使用的是GPIB接口控制方案。在選擇分析儀時(shí)，必須確保它能與以前使用GPIB接口的測試系統(tǒng)進(jìn)行互連，同時(shí)還能夠兼容未來的LXI C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著帶LAN功能的分析儀的出現(xiàn)，Internet的安全和保障成了關(guān)鍵問題，特別是在大型企業(yè)系統(tǒng)中。舉例來說，如果分析儀是基于Windows XP系統(tǒng)的，也就是說它具有一般PC的所有特性。當(dāng)通過IT部門將其連入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，分析儀將像其他PC一樣面臨病毒和被攻擊的威脅。因此，有些分析儀廠商轉(zhuǎn)而選擇Linux系統(tǒng)，但是這就影響了分析儀與基于Microsoft工具的互連性。吉時(shí)利的2810采用了Windows CE操作系統(tǒng)，這對(duì)于互連性和安全性是一個(gè)很好的折中。

結(jié)論

購買頻譜或信號(hào)分析儀可能是一筆很大的投資，同時(shí)在市場中有多種分析儀可供選擇。如果您在選購時(shí)認(rèn)真考慮以下的問題，或許可以幫助做出正確的選擇：

● 購買的預(yù)算是多少

● 測量對(duì)象的頻率范圍是多少

● 需要什么樣的幅值精度

● 對(duì)動(dòng)態(tài)量程的需求是多少(使用ACP進(jìn)行快速交叉校驗(yàn))

● 對(duì)相位噪聲有什么樣的要求

● 需要測量什么類型的信號(hào)，是載波信號(hào)還是已調(diào)制信號(hào)

● 是否需要解調(diào)功能;信號(hào)的帶寬是多少

● 如何控制測試儀，遠(yuǎn)程還是手動(dòng)

如果預(yù)算沒有限制，那么所有的問題都迎刃而解了。然而，如果想要確保投資獲得最大收益，那么最好與分析儀銷售代表一起來討論選擇能夠滿足需要和預(yù)算的、最合適的分析儀。