頻譜儀和矢量信號(hào)分析儀的應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)室和車間最常用的信號(hào)測(cè)試儀器是電子示波器。人的思維對(duì)時(shí)間概念比較敏感,每時(shí)每刻都與時(shí)域事件發(fā)生聯(lián)系,但是信號(hào)往往以頻率形式出現(xiàn),用示波器觀察最簡(jiǎn)單的調(diào)幅載波信號(hào)也不方便,往往顯示載波時(shí)看不清調(diào)制儀,屏幕上獲得的是三條譜線,即載頻和在載頻左右的調(diào)制頻。調(diào)制方式越復(fù)雜,電子示波器越難顯示,頻譜分析器的表達(dá)能力強(qiáng),頻譜分析儀是名副其實(shí)的頻域儀器的代表。溝通時(shí)間一頻率的數(shù)字表達(dá)方法就是傅里葉變換,它把時(shí)間信號(hào)分解成正弦和余弦曲線的疊加,完成信號(hào)由時(shí)間域轉(zhuǎn)換到頻率域的過(guò)程。

早期的頻譜儀實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)掃頻接收機(jī),輸入信號(hào)與本地振蕩信號(hào)在混頻器變頻后,經(jīng)過(guò)一組并聯(lián)的不同中心頻率的帶通濾波器,使輸入信號(hào)顯示在一組帶通濾波器限定的頻率軸上。顯然,由于帶通濾波器由無(wú)源元件構(gòu)成,頻譜分析器整體上顯得很笨重,而且頻率分辨率不高。既然傅里葉變換可把輸入信號(hào)分解成分立的頻率分量,同樣可起著濾波器類似的作用,借助快速傅里葉變換電路代替低通濾波器,使頻譜分析儀的構(gòu)成簡(jiǎn)化,分辨率增高,測(cè)量時(shí)間縮短,掃頻范圍擴(kuò)大,這就是現(xiàn)代頻譜分析儀的優(yōu)點(diǎn)了。

矢量信號(hào)分析儀是在預(yù)定,頻率范圍內(nèi)自動(dòng)測(cè)量電路增益與相應(yīng)的儀器,它有內(nèi)部的掃頻頻率源或可控制的外部信號(hào)源。其功能是測(cè)量對(duì)輸入該掃頻信號(hào)的被測(cè)電路的增益與相位,因而它的電路結(jié)構(gòu)與頻譜分析儀相似。頻譜分析儀需要測(cè)量未知的和任意的輸入頻率,矢量信號(hào)分析儀則只測(cè)量自身的或受控的已知頻率;頻譜分析儀只測(cè)量輸入信號(hào)的幅度(標(biāo)量?jī)x器),矢量信號(hào)分析儀則測(cè)量輸入信號(hào)的幅度和相位(矢量?jī)x器)。由此可見(jiàn),矢量信號(hào)分析儀的電路結(jié)構(gòu)比頻譜分析儀復(fù)雜,價(jià)位也較高。現(xiàn)代的矢量信號(hào)分析儀也采用快速傅里葉變換,以下介紹它們的異同。

頻譜議和FFT頒譜分析議

傳統(tǒng)的頻譜分析儀的電路是在一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機(jī),輸入信號(hào)經(jīng)下變頻后由低通濾器輸出,濾波輸出作為垂直分量,頻率作為水平分量,在示波器屏幕上繪出坐標(biāo)圖,就是輸入信號(hào)的頻譜圖。由于變頻器可以達(dá)到很寬的頻率,例如30Hz-30GHz,與外部混頻器配合,可擴(kuò)展到100GHz以上,頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測(cè)量?jī)x器之一。無(wú)論測(cè)量連續(xù)信號(hào)或調(diào)制信號(hào),頻譜儀都是很理想的測(cè)量工具。

但是,傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn),首先,它只適于測(cè)量穩(wěn)態(tài)信號(hào),不適宜測(cè)量瞬態(tài)事件;第二,它只能測(cè)量頻率的幅度,缺少相位信息,因此屬于標(biāo)量?jī)x器而不是矢量?jī)x器;第三,它需要多種低頻帶通濾波器,獲得的測(cè)量結(jié)果要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間,因此被視為非實(shí)時(shí)儀器。

既然通過(guò)傅里葉運(yùn)算可以將被測(cè)信號(hào)分解成分立的頻率分量,達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果,出現(xiàn)基于快速傅里葉變換(F盯)的頻譜分析儀。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)輸入信號(hào)取樣,再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。據(jù)此可知,這種頻譜分析儀亦稱為實(shí)時(shí)頻譜分析儀,它的頻率范圍受到ADC采集速率和FFT運(yùn)算速度的限制。

為獲得良好的儀器線,性度和高分辨率,對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的ADC需要12位-16位的分辨率,按取樣原理可知,ADC的取樣率最少等于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍,亦即頻率上限是100MHz的實(shí)時(shí)頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。

目前半導(dǎo)體工藝水平可制成分辨率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,原理上儀器可達(dá)到2GHz的帶寬,此時(shí)垂直分辨率只有8位(256級(jí)),顯然8位分辨率過(guò)低,因此,實(shí)時(shí)頻譜分析儀適用于制MHz帶寬以下的頻段,此時(shí)具有12位(物96級(jí))以上的分辨率。為了擴(kuò)展頻率上限,可在ADC前端增加下變頻器,本振采用直接數(shù)字事成的振蕩器,這種混合式的頻譜分析儀適合在幾GHz以下的頻段使用。

FFT的性能用取樣點(diǎn)數(shù)和取樣率來(lái)表征,例如用100KS/S的取樣率對(duì)輸入信號(hào)取樣1024點(diǎn),則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn),則分辨率提高到25Hz。由此可知,最高輸人頻率取決于取樣率,分辨率取決于取樣點(diǎn)數(shù)。FFT運(yùn)算時(shí)間與取樣,點(diǎn)數(shù)成對(duì)數(shù)關(guān)系,頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí),要選用高速的FFT硬件,或者相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片。例如,10MHz輸入頻率的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間80μs,而10KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間變?yōu)?4ms,1KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間增加至640ms。當(dāng)運(yùn)算時(shí)間超過(guò)200ms時(shí),屏幕的反應(yīng)變慢,不適于眼睛的觀察,補(bǔ)救辦法是減少取樣點(diǎn)數(shù),使運(yùn)算時(shí)間降低至200ms以下。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

對(duì)于頻譜分析和電磁干擾測(cè)量來(lái)說(shuō),頻譜分析儀是通信測(cè)量?jī)x器中常用的設(shè)備,由于具有大于1∞dB的動(dòng)態(tài)范圍、低于-110dBc/Hz的噪聲、1Hz-100Hz的帶寬、50GHz以上的頻率范圍,能夠接收到極微弱的信號(hào)和分辨出兩個(gè)幅度相差很大的信號(hào)。頻譜分析儀的缺點(diǎn)是只能顯示頻率分量的幅值,而不能獲得信號(hào)的相位。對(duì)于某些通信元器件和通信鏈路,幅值和相位必須能夠同時(shí)測(cè)量出來(lái),前者如放大器和振蕩器,后者是第一代至第三代的移動(dòng)通信。

前面曾提及,為了擴(kuò)大基于FFT的頻譜分析儀的頻率范圍,可在前端增加下變頻器。同樣原理可用于矢量信號(hào)分析儀,它是傳統(tǒng)頻譜分析儀與F阿分析儀的結(jié)合,從而獲得在高頻和射頻頻率下的FFT分析能力,同時(shí)顯示幅度和相位信息。對(duì)于現(xiàn)代通信的數(shù)字調(diào)制分析,以及調(diào)幅/調(diào)頻/調(diào)相的解調(diào)都是非常有效的手段。

頻譜分析儀的變頻前端擴(kuò)展儀器到GHz的頻段,經(jīng)變頻后的輸入信號(hào)頻率變成適于FFr處理的頻段,電路中的濾波器與頻譜分析儀的濾波器不同,這里的濾波器不是選擇性的,而防止ADC變換過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)混疊,即變換過(guò)程中出現(xiàn)的虛假信號(hào)。ADC的輸出分成兩路,獲得同相和正交信號(hào),經(jīng)DSP作時(shí)間一頻率的F町運(yùn)算后由顯示屏獲得頻譜的幅度和相位。

目前儀器公司供應(yīng)的矢量信號(hào)分析器的頻率范圍可達(dá)3GHz,測(cè)量對(duì)象是復(fù)雜的移動(dòng)通信常用頻段的調(diào)制信號(hào),如GSM、CDMA的基帶特性和載波特性。矢量信號(hào)分析儀的測(cè)量模式有:標(biāo)量、矢量、數(shù)字解調(diào)和門(mén)控測(cè)量。觸發(fā)可由基帶輸人信號(hào)或由中頻信號(hào)調(diào)節(jié),包括觸發(fā)電平和相位。掃頻方式有單次和連續(xù),對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)可多次平均,并用有效值(RMS)、峰值保持和指數(shù)坐標(biāo)指示。

一種新型的矢量信號(hào)分析器的重要特性是:頻率范圍—DC~2.7GHz;基帶帶寬—40MHz;中頻帶寬—36MHz;率分辨率—0.001Hz時(shí)基準(zhǔn)確度—0.2ppm/年;相位噪聲—97dBc/Hz(載波偏移100Hz),-122dBc/Hz(載波偏移1khz)幅度范圍45~+20dBm;幅度準(zhǔn)確度—±2dB;三階互調(diào)失真—70dB。應(yīng)用領(lǐng)域是衛(wèi)星通信、擴(kuò)頻跳頻通信、點(diǎn)到點(diǎn)通信、以及頻率監(jiān)控和搜索。以移動(dòng)通信的碼分多址(CDMA)來(lái)說(shuō),利用配套的分析軟件,可以獲得:

·發(fā)射機(jī)的平均載波功率

·功率隨時(shí)間的變化

·相位和頻率誤差

·鄰近信道功率比

·偽隨機(jī)噪聲序列的調(diào)制精度

·近距離寄發(fā)生發(fā)射頻率

·頻譜測(cè)量和波形測(cè)量

在無(wú)線基站或移動(dòng)電話的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品檢驗(yàn)中,矢量信號(hào)分析儀可按多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)GSM、CDMA等的發(fā)射機(jī)和手機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格的精度和動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量。在CDMA等通信產(chǎn)品生產(chǎn)中,只利用連續(xù)測(cè)量是不夠的,利用數(shù)字調(diào)制信號(hào)可方便地測(cè)出輸出功率和失真等重要參數(shù)。

矢量信號(hào)分析儀采用Windows平臺(tái),容易通過(guò)外接微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和交換,Windows平臺(tái)便于性能升級(jí)和利用其他工程設(shè)計(jì)工具,熟識(shí)的圖形界面可縮短學(xué)習(xí)時(shí)間,留出更多的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量和應(yīng)用各種設(shè)計(jì)及測(cè)試工具。

數(shù)字存儲(chǔ)示波器的頻譜測(cè)量

數(shù)字存儲(chǔ)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)或選購(gòu)的FFT模塊獲得頻譜分析特性。應(yīng)該指出,DSO主要特點(diǎn)是時(shí)域測(cè)量,帶寬100MHz的產(chǎn)品具有10位以上的垂直分辨率,帶寬500MHz的產(chǎn)品只有8位的分辨率,亦即在分辨率上低于頻譜分析儀的12位-16位。DSO的前置放大器和衰減器引人瞬態(tài)失真,容易在頻譜圖上表現(xiàn)為低電平的譜波噪聲。

特別是高頻數(shù)字在存儲(chǔ)示波器,它采用交疊的ADC來(lái)提高取樣率,例如每塊ADC的取樣率是1Gs/s,兩塊疊加起來(lái)獲得2Gs/s的取樣率。這是簡(jiǎn)便的提高有效帶寬的辦法,但用于頻譜顯示時(shí),各ADC的線性度、增益、頻率響應(yīng)和取樣定時(shí)稍有差別,都會(huì)在取樣時(shí)鐘脈沖交疊取樣過(guò)程中引人頻譜失真,相當(dāng)多了一組Fs/N的取樣脈沖,這里且是基本取樣頻率,N是交疊的ADC數(shù)。這種電路自身產(chǎn)生的混疊信號(hào)不容易用濾波器消除,用DS0測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)要非常小心在頻譜圖上出現(xiàn)的混疊信息。例如,利用上述兩塊取樣率1Gs/sADC構(gòu)成的DSO來(lái)觀察l00MHz正弦波時(shí),會(huì)在900、1100MHz附近出現(xiàn)虛假信號(hào)。由此可見(jiàn),DSO觀察時(shí)域信號(hào)是最好的儀器,由于頻域變換后往往出現(xiàn)虛假信號(hào),測(cè)量頻譜特性時(shí)一定要注意“去偽存真”。

小結(jié)

頻譜分析儀的頻率范圍最寬,靈敏度高,非常適于通信設(shè)備和鏈路的頻率分布測(cè)量,缺點(diǎn)是只能獲得輸入信號(hào)的幅值。矢量信號(hào)分析儀頻率范圍較低,利用FFT的特點(diǎn)能夠同時(shí)獲得幅度和相位,特別地第一、二、三代移動(dòng)通信,包括蜂窩、GSM和CDMA設(shè)備的測(cè)量。