老工程師總結：頻譜儀使用實踐

　　本人從事射頻系統(tǒng)測試有一段時間了，經(jīng)過工程測試實踐，總結了一下頻譜儀的使用。頻譜儀可以用來測量和顯示被測信號得頻率和幅值，可以將復雜信號分離或解調為頻率和幅值不同的正弦波。下圖為常見的頻譜儀分析儀。

　　圖1、Agilent頻譜儀

　　圖2、R&S頻譜儀

　　圖3、中國電子科技集團公司第四十一研究所的頻譜儀

　　圖4、手持頻譜儀

　　一、介紹頻譜儀前，先介紹幾個概念：

　　1、頻譜

　　頻譜是頻率譜密度的簡稱，是頻率的分布曲線。復雜振蕩分解為振幅不同和頻率不同的諧振蕩，這些諧振蕩的幅值按頻率排列的圖形叫做頻譜。

　　圖5、頻譜圖

　　2、dBm，dB

　　dB是一個比值取log是一個相對量，例如：

　　dB=20log(V1/V2)，dB=10log(P1/P2)

　　dBm是一個功率值取log，是絕對值，

　　例如：dBm=10log(P1)

　　dBm與dB的關系：dB=dBm-dBm。

　　二、頻譜儀的分類

　　一般分為FFT(快速傅里葉變化)和掃頻式頻譜儀。其中FFT式頻譜儀適合窄分析帶寬，快速測量場合，掃頻式頻譜儀適合寬頻帶分析場合。常用的為掃頻式頻譜儀，下面主要介紹掃頻式頻譜儀的原理圖，下圖6位掃頻式頻譜儀的原理圖。

　　圖6、頻譜儀內部原理圖

　　1、輸入衰減器

　　信號進入頻譜儀后，先經(jīng)過一個輸入衰減器，作用為防止大信號進入混頻器，造成混頻器過載，增益壓縮，畸變。衰減器雨后面的中頻放大器是互動的，中頻放大器補償前面的衰減值，保證信號大小不變。

　　2、低通濾波器

　　低通濾波器決定了頻譜儀的分析能力，頻譜儀上標注的頻率范圍就是由此濾波器決定。

　　3、混頻器

　　混頻器，通過本振(LO)將輸入信號下變頻到中頻。

　　圖7、混頻器原理

　　4、中頻濾波器

　　中頻濾波器即頻譜儀面板上設置的RBW，是可調的，調節(jié)RBW會影響頻率選擇性，信噪比和測試速度。

　　圖8、不同RBW的信號頻譜圖

　　5、包絡檢波器

　　將中頻信號轉換為基帶信號或者視頻信號。有正向檢波(顯示最大值)，負向檢波(顯示最小值)，采樣檢波(顯示中值)。

　　6、視頻濾波器

　　一般為一低通濾波器，此濾波器主要是為了減少噪聲的峰峰值變化，測試小信號時會用到。

　　三、頻譜儀測試

　　都知道頻譜儀可以觀測信號的頻譜，信號的功率，測試系統(tǒng)的雜散，諧波，交調失真功能。

　　1、測量信號的頻率與功率

　　下圖9為信號源發(fā)出一單載波信號后，頻譜儀的顯示，通過MARK——PEAK，操作可以看到信號頻率為50.005MHz，功率為-20.17dBm。

　　圖9、信號的頻譜

　　2、交調失真測試

　　下圖10為信號交調失真測試圖，通過mark-DELT標注功能可以測試信號與交調信號功率差(dB)

　　圖10、交調測試圖

　　3、諧波測試

　　頻譜儀可以測試被測信號的各次諧波，可以用頻譜儀自帶的頻譜測試功能，MEASURE-harmonic測試，也可以通過測試信號的頻率f，然后改變頻譜儀的中心頻率到2f，3f….然后PEAK一下，測試各次諧波的功率。

　　圖11、諧波測試圖

　　4、測量調制信號的帶寬

　　頻譜儀可以測試信號的帶寬，可以測試3dB帶寬，也可以測試99%信號能量帶寬 。下圖12為99%信號能量帶寬。

　　圖12、信號帶寬測試

　　5、峰均比測試

　　頻譜儀測試中，還有一個功能為峰均比測試(CCDF)，某一調制信號的峰均比測試如下圖13。

　　圖13、峰均比測試圖

　　四、測試結果的準確性判斷：

　　測試一個信號的功率值是否準確時，可以改變衰減器衰減值，看信號功率是否發(fā)生變化來判斷。

　　圖14、信號準確性判斷圖

　　五、調制信號功率測試方法

　　上面介紹了頻譜儀的原理及基本使用與測試，下面介紹測試信號的功率(TDD系統(tǒng)的發(fā)射功率，或者突發(fā)信號的功率),TD系統(tǒng)是有時隙的，收發(fā)交替，所以直接用一般的平均式功率計測試信號功率不準確，需要知道收發(fā)比等指標，但是一般的射頻工程師可能不會去了解時隙結構等，測試不方便，用常規(guī)頻譜儀測試功率很好的解決這一問題。下面介紹兩種個人覺得比較合適的測試方法(以R&S頻譜儀測試為例)。

　　1、信道功率法

　　圖15、R&S頻譜儀

　　此方法是根據(jù)信號ACPR的測試方法而來，LTE系統(tǒng)等都需要測試ACPR這個指標，以R&S的頻譜儀為例，操作方法：MEAS——chanPWR ACP——CP/ACP Config

　　需要配置的參數(shù)：

　　1.鄰道個數(shù)(第一鄰道，第二鄰道，第三鄰道)，NO.of ADJ channel。

　　2.信道以及鄰道的信號帶寬，Channel Bandwith。

　　3.鄰道中心頻率距信號中心頻率的距離。Channel spacing。

　　對于測試信號功率來說，只需要設置第二項信道帶寬即可，特別注意，要調RBW帶寬設置為合適值(一般設置為幾十KHz)，但是對于TDD系統(tǒng)如果只做這些設置，會發(fā)現(xiàn)頻譜儀的譜是一直在閃的，測試出的功率度數(shù)一直在變，此時需要將SWEEP TIME改變一下，將掃描時間加大，信號譜會變得比較穩(wěn)定，測試過程中還可以將檢波模式改為RMS，操作步驟TRACE-DETECTOR—RMS，頻譜會更加穩(wěn)定。下圖16為一信號的測試結果。

　　圖16、發(fā)射功率測試圖

　　六、時域功率檢測法

　　頻譜儀都有一個時域測試方法，一般不常用，頻譜儀當SPAN設置為0時，頻譜儀就會變?yōu)楣β孰S時間的變化圖，設置方法為SPAN-ZERO SPAN。

　　此方法測試時需要先知道信號帶寬，因為時域顯示的是一定帶寬內信號的功率(帶寬為RBW的帶寬)，頻譜儀可以直接測試信號帶寬(MEAS-channel bandwith-99% power bandwith)，測試出信號帶寬后，將RBW改為>=信號帶寬值，將SWEEP TIME改一下，可以看到，信號功率隨時間的變化曲線。有信號的時間的功率即為發(fā)射功率，無信號功率的時間段說明處于收狀態(tài)或者未發(fā)信號。此方法測試時也可以將檢波模式改為RMS同方法一中設置。

　　圖17、功率時域法測試圖

　　上圖17可以很輕松讀出發(fā)時隙時信號的功率值，同時可以看出信號的收發(fā)切換狀態(tài)。

　　此外還有一種簡單測試方法，可以測試功率，就是將RBW設置為>=信號帶寬，SPAN設置為幾個GHz，然后用頻譜儀的PEAK功能。此方法測試有誤差，實驗得知誤差在2dB左右。

　　綜上，在儀器不全，或者外出設備維修時，一個手持頻譜儀可以測試很多功能，很好的解決調試，測試問題，給射頻工程師帶來很多便利。

　　此文介紹了頻譜儀的類型，原理，基本的測試功能，與時分系統(tǒng)的調制信號功率測試方法。后面有時間，會繼續(xù)寫用公式推導得出頻譜儀代替噪聲系數(shù)分析儀測試系統(tǒng)的噪聲系數(shù)的方法，頻譜儀代替示波器測試跳頻時間，LTE的收發(fā)切換時間等等。