頻譜儀or 示波器?

射頻信號分析儀器到底怎么選？這可能是射頻工程師最頭疼的問題了

示波器與信號與頻譜分析儀在頻域分析性能上各有所長，功能也各有重疊。信號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，為射頻工程師開啟全新可能。

因此，在測量不同類型的射頻信號時(shí)，需要根據(jù)特定的測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)測量的典型要求的。

信號與頻譜分析儀

信號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)用的開發(fā)、生產(chǎn)、安裝和維護(hù)活動(dòng)。對于這些應(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)功能和測量速度的嚴(yán)格要求顯得尤為重要。此外，信號與頻譜分析儀還用于進(jìn)行時(shí)域測量，例如測量時(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，用于測量信號電平或帶寬等基本信號參數(shù)。通過屏幕上顯示的信號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)。

頻譜中的其他測量包括雜散發(fā)射檢測、信噪比 (SNR) 測量或多余雜散發(fā)射檢測。信號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)載波信號附近甚至可以顯示非常小的信號。

使用R&S的FSW等現(xiàn)代信號與頻譜分析儀，可以在單次測量中測量和顯示從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)行頻譜測量以確保一致性。在移動(dòng)無線電應(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)射等測量，這些測量需要在強(qiáng)信號附近測量非常小的電平。信號與頻譜分析儀是首選的測量設(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。

使用信號與頻譜分析儀測量頻譜發(fā)射模板  (SEM)

ACLR的測量與SEM類似。但與SEM不同的是，需要關(guān)注的并非單獨(dú)的雜散，而是通信信號相鄰?fù)ǖ赖男盘柟β?。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)行此類測量所需的動(dòng)態(tài)范圍。

鄰道泄漏比 (ACLR) 測量需要高動(dòng)態(tài)范圍，可使用信號與頻譜分析儀執(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 檢測器 (準(zhǔn)峰值、CISPR-Average和MS-Average (CISPR-RMS)) 測量最低數(shù)量的雜散。信號與頻譜分析儀可進(jìn)行對應(yīng)的預(yù)一致性測量。

使用信號與頻譜分析儀進(jìn)行EMI預(yù)一致性測量

頻率選擇性

頻率選擇性是信號與頻譜分析儀有別于功率傳感器或示波器等其他射頻測量儀器的一項(xiàng)基本特性。掃描頻譜模式下的信號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中的直流分量。在通常為7 GHz至8 GHz的頻率下，使用一種稱為預(yù)選器的可調(diào)帶通濾波器從其通帶中去除信號分量。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，也仍能檢測到較小信號。

信號分析能力

除了信號與頻譜分析儀，現(xiàn)今的分析儀還支持信號分析。使用混頻器將射頻信號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，然后對采樣后的信號下變頻到基帶并進(jìn)行均衡處理。高達(dá)1 GHz的信號分析帶寬現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)普遍，F(xiàn)SW等現(xiàn)代信號與頻譜分析儀甚至支持最高8.3 GHz的分析帶寬。通過這種方式獲得的數(shù)字I/Q值包含帶寬和動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的所有信號信息，以便對信號做進(jìn)一步處理。

使用信號與頻譜分析儀進(jìn)行數(shù)字信號分析

信號與頻譜分析儀結(jié)合使用適合特定應(yīng)用的測量，可對信號進(jìn)行詳細(xì)分析。例如，通信信號的重要參數(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。對于雷達(dá)應(yīng)用的脈沖信號，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)的測量應(yīng)用。

對5G NR信號進(jìn)行信號分析。測量應(yīng)用將顯示EVM、功率譜和星座圖等關(guān)鍵參數(shù)。

支持進(jìn)一步的測量

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

使用信號與頻譜分析儀結(jié)合專門的測量應(yīng)用對低噪聲放大器進(jìn)行噪聲系數(shù)和增益測量。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量。

使用信號與頻譜分析儀測量相位噪聲。相位噪聲測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。

高端信號與頻譜分析儀能提供更深層次的測量，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，信號與頻譜分析儀的優(yōu)勢主要源自它的頻率選擇性：

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

· 憑借信號解調(diào)，大動(dòng)態(tài)范圍帶來高質(zhì)量測量結(jié)果：特別是對于具有大帶寬和高峰均比的信號，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)行超長時(shí)間流暢記錄

· 支持相位噪聲和噪聲系數(shù)/增益測量應(yīng)用

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