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頻譜分析儀和矢量信號分析儀
2015-03-03
在實驗室和車間最常用的信號測試儀器是電子示波器。人的思維對時間概念比較敏感每時每刻都與時域事件發(fā)生聯(lián)系但是信號往往以頻率形式出現(xiàn)用示波器觀察最簡單的調(diào)幅載波信號也不方便往往顯示載波時看不清調(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)制方式越復雜電子示波器越難顯示頻譜分析器的表達能力強頻譜分析儀是名副其實的頻域儀器的代表。溝通時間一頻率的數(shù)字表達方法就是傅里葉變換它把時間信號分解成正弦和余弦曲線的疊加完成信號由時間域轉(zhuǎn)換到頻率域的過程。
早期的頻譜分析儀實質(zhì)上是一臺掃頻接收機輸入信號與本地振蕩信號在混頻器變頻后經(jīng)過一組并聯(lián)的不同中心頻率的帶通濾波器使輸入信號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)成簡化分辨率增高測量時間縮短掃頻范圍擴大這就是現(xiàn)代頻譜分析儀的優(yōu)點了。
矢量信號分析儀是在預定頻率范圍內(nèi)自動測量電路增益與相應的儀器它有內(nèi)部的掃頻頻率源或可控制的外部信號源。其功能是測量對輸入該掃頻信號的被測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。頻譜分析儀需要測量未知的和任意的輸入頻率矢量信號分析儀則只測量自身的或受控的已知頻率；頻譜分析儀只測量輸入信號的幅度（標量儀器）矢量信號分析儀則測量輸入信號的幅度和相位（矢量儀器）。由此可見矢量信號分析儀的電路結(jié)構(gòu)比頻譜分析儀復雜價位也較高。現(xiàn)代的矢量信號分析儀也采用快速傅里葉變換以下介紹字們的異同。
頻譜分析儀和FFT頻譜分析儀
傳統(tǒng)的頻譜分析儀的電路是在一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機輸入信號經(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圖就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可以達到很寬的頻率例如30HZ-30GHZ與外部混頻器配合可擴展到100GHz以上頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測量儀器之一。無論測量連續(xù)信號或調(diào)制信號頻譜分析器都是很理想的測量工具。
但是傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點。首先它只適于測量穩(wěn)態(tài)信號不適宜測量瞬態(tài)事件；第二它只能測量頻率的幅度缺少相位信息，風速儀因此屬于標量儀器而不是矢量儀器；第三它需要多種低頻帶通濾波器獲得的測量結(jié)果要花費較長的時間因此被視為非實時儀器。
既然通過傅里葉運算可以將被測信號分解成分立的頻率分量達到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果出現(xiàn)基于快速傅里葉變換（FFT）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）對輸入信號取樣再經(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時頻譜分析儀它的頻率范圍受到ADC采集速率和FFT運算速度的限制。
為獲得良好的儀器線性度和高分辨率對信號進行數(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最高頻率的兩倍亦即頻率上限是100MHz的實時頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。目前半導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到2GHz的帶寬此時垂直分辨率只有8位（256級）顯然8位分辨率過低因此實時頻譜分析儀適用于400MHz帶寬以下的頻段此時具有12位（4096級）以上的分辨率。為了擴展頻率上限可在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的性能用取樣點數(shù)和取樣率來表征例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點數(shù)為2048點則分辨率提高到25Hz。由此可知最高輸入頻率取決全取樣率分辨率取決于取樣點數(shù)。FFT運算時間與取樣點數(shù)成對數(shù)關(guān)系頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時要選用高速的FFT硬件，或者相應的數(shù)字信號處理器（DSP）芯片。例如10MHz輸入頻率的1024點的運算時間80μs而10KHz的1024點的運算時間變?yōu)?4ms1KHz的1024點的運算時間增加至640ms。當運算時間超過200ms時屏幕的反應變慢不適于眼睛的觀察補救辦法是減少取樣點數(shù)使運算時間降低至200ms以下。
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀
對于頻譜分析和電磁干擾測量來說頻譜分析儀是通信測量儀器中常用的設(shè)備由于具有大于100dB的動態(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和分辨出兩個幅度相差很大的信號。頻譜分析儀的缺點是只能顯示頻率分量的幅值而不能獲得信號的相位。對于某些通信元器件和通信鏈路幅值和相位必須能夠同時測量出來前者如放大器和振蕩器后者是第一代至第三代的移動通信。
前面曾提及為了擴大基于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分析儀它是傳統(tǒng)頻譜分析儀與FFT分析儀的結(jié)合從而獲得在高頻和射頻頻率下的FFT分析能力同時顯示幅度和相位信息。對于現(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展儀器到GHz的頻段經(jīng)變頻后的輸入信號頻率變成適于FFT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變換過程產(chǎn)生的信號混疊即變換過程中出現(xiàn)的虛假信號。ADC的輸出分成兩路獲得同相和正交信號經(jīng)DSP作時間一頻率的FFT運算后由顯示屏獲得頻譜的幅度和相位。
目前儀器公司供應的矢量信號分析器的頻率范圍可達3GHz測量對象是復雜的移動通信常用頻段的調(diào)制信號如GSM、CDMA的基帶特性和載波特性。矢量信號分析儀的測量模式有：標量、矢量、數(shù)字解調(diào)和門控測量。觸發(fā)可由基帶輸入信號或由中頻信號調(diào)節(jié)包括觸發(fā)電平和相位。掃頻方式有單次和連續(xù)對測量數(shù)據(jù)可多次平均并用有效值（RMS）、峰值保持和指數(shù)坐標指示。
一種新型的矢量信號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;時基準確度--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；幅度準確度--正負2dB；三階互調(diào)失真---70dB。應用領(lǐng)域是衛(wèi)星通信、擴頻跳頻通信、點到點通信、以及頻率監(jiān)控和搜索。以移動通信的碼分多址（CDMA）來說利用配套的分析軟件可以獲得：
發(fā)射機的平均載波功率
功率隨時間的變化
相位和頻率誤差
鄰近信道功率比
偽隨機噪聲序列的調(diào)制精度
近距離寄發(fā)生發(fā)射頻率
頻譜測量和波形測量
在無線基站或移動電話的產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品檢驗中矢量信號分析儀可按多種工業(yè)標準對GSM、CDMA等的發(fā)射機和手機進行嚴格的精度和動態(tài)范圍測量。在CDMA等通信產(chǎn)品生產(chǎn)中只利用連續(xù)測量是不夠的利用數(shù)字調(diào)制信號可方便地測出輸出功率和失真等重要參數(shù)。
矢量信號分析儀采用Windows平臺容易通過外接微機進行數(shù)據(jù)處理和交換Windows平臺便于性能升級和利用其他工程設(shè)計工具熟識的圖形界面可縮短學習時間留出更多的時間進行測量和應用各種設(shè)計及測試工具。
數(shù)字存儲示波器的頻譜測量
數(shù)字存儲示波器（DSO）的前端就是ADC變換因而同樣具有頻譜分析能力通過標準或選購的FFT模塊獲得頻譜分析特性。應該指出DSO主要特點是時域測量帶寬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入瞬態(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)字在存儲示波器它采用交疊的ADC來提高取樣率例如每塊ADC的取樣率是1Gs/s兩塊疊加起來獲得2Gs/s的取樣率。這是簡便的提高有效帶寬的辦法但用于頻譜顯示時各ADC的線性度、增益、頻率響應和取樣定時稍有差別都會在取樣時鐘脈沖交疊取樣過程中引入頻譜失真相當多了一組Fs/N的取樣脈沖這里Fs是基本取樣頻率N是交疊的ADC數(shù)。這種電路自身產(chǎn)生的混疊信號不容易用濾波器消除用DSO測量高頻信號時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/s ADC構(gòu)成的DSO來觀察100MHz正弦波時會在900、1100MHz附近出現(xiàn)虛假信號。由此可見DSO觀察時域信號是最好的儀器由于頻域變換后往往出現(xiàn)虛假信號測量頻譜特性時一定要注意“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量缺點是只能獲得輸入信號的幅值。矢量信號分析儀頻率范圍較低利用FFT的特點能夠同時獲得幅度和相位特別地第一、二、三代移動通信包括蜂窩、GSM和CDMA設(shè)備的測量。
早期的頻譜分析儀實質(zhì)上是一臺掃頻接收機輸入信號與本地振蕩信號在混頻器變頻后經(jīng)過一組并聯(lián)的不同中心頻率的帶通濾波器使輸入信號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)成簡化分辨率增高測量時間縮短掃頻范圍擴大這就是現(xiàn)代頻譜分析儀的優(yōu)點了。
矢量信號分析儀是在預定頻率范圍內(nèi)自動測量電路增益與相應的儀器它有內(nèi)部的掃頻頻率源或可控制的外部信號源。其功能是測量對輸入該掃頻信號的被測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。頻譜分析儀需要測量未知的和任意的輸入頻率矢量信號分析儀則只測量自身的或受控的已知頻率；頻譜分析儀只測量輸入信號的幅度（標量儀器）矢量信號分析儀則測量輸入信號的幅度和相位（矢量儀器）。由此可見矢量信號分析儀的電路結(jié)構(gòu)比頻譜分析儀復雜價位也較高。現(xiàn)代的矢量信號分析儀也采用快速傅里葉變換以下介紹字們的異同。
頻譜分析儀和FFT頻譜分析儀
傳統(tǒng)的頻譜分析儀的電路是在一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機輸入信號經(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圖就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可以達到很寬的頻率例如30HZ-30GHZ與外部混頻器配合可擴展到100GHz以上頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測量儀器之一。無論測量連續(xù)信號或調(diào)制信號頻譜分析器都是很理想的測量工具。
但是傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點。首先它只適于測量穩(wěn)態(tài)信號不適宜測量瞬態(tài)事件；第二它只能測量頻率的幅度缺少相位信息，風速儀因此屬于標量儀器而不是矢量儀器；第三它需要多種低頻帶通濾波器獲得的測量結(jié)果要花費較長的時間因此被視為非實時儀器。
既然通過傅里葉運算可以將被測信號分解成分立的頻率分量達到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果出現(xiàn)基于快速傅里葉變換（FFT）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）對輸入信號取樣再經(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時頻譜分析儀它的頻率范圍受到ADC采集速率和FFT運算速度的限制。
為獲得良好的儀器線性度和高分辨率對信號進行數(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最高頻率的兩倍亦即頻率上限是100MHz的實時頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。目前半導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到2GHz的帶寬此時垂直分辨率只有8位（256級）顯然8位分辨率過低因此實時頻譜分析儀適用于400MHz帶寬以下的頻段此時具有12位（4096級）以上的分辨率。為了擴展頻率上限可在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的性能用取樣點數(shù)和取樣率來表征例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點數(shù)為2048點則分辨率提高到25Hz。由此可知最高輸入頻率取決全取樣率分辨率取決于取樣點數(shù)。FFT運算時間與取樣點數(shù)成對數(shù)關(guān)系頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時要選用高速的FFT硬件，或者相應的數(shù)字信號處理器（DSP）芯片。例如10MHz輸入頻率的1024點的運算時間80μs而10KHz的1024點的運算時間變?yōu)?4ms1KHz的1024點的運算時間增加至640ms。當運算時間超過200ms時屏幕的反應變慢不適于眼睛的觀察補救辦法是減少取樣點數(shù)使運算時間降低至200ms以下。
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀
對于頻譜分析和電磁干擾測量來說頻譜分析儀是通信測量儀器中常用的設(shè)備由于具有大于100dB的動態(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和分辨出兩個幅度相差很大的信號。頻譜分析儀的缺點是只能顯示頻率分量的幅值而不能獲得信號的相位。對于某些通信元器件和通信鏈路幅值和相位必須能夠同時測量出來前者如放大器和振蕩器后者是第一代至第三代的移動通信。
前面曾提及為了擴大基于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分析儀它是傳統(tǒng)頻譜分析儀與FFT分析儀的結(jié)合從而獲得在高頻和射頻頻率下的FFT分析能力同時顯示幅度和相位信息。對于現(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展儀器到GHz的頻段經(jīng)變頻后的輸入信號頻率變成適于FFT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變換過程產(chǎn)生的信號混疊即變換過程中出現(xiàn)的虛假信號。ADC的輸出分成兩路獲得同相和正交信號經(jīng)DSP作時間一頻率的FFT運算后由顯示屏獲得頻譜的幅度和相位。
目前儀器公司供應的矢量信號分析器的頻率范圍可達3GHz測量對象是復雜的移動通信常用頻段的調(diào)制信號如GSM、CDMA的基帶特性和載波特性。矢量信號分析儀的測量模式有：標量、矢量、數(shù)字解調(diào)和門控測量。觸發(fā)可由基帶輸入信號或由中頻信號調(diào)節(jié)包括觸發(fā)電平和相位。掃頻方式有單次和連續(xù)對測量數(shù)據(jù)可多次平均并用有效值（RMS）、峰值保持和指數(shù)坐標指示。
一種新型的矢量信號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;時基準確度--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；幅度準確度--正負2dB；三階互調(diào)失真---70dB。應用領(lǐng)域是衛(wèi)星通信、擴頻跳頻通信、點到點通信、以及頻率監(jiān)控和搜索。以移動通信的碼分多址（CDMA）來說利用配套的分析軟件可以獲得：
發(fā)射機的平均載波功率
功率隨時間的變化
相位和頻率誤差
鄰近信道功率比
偽隨機噪聲序列的調(diào)制精度
近距離寄發(fā)生發(fā)射頻率
頻譜測量和波形測量
在無線基站或移動電話的產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品檢驗中矢量信號分析儀可按多種工業(yè)標準對GSM、CDMA等的發(fā)射機和手機進行嚴格的精度和動態(tài)范圍測量。在CDMA等通信產(chǎn)品生產(chǎn)中只利用連續(xù)測量是不夠的利用數(shù)字調(diào)制信號可方便地測出輸出功率和失真等重要參數(shù)。
矢量信號分析儀采用Windows平臺容易通過外接微機進行數(shù)據(jù)處理和交換Windows平臺便于性能升級和利用其他工程設(shè)計工具熟識的圖形界面可縮短學習時間留出更多的時間進行測量和應用各種設(shè)計及測試工具。
數(shù)字存儲示波器的頻譜測量
數(shù)字存儲示波器（DSO）的前端就是ADC變換因而同樣具有頻譜分析能力通過標準或選購的FFT模塊獲得頻譜分析特性。應該指出DSO主要特點是時域測量帶寬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入瞬態(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)字在存儲示波器它采用交疊的ADC來提高取樣率例如每塊ADC的取樣率是1Gs/s兩塊疊加起來獲得2Gs/s的取樣率。這是簡便的提高有效帶寬的辦法但用于頻譜顯示時各ADC的線性度、增益、頻率響應和取樣定時稍有差別都會在取樣時鐘脈沖交疊取樣過程中引入頻譜失真相當多了一組Fs/N的取樣脈沖這里Fs是基本取樣頻率N是交疊的ADC數(shù)。這種電路自身產(chǎn)生的混疊信號不容易用濾波器消除用DSO測量高頻信號時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/s ADC構(gòu)成的DSO來觀察100MHz正弦波時會在900、1100MHz附近出現(xiàn)虛假信號。由此可見DSO觀察時域信號是最好的儀器由于頻域變換后往往出現(xiàn)虛假信號測量頻譜特性時一定要注意“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量缺點是只能獲得輸入信號的幅值。矢量信號分析儀頻率范圍較低利用FFT的特點能夠同時獲得幅度和相位特別地第一、二、三代移動通信包括蜂窩、GSM和CDMA設(shè)備的測量。
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