原创频谱分析仪的来龙去脉

 2022-12-15 14:35  1415 5 2 分类: 测试测量

频谱分析仪是射频微波应用领域常用的测试仪表，通过频谱仪的测试，可以得到信号很多重要的性能参数，如信号频率，信号功率，信号带宽，杂散性能等。对于一个射频工程师来讲，能正确使用频谱仪来测试和分析信号，也是个重要的技能喔！如果能正确使用仪表越来越丰富的技术功能，就可以实现工作事半功倍的效果，不能只做埋头苦干的攻城狮，煎饼侠也要笑傲江湖！

现在我们就来了解下频谱分析仪的来龙去脉和技术能力吧！频谱分析仪简称SA(Spectrum Analyzer),现在随着技术的发展，SA的内容又变成Signal Analyzer信号分析仪，这其实是意味着仪表功能一个巨大质的提升！

无论如何变化，SA的基本功能就是测试信号的频谱，频谱测试的技术是如何变化的呢？

图1：频谱测试的基本功能

第一代的频谱分析仪完全采用模拟电路的处理方式，典型的代表就是HP/Agilent的E8563A频谱分析仪。它采用模拟的扫频的技术来完成频谱测试，形象的比喻就是像一台老式的收音机，收音机通过旋钮调谐来对准广播的信号频率，从而可以收听到这个电台的声音。扫频频谱仪也是通过一个能自动扫频的振荡器在设置的频率范围内进行扫描，当扫频本振的频率和被测信号频率一样时，仪表就显示一条线来表示这个信号，这个线的高度代表信号的幅度，就像收音机输出的音量一样。当然频谱仪能扫描的范围比收音机宽得多，也快的多，能在毫秒的时间内扫频26G频率的范围。

扫频式方法是频谱仪最早采用的技术，现在频谱仪在进行宽带频谱测试时还是采用这种方法。扫频测试的最大缺点就是对瞬变信号没有测试能力，就像收音机在收听交通台的时候不知道音乐台在播放什么节目，扫频频谱仪只能定量测试稳定或周期出现的信号。

图2：模拟扫频式频谱仪

矢量信号分析仪(VSA： vector signal analyzer)也是经常听到的一种测试仪表，其实VSA是随着数字信号处理技术发展而出现的信号测试新技术，在频谱测试中，采用FFT（快速傅里叶变换）来完成频谱测试。FFT测试频谱就像照相机拍照片，一下子就能获得整副图形，FFT能获得分析带宽内整个的频谱信息，而不需要通过扫描一点一点得到。从而可以大大提高频谱测试的速度。还能大大提高频谱测试时的性能，比如由于采用数字滤波来完成RBW的分辨滤波器，滤波器的矩形系数能大大降低，从而提高了频谱分析仪测试的动态范围和分辨率。

图3：矢量信号分析仪

图4：数字滤波器对频谱分析性能的提升

VSA（矢量信号分析仪）的技术核心是对信号进行数字化处理，所以很容易对信号数据进行更多功能的分析，其中最重要的就是信号解调，通过对信号的相位，频率，幅度参数的提取和分析，提供信号的调制星座图，给出EVM，相位误差，频率误差等调制特性参数都是VSA的重要功能。

图5：VSA提供的信号解调功能

照相机两次快门按下的中间间隙是无法拍照的，VSA在进行连续两次FFT的中间也无法进行信号测试，这样对出现在这个间隙中的信号就会丢失，从而无法捕捉到信号进行分析。实时信号分析仪（RTSA：Real time signal analyzer）的出现就解决了这个问题，RTSA通过硬件来完成数字信号处理，大大提高信号处理的速度，就像把照相机升级到高速的摄像机，对目标每个时刻的变化都能及时的捕捉。当然这个能力也是有限度的，现在先进的RTSA能对大约出现超过3ns的信号进行发现和捕捉。Keysight的N9040B就是其中的典型代表，测试的频率范围也由之前的26G扩展到110G或者更高的太赫兹频段。

图6：Keysight N9040B宽带实时信号分析仪

利用RTSA能实时准确的捕捉瞬变的信号，图7为普通频谱仪测试瞬变信号和RTSA测试结果的对比，普通频谱仪只能捕捉到瞬变信号变化过程中的频率分量，无论是显示的频率还是幅度都和主信号的信息不符。而RTSA能准确地显示主信号的频谱信息，当然信号变化过程中带来的其他频率分量也能完整反映。

那你会问，什么是瞬变信号？瞬变信号就是信号的频率，功率等参数是变化的，而且是无规律的变化，最典型的瞬变信号就是常见的无线宽带wifi信号，wifi设备发射的信号是一会有，一会没有的突发信号，信号的频率也是在频段内几个频点切换跳变。你可以使用任何一台普通的频谱仪设置到2.4G的频率位置，就能看到这个不断在跳舞的wifi信号了。

图7：实时信号分析仪对瞬变信号的准确测试

由于先进的RTSA采用高速的ADC和FPGA硬件处理，仪表的分析带宽和分析速度能保证仪表对复杂信号进行分析。图8的实例就是RTSA通过宽带采集能完整测试宽频段范围的多个信号，并对不同载波的信号进行解调和频谱处理，全局信号分布和每个信号的细节参数测试同步完成，相信这样的功能能帮助技术工程师更好、更快地完成信号的测试任务。