原创当今频谱分析仪技术一瞥(一)

 2008-7-4 13:04  3046 6 6 分类: 测试测量

根据你要测试的不同信号种类，一台扫描调谐、矢量或频谱分析仪新增RFID和HSUPA测试软件">实时频谱分析仪可能成为最佳选择。

像大多数的现代无线电通信设备一样，无线局域网(WLAN)、RFID标签和3G蜂窝系统都依靠需要有专业信号分析能力的复杂调制。这样，测试当今复杂的RF信号已变得日益具有挑战性。为响应该需求，测试与测量行业已推出一大批令人眼花缭乱的扫描调谐频谱分析仪、矢量信号分析仪和实时频谱分析仪。

RF频谱分析仪从60年代起就已经盛行。几十年里，频谱分析仪的技术和性能有了相当大的进展。今天，存在三类基本的频谱分析仪：扫描调谐频谱分析仪(SA)、矢量信号分析仪(VSA)和实时频谱分析仪(RTSA)。

虽然这三类测量仪器的功能有重叠部分，但有一些重要的差异可以区分它们。了解这些差异是它们在复杂WLAN、RFID和3G诊断问题上合适应用的关键。

信号分析的演变

第一批RF频谱分析仪是扫描调谐仪器，对分析70年代末以前作为RF行业主体的简单模拟连续信号很理想(如图1a)。在70年代末，半导体的速度和集成提高到足以让数字调制变成实际应用。这样就需要新的信号分析设备为更加复杂的正交幅度调制(QAM)信号提供诊断信息。测试和测量行业回应此需求推出了星座分析仪。刚开始时，星座分析仪只是一台带有宽带频道和Z轴光束光线的示波器，用以控制允许数字符号在阴极射线管的X和Y显示器上映射。

星座分析仪是一台基带时域测量仪器。随着半导体的改进，无闪动星座显示器的基带QAM信号的数字取样变成了可能。在变革性的一步里，数字取样的星座分析仪和RF下变频器打包在一起创造现代的VSA。VSA也能用快速傅立叶转换(FFT)加速地处理数字时间取样数据到频域,创立第二类频谱分析仪(如图1b)。

就在VSA发展的同时，因为一个大不相同的原因，频谱分析的另一个突破出现了。智囊团关注可能会探测不到的闪光信号脉冲。扫描频谱分析仪和VSA原是为连续信号而开发的，只兼任测试RF频谱。在扫描仪器或记录仪器出现之前的无分析、空白期间，国家安全问题出现了一个严重的担忧。

这一需求呼唤一种能持续分析RF频谱的频谱分析仪。它有能力把时域数据实时转换到频域，这既不是扫描调谐频谱分析仪也不是VSA的设计目的所能涵盖的。捕获和分析闪光信号的需求导致了实时频谱分析仪(如图1c)的开发。

不同的分析应用----模拟连续信号、连续数字调制和间歇数字调制脉冲----造就了今天存在的三类基本型频谱分析仪。每一类都在为不同的应用继续发展和优化。

每一类频谱分析仪如何工作

在扫描调谐的SA输入里，用一个可变衰减器来调节信号强弱并用预选器(如图2a)过滤信号。窄频可调预选器通常和钇铁石榴石(YIG)共鸣器做在一起，以消除多余的信号，阻止第一个混频器里假信号的出现。在低于几个GHz的频率下，低通滤波器通常找开用来预选。

然后，扫频仪越过分析频宽(X轴)调谐本机振荡器(LO)，把信号降频变换到解析带宽(RBW)滤波器里。接着信号振幅被包络检测、视频滤波并显示到Y轴上。

据描述，在早期的频谱分析仪里，扫频仪输出和垂直轴驱动器实际上驱动的是阴级射线管的X轴和Y轴。现代的仪器把这些电压数字化用来驱动LCD。最近的一些分析器把整个IF的资料都数字化，用数字的方式来实现。大部分的现代SA也有数字合成的LO，它渐进调谐越过频宽而不是连续模拟扫描。扫描调谐的SA为动态范围、LO相位噪声性能和频率范围作优化。它可涵盖在从几Hz到几百GHz的有外部混频的频率范围。

VSA的结构图，就像SA的一样，有一个可变衰减器在其输入处。由于信号相位信息保存在VSA里，YIG预选器被一个更加相位稳定和宽带固频的带通滤波器(如图2b)所代替。

其次，它是用一个固定的LO实现信号降频变换。VSA的模拟到数字转换器(ADC)把信号数字化并存储到内存里。这些已存数据被传送到微处理器进行捕获前分析。微处理器可以运行FFT来观察频谱或者数字调制信号以分析评价。

VSA常常在频谱分析的能力上有限。SA和VSA都可由他们的IF带宽提供的动力触发，但不包含频率选择触发器。这一点导致它们不能捕获瞬态信号。一些SA与VSA的混合体让用户在SA的动态范围和VSA的调制分析间作选择。

RTSA的前端降频变换和数字化和VSA的相似。VSA和RTSA的主要区别存在信号数字化后的DSP处理上。RTSA结合了一些实时信号处理成分，而VSA里却没有。

和VSA不同，RTSA在信号捕获(如图2c)前能实时地将时间取样的数据转换到频域里。这一点允许了在被捕获信号触发到内存前，进行信号频谱事前分析。这一方法可以预览信号并仅触发那些有兴趣的频谱。频率模板触发器(FMT)让分析仪能够探测和触发频谱(如图3)里那些紧挨着最大信号电平下面的信号。FMT技术比简单的IF电平触发技术优越，它提供了一个可靠的方法去观察复杂频谱里的嵌入闪光RF信号。