技術(shù)文章
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頻譜分析儀的五個(gè)關(guān)鍵考慮因素
一系列規(guī)格決定了頻譜分析儀的性能。但在選擇儀器時(shí)，只有少數(shù)幾個(gè)特性是至關(guān)重要的。
由Signal Hound提供
隨著無線技術(shù)滲透到我們的生活，越來越多的工程師發(fā)現(xiàn)他們必須進(jìn)行 RF 測量。過去，RF 測試需要使用昂貴的設(shè)備，只有具備深厚 RF 知識(shí)的工程師才能操作。然而，如今，具有廣泛背景的工程師和技術(shù)人員必須測量 RF。
頻譜分析儀是用于測量射頻信號(hào)的最常見實(shí)驗(yàn)室儀器。從歷史上看，這些儀器價(jià)格昂貴，由常駐射頻專家保護(hù)。但射頻集成電路的進(jìn)步使得突破頻譜分析儀架構(gòu)成為可能。許多公司驚訝地發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代射頻儀器并不一定昂貴。如今，通常的做法是購買一臺(tái)體積大且價(jià)格昂貴的頻譜分析儀，以滿足一些具有挑戰(zhàn)性的要求，然后在每個(gè)工作臺(tái)上配備價(jià)格較便宜的基于 PC 的分析儀，這些分析儀可以處理 95% 的工作量。
兩種不同的基于 PC 的頻譜分析儀 Signal Hound SM200B 和 BB60C 的本底噪聲。
動(dòng)態(tài)范圍是任何頻譜分析儀的重要規(guī)格。當(dāng)尋找低電平信號(hào)時(shí)，它決定了您區(qū)分信號(hào)和本底噪聲的能力。一個(gè)重要的考慮因素是確定測試情況所需的最低電平。對(duì)于許多測量，主要目標(biāo)可能是準(zhǔn)確表征主信號(hào)。在這些情況下，60 dB 的本底信噪比可能綽綽有余。在一些實(shí)驗(yàn)室中，一些測試站可能需要更昂貴的頻譜分析儀，提供 85 dB 或更高的本底信噪比。
頂部，Signal Hound 和 Keysight MXA 的 PC 頻譜分析儀主要規(guī)格比較。需要注意的一點(diǎn)是：可以以大約 1,000 美元的價(jià)格購買能夠直接查看 WiFi 和其他 ISM 頻段發(fā)射的頻譜分析儀。下面，比較了 PC 頻譜分析儀和 SSB 相位噪聲專用版本。Signal Hound SM200B 使用低中頻架構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)出色的相位噪聲性能。Signal Hound SA44 和 BB60 使用更傳統(tǒng)的超外差架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了更適中的相位噪聲，但價(jià)格適中。請(qǐng)注意，對(duì)于 SA44，列出的結(jié)果是典型的，因?yàn)樗鼪]有相位噪聲的硬性規(guī)格。單擊圖像放大。
頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍規(guī)格可能令人困惑。儀器通常會(huì)顯示較低的 DANL（顯示平均噪聲水平）數(shù)字（例如，小于 -150 dBm/Hz）。DANL 數(shù)字有時(shí)會(huì)被誤解，因?yàn)樗鼈內(nèi)Q于許多因素，例如頻率、衰減、檢測器、前置放大器等。
為了對(duì)頻譜分析儀進(jìn)行簡單的比較，可以看看最大動(dòng)態(tài)范圍，它規(guī)定為 1 GHz 時(shí)三階截取點(diǎn)和 DANL 之間差值的三分之二。
在許多應(yīng)用中，掃描速度至關(guān)重要。例如，頻譜監(jiān)測情況
在 BB60C 和 SM200B PC 頻譜分析儀上進(jìn)行相鄰信道功率比 (ACPR) 測量。請(qǐng)注意，SM200B 的本底噪聲低 22 dB。單擊圖像可放大。
通常需要進(jìn)行廣泛的頻率掃描以搜索各種信號(hào)情況。例如，Signal Hound 的 SM200B 在其任何分辨率帶寬設(shè)置≥30 kHz 下提供 1 THz/秒的掃描速度。在短短 19 毫秒內(nèi)覆蓋 1 GHz 至 20 GHz 的頻率范圍，可以對(duì)無線電波進(jìn)行持續(xù)掃描。最重要的是，這可以在很長一段時(shí)間內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行，無需操作員在場。只需定義一個(gè)基線，任何違反該基線的信號(hào)都會(huì)實(shí)時(shí)記錄到 CSV 文件中。這最大限度地提高了效率和安全性，因?yàn)榧词褂?jì)算機(jī)關(guān)閉，數(shù)據(jù)也會(huì)得到保留。
Signal Hound 頻譜分析儀架構(gòu)還允許使用額外的技術(shù)來進(jìn)一步提高速度。在許多情況下，儀器軟件會(huì)消耗計(jì)算機(jī)處理器開銷。像 Signal Hound 的 Spike 頻譜分析儀軟件這樣的應(yīng)用程序可能會(huì)對(duì)整體測試時(shí)間產(chǎn)生輕微影響。在幾分之一秒至關(guān)重要的情況下，Signal Hound 允許其用戶繞過 Spike，以便直接進(jìn)行設(shè)備 API 編程和更快的測量。Signal Hound 頻譜分析儀可以用 C++、LabView、Matlab、Python、C# 或任何具有 C 綁定的語言進(jìn)行編程。
相位噪聲測量
許多設(shè)備和系統(tǒng)都需要精確的相位噪聲測量。頻譜分析儀通常用于這種測量。但是，頻譜分析儀本身的相位噪聲必須足夠低，以免影響設(shè)備測量。
例如，Signal Hound SM200B 采用低中頻架構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)出色的相位噪聲性能，可與更昂貴的頻譜分析儀的性能相媲美。Signal Hound SA44 和 BB60 采用更傳統(tǒng)的超外差架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)更適中的相位噪聲性能，但成本更低。
Signal Hound Spike 頻譜分析軟件上的相位噪聲測量功能。
SM200B 的低中頻架構(gòu)確實(shí)伴隨著更高的鏡像響應(yīng)雜散。雖然殘余響應(yīng)雜散與 MXA 相當(dāng)，但鏡像響應(yīng)雜散不如 MXA 的低 (<-74 dBc)。SM200B Spike 軟件提供了可激活和停用的信號(hào) ID 功能，允許區(qū)分低電平混頻器雜散和 RF 輸入信號(hào)。在許多情況下，雜散可以被識(shí)別為來自頻譜分析儀而不是被測設(shè)備 (DUT)，從而允許在實(shí)際測量期間忽略它們。BB60C 更傳統(tǒng)的超外差架構(gòu)通常具有 -70 dBc 鏡像抑制。BB60C 雜散通常不是來自鏡像響應(yīng)。
基于 PC 的 Signal Hound 頻譜分析儀上的數(shù)字調(diào)制分析包括 QPSK、BPSK、8PSK、π/4DQPSK、DQPSK 和 QAM16/32/64/256 等調(diào)制格式的星座圖和符號(hào)表。測量包括：誤差矢量幅度 (EVM)、信噪比 (SNR)、調(diào)制誤差比 (MER)、調(diào)制質(zhì)量指標(biāo)、線性補(bǔ)償（例如載波偏移、I/Q 偏移、幅度下降（線性幅度校正）、同步模式觸發(fā)和眼圖。
對(duì)于許多現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)（從復(fù)雜的調(diào)制通信信號(hào)到干擾事件，再到脈沖戰(zhàn)術(shù)信號(hào)），信號(hào)能量可能是零星的、非重復(fù)的，甚至是隨機(jī)的。使用傳統(tǒng)的頻譜分析，幾乎不可能在分析窗口中捕獲這些信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行觸發(fā)。現(xiàn)代通信調(diào)制方案通過跳頻、擴(kuò)頻、脈沖和認(rèn)知無線電低截獲概率技術(shù)等技術(shù)進(jìn)一步增加了挑戰(zhàn)。
實(shí)時(shí)頻譜分析(RTSA) 是一種數(shù)字信號(hào)處理方法，利用重疊 FFT 和高速內(nèi)存，即使在極其密集的環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn) 100% 的攔截概率 (POI)。實(shí)時(shí)帶寬是提供無間隙重疊 FFT 處理的最大頻率跨度，是 RTSA 的一個(gè)重要參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更詳細(xì)的頻譜分析。
實(shí)時(shí)分析中的持久性和瀑布圖顯示 2.4 GHz ISM 頻段的占用情況。屏幕上顯示藍(lán)牙耳機(jī)和手機(jī)正在搜索無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸情況。
對(duì)于基于 PC 的頻譜分析而言，實(shí)時(shí)不再意味著昂貴。例如，Signal Hound 提供高達(dá) 160 MHz 的 RTSA 功能，100% 的概率可在 12 微秒內(nèi)攔截信號(hào)。但是，在許多情況下，您甚至不需要 160 MHz 的分析帶寬。例如，假設(shè)您正在測試具有 25 kHz 最大帶寬信號(hào)的設(shè)備，例如鑰匙扣。您可能只需要按下按鍵并確保中心頻率、帶寬和調(diào)制正確。
比較基于 PC 的 Signal Hound 與傳統(tǒng)頻譜分析儀的實(shí)時(shí)分析能力。單擊可放大圖像。
復(fù)雜信號(hào)分析功能包括相鄰信道功率比 (ACPR) 或相鄰信道泄漏比 (ACLR)、占用帶寬 (OBW) 和信道功率測量。例如，BB60C 等設(shè)備提供的 27 MHz 瞬時(shí)帶寬可以實(shí)時(shí)測量帶寬極寬的信號(hào)（瞬時(shí)或連續(xù)）。對(duì)于需要更多瞬時(shí)帶寬的應(yīng)用，SM200B 可提供 160 MHz 的帶寬。
另一個(gè)考慮因素是硬件系統(tǒng)的分離。傳統(tǒng)上，測試儀器使用內(nèi)置 PC，采用特殊的內(nèi)部控制器板的形式，其產(chǎn)量比商用 PC 低得多，并且通常由第三方制造。這些內(nèi)部控制器落后其商用同類產(chǎn)品兩到五代并不罕見，因?yàn)樗鼈兪乔度胧降摹＿@必然意味著，當(dāng)頻譜分析儀進(jìn)入市場時(shí)，內(nèi)部控制器已經(jīng)過時(shí)了。
此外，這些內(nèi)置控制器通常僅在更換儀器時(shí)更新 - 這意味著在儀器的生命周期結(jié)束時(shí)，用戶將面對(duì)比當(dāng)前 PC 慢幾代的處理器。使用當(dāng)前一代 PC 的能力將使測試設(shè)備的整體性能更接近當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)。
現(xiàn)在將傳統(tǒng)內(nèi)部控制器的成本考慮在內(nèi)，并將其標(biāo)價(jià)為供應(yīng)商成本的至少四倍，以得出客戶的成本。基于 USB 的測試儀器通過使用外部 PC 作為測量控制器來消除此問題。當(dāng)然，使用外部 PC 來控制測量可使所有收集的數(shù)據(jù)駐留在 PC 上。
更多頻譜分析儀內(nèi)容請(qǐng)看北京迪陽世紀(jì)官網(wǎng)：weeaffairs.com
由Signal Hound提供
隨著無線技術(shù)滲透到我們的生活，越來越多的工程師發(fā)現(xiàn)他們必須進(jìn)行 RF 測量。過去，RF 測試需要使用昂貴的設(shè)備，只有具備深厚 RF 知識(shí)的工程師才能操作。然而，如今，具有廣泛背景的工程師和技術(shù)人員必須測量 RF。
頻譜分析儀是用于測量射頻信號(hào)的最常見實(shí)驗(yàn)室儀器。從歷史上看，這些儀器價(jià)格昂貴，由常駐射頻專家保護(hù)。但射頻集成電路的進(jìn)步使得突破頻譜分析儀架構(gòu)成為可能。許多公司驚訝地發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代射頻儀器并不一定昂貴。如今，通常的做法是購買一臺(tái)體積大且價(jià)格昂貴的頻譜分析儀，以滿足一些具有挑戰(zhàn)性的要求，然后在每個(gè)工作臺(tái)上配備價(jià)格較便宜的基于 PC 的分析儀，這些分析儀可以處理 95% 的工作量。
兩種不同的基于 PC 的頻譜分析儀 Signal Hound SM200B 和 BB60C 的本底噪聲。
動(dòng)態(tài)范圍是任何頻譜分析儀的重要規(guī)格。當(dāng)尋找低電平信號(hào)時(shí)，它決定了您區(qū)分信號(hào)和本底噪聲的能力。一個(gè)重要的考慮因素是確定測試情況所需的最低電平。對(duì)于許多測量，主要目標(biāo)可能是準(zhǔn)確表征主信號(hào)。在這些情況下，60 dB 的本底信噪比可能綽綽有余。在一些實(shí)驗(yàn)室中，一些測試站可能需要更昂貴的頻譜分析儀，提供 85 dB 或更高的本底信噪比。
頂部，Signal Hound 和 Keysight MXA 的 PC 頻譜分析儀主要規(guī)格比較。需要注意的一點(diǎn)是：可以以大約 1,000 美元的價(jià)格購買能夠直接查看 WiFi 和其他 ISM 頻段發(fā)射的頻譜分析儀。下面，比較了 PC 頻譜分析儀和 SSB 相位噪聲專用版本。Signal Hound SM200B 使用低中頻架構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)出色的相位噪聲性能。Signal Hound SA44 和 BB60 使用更傳統(tǒng)的超外差架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了更適中的相位噪聲，但價(jià)格適中。請(qǐng)注意，對(duì)于 SA44，列出的結(jié)果是典型的，因?yàn)樗鼪]有相位噪聲的硬性規(guī)格。單擊圖像放大。
頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍規(guī)格可能令人困惑。儀器通常會(huì)顯示較低的 DANL（顯示平均噪聲水平）數(shù)字（例如，小于 -150 dBm/Hz）。DANL 數(shù)字有時(shí)會(huì)被誤解，因?yàn)樗鼈內(nèi)Q于許多因素，例如頻率、衰減、檢測器、前置放大器等。
為了對(duì)頻譜分析儀進(jìn)行簡單的比較，可以看看最大動(dòng)態(tài)范圍，它規(guī)定為 1 GHz 時(shí)三階截取點(diǎn)和 DANL 之間差值的三分之二。
在許多應(yīng)用中，掃描速度至關(guān)重要。例如，頻譜監(jiān)測情況
在 BB60C 和 SM200B PC 頻譜分析儀上進(jìn)行相鄰信道功率比 (ACPR) 測量。請(qǐng)注意，SM200B 的本底噪聲低 22 dB。單擊圖像可放大。
通常需要進(jìn)行廣泛的頻率掃描以搜索各種信號(hào)情況。例如，Signal Hound 的 SM200B 在其任何分辨率帶寬設(shè)置≥30 kHz 下提供 1 THz/秒的掃描速度。在短短 19 毫秒內(nèi)覆蓋 1 GHz 至 20 GHz 的頻率范圍，可以對(duì)無線電波進(jìn)行持續(xù)掃描。最重要的是，這可以在很長一段時(shí)間內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行，無需操作員在場。只需定義一個(gè)基線，任何違反該基線的信號(hào)都會(huì)實(shí)時(shí)記錄到 CSV 文件中。這最大限度地提高了效率和安全性，因?yàn)榧词褂?jì)算機(jī)關(guān)閉，數(shù)據(jù)也會(huì)得到保留。
Signal Hound 頻譜分析儀架構(gòu)還允許使用額外的技術(shù)來進(jìn)一步提高速度。在許多情況下，儀器軟件會(huì)消耗計(jì)算機(jī)處理器開銷。像 Signal Hound 的 Spike 頻譜分析儀軟件這樣的應(yīng)用程序可能會(huì)對(duì)整體測試時(shí)間產(chǎn)生輕微影響。在幾分之一秒至關(guān)重要的情況下，Signal Hound 允許其用戶繞過 Spike，以便直接進(jìn)行設(shè)備 API 編程和更快的測量。Signal Hound 頻譜分析儀可以用 C++、LabView、Matlab、Python、C# 或任何具有 C 綁定的語言進(jìn)行編程。
相位噪聲測量
許多設(shè)備和系統(tǒng)都需要精確的相位噪聲測量。頻譜分析儀通常用于這種測量。但是，頻譜分析儀本身的相位噪聲必須足夠低，以免影響設(shè)備測量。
例如，Signal Hound SM200B 采用低中頻架構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)出色的相位噪聲性能，可與更昂貴的頻譜分析儀的性能相媲美。Signal Hound SA44 和 BB60 采用更傳統(tǒng)的超外差架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)更適中的相位噪聲性能，但成本更低。
Signal Hound Spike 頻譜分析軟件上的相位噪聲測量功能。
SM200B 的低中頻架構(gòu)確實(shí)伴隨著更高的鏡像響應(yīng)雜散。雖然殘余響應(yīng)雜散與 MXA 相當(dāng)，但鏡像響應(yīng)雜散不如 MXA 的低 (<-74 dBc)。SM200B Spike 軟件提供了可激活和停用的信號(hào) ID 功能，允許區(qū)分低電平混頻器雜散和 RF 輸入信號(hào)。在許多情況下，雜散可以被識(shí)別為來自頻譜分析儀而不是被測設(shè)備 (DUT)，從而允許在實(shí)際測量期間忽略它們。BB60C 更傳統(tǒng)的超外差架構(gòu)通常具有 -70 dBc 鏡像抑制。BB60C 雜散通常不是來自鏡像響應(yīng)。
基于 PC 的 Signal Hound 頻譜分析儀上的數(shù)字調(diào)制分析包括 QPSK、BPSK、8PSK、π/4DQPSK、DQPSK 和 QAM16/32/64/256 等調(diào)制格式的星座圖和符號(hào)表。測量包括：誤差矢量幅度 (EVM)、信噪比 (SNR)、調(diào)制誤差比 (MER)、調(diào)制質(zhì)量指標(biāo)、線性補(bǔ)償（例如載波偏移、I/Q 偏移、幅度下降（線性幅度校正）、同步模式觸發(fā)和眼圖。
對(duì)于許多現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)（從復(fù)雜的調(diào)制通信信號(hào)到干擾事件，再到脈沖戰(zhàn)術(shù)信號(hào)），信號(hào)能量可能是零星的、非重復(fù)的，甚至是隨機(jī)的。使用傳統(tǒng)的頻譜分析，幾乎不可能在分析窗口中捕獲這些信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行觸發(fā)。現(xiàn)代通信調(diào)制方案通過跳頻、擴(kuò)頻、脈沖和認(rèn)知無線電低截獲概率技術(shù)等技術(shù)進(jìn)一步增加了挑戰(zhàn)。
實(shí)時(shí)頻譜分析(RTSA) 是一種數(shù)字信號(hào)處理方法，利用重疊 FFT 和高速內(nèi)存，即使在極其密集的環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn) 100% 的攔截概率 (POI)。實(shí)時(shí)帶寬是提供無間隙重疊 FFT 處理的最大頻率跨度，是 RTSA 的一個(gè)重要參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更詳細(xì)的頻譜分析。
實(shí)時(shí)分析中的持久性和瀑布圖顯示 2.4 GHz ISM 頻段的占用情況。屏幕上顯示藍(lán)牙耳機(jī)和手機(jī)正在搜索無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸情況。
對(duì)于基于 PC 的頻譜分析而言，實(shí)時(shí)不再意味著昂貴。例如，Signal Hound 提供高達(dá) 160 MHz 的 RTSA 功能，100% 的概率可在 12 微秒內(nèi)攔截信號(hào)。但是，在許多情況下，您甚至不需要 160 MHz 的分析帶寬。例如，假設(shè)您正在測試具有 25 kHz 最大帶寬信號(hào)的設(shè)備，例如鑰匙扣。您可能只需要按下按鍵并確保中心頻率、帶寬和調(diào)制正確。
比較基于 PC 的 Signal Hound 與傳統(tǒng)頻譜分析儀的實(shí)時(shí)分析能力。單擊可放大圖像。
復(fù)雜信號(hào)分析功能包括相鄰信道功率比 (ACPR) 或相鄰信道泄漏比 (ACLR)、占用帶寬 (OBW) 和信道功率測量。例如，BB60C 等設(shè)備提供的 27 MHz 瞬時(shí)帶寬可以實(shí)時(shí)測量帶寬極寬的信號(hào)（瞬時(shí)或連續(xù)）。對(duì)于需要更多瞬時(shí)帶寬的應(yīng)用，SM200B 可提供 160 MHz 的帶寬。
另一個(gè)考慮因素是硬件系統(tǒng)的分離。傳統(tǒng)上，測試儀器使用內(nèi)置 PC，采用特殊的內(nèi)部控制器板的形式，其產(chǎn)量比商用 PC 低得多，并且通常由第三方制造。這些內(nèi)部控制器落后其商用同類產(chǎn)品兩到五代并不罕見，因?yàn)樗鼈兪乔度胧降摹＿@必然意味著，當(dāng)頻譜分析儀進(jìn)入市場時(shí)，內(nèi)部控制器已經(jīng)過時(shí)了。
此外，這些內(nèi)置控制器通常僅在更換儀器時(shí)更新 - 這意味著在儀器的生命周期結(jié)束時(shí)，用戶將面對(duì)比當(dāng)前 PC 慢幾代的處理器。使用當(dāng)前一代 PC 的能力將使測試設(shè)備的整體性能更接近當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)。
現(xiàn)在將傳統(tǒng)內(nèi)部控制器的成本考慮在內(nèi)，并將其標(biāo)價(jià)為供應(yīng)商成本的至少四倍，以得出客戶的成本。基于 USB 的測試儀器通過使用外部 PC 作為測量控制器來消除此問題。當(dāng)然，使用外部 PC 來控制測量可使所有收集的數(shù)據(jù)駐留在 PC 上。
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