技術文章
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頻譜分析儀的五個關鍵考慮因素
一系列規(guī)格決定了頻譜分析儀的性能,。但在選擇儀器時,，只有少數(shù)幾個特性是至關重要的。
由Signal Hound提供
隨著無線技術滲透到我們的生活,，越來越多的工程師發(fā)現(xiàn)他們必須進行 RF 測量,。過去,，RF 測試需要使用昂貴的設備，只有具備深厚 RF 知識的工程師才能操作,。然而,，如今，具有廣泛背景的工程師和技術人員必須測量 RF,。
頻譜分析儀是用于測量射頻信號的最常見實驗室儀器,。從歷史上看,，這些儀器價格昂貴，由常駐射頻專家保護,。但射頻集成電路的進步使得突破頻譜分析儀架構成為可能,。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體積大且價格昂貴的頻譜分析儀，以滿足一些具有挑戰(zhàn)性的要求,，然后在每個工作臺上配備價格較便宜的基于 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,。
動態(tài)范圍是任何頻譜分析儀的重要規(guī)格,。當尋找低電平信號時，它決定了您區(qū)分信號和本底噪聲的能力,。一個重要的考慮因素是確定測試情況所需的最低電平,。對于許多測量，主要目標可能是準確表征主信號,。在這些情況下,，60 dB 的本底信噪比可能綽綽有余。在一些實驗室中,，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,。需要注意的一點是：可以以大約 1,000 美元的價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 使用低中頻架構設計，可實現(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,，實現(xiàn)了更適中的相位噪聲，但價格適中,。請注意,，對于 SA44，列出的結果是典型的,，因為它沒有相位噪聲的硬性規(guī)格,。單擊圖像放大。
頻譜分析儀的動態(tài)范圍規(guī)格可能令人困惑,。儀器通常會顯示較低的 DANL（顯示平均噪聲水平）數(shù)字（例如,，小于 -150 dBm/Hz）。DANL 數(shù)字有時會被誤解,，因為它們取決于許多因素,，例如頻率、衰減,、檢測器,、前置放大器等。
為了對頻譜分析儀進行簡單的比較,，可以看看最大動態(tài)范圍,，它規(guī)定為 1 GHz 時三階截取點和 DANL 之間差值的三分之二。
在許多應用中,，掃描速度至關重要,。例如，頻譜監(jiān)測情況
在 BB60C 和 SM200B PC 頻譜分析儀上進行相鄰信道功率比 (ACPR) 測量,。請注意,，SM200B 的本底噪聲低 22 dB。單擊圖像可放大,。
通常需要進行廣泛的頻率掃描以搜索各種信號情況,。例如，Signal Hound 的 SM200B 在其任何分辨率帶寬設置≥30 kHz 下提供 1 THz/秒的掃描速度,。在短短 19 毫秒內覆蓋 1 GHz 至 20 GHz 的頻率范圍,，可以對無線電波進行持續(xù)掃描。最重要的是,，這可以在很長一段時間內自動進行,，無需操作員在場。只需定義一個基線,，任何違反該基線的信號都會實時記錄到 CSV 文件中,。這最大限度地提高了效率和安全性，因為即使計算機關閉,，數(shù)據(jù)也會得到保留,。
Signal Hound 頻譜分析儀架構還允許使用額外的技術來進一步提高速度。在許多情況下,，儀器軟件會消耗計算機處理器開銷,。像 Signal Hound 的 Spike 頻譜分析儀軟件這樣的應用程序可能會對整體測試時間產(chǎn)生輕微影響。在幾分之一秒至關重要的情況下,，Signal Hound 允許其用戶繞過 Spike,，以便直接進行設備 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 綁定的語言進行編程,。
相位噪聲測量
許多設備和系統(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,，以免影響設備測量。
例如,，Signal Hound SM200B 采用低中頻架構設計,，可實現(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,，可實現(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 的低中頻架構確實伴隨著更高的鏡像響應雜散。雖然殘余響應雜散與 MXA 相當,，但鏡像響應雜散不如 MXA 的低 (<-74 dBc),。SM200B Spike 軟件提供了可激活和停用的信號 ID 功能，允許區(qū)分低電平混頻器雜散和 RF 輸入信號,。在許多情況下,，雜散可以被識別為來自頻譜分析儀而不是被測設備 (DUT)，從而允許在實際測量期間忽略它們,。BB60C 更傳統(tǒng)的超外差架構通常具有 -70 dBc 鏡像抑制,。BB60C 雜散通常不是來自鏡像響應。
基于 PC 的 Signal Hound 頻譜分析儀上的數(shù)字調制分析包括 QPSK,、BPSK,、8PSK、π/4DQPSK,、DQPSK 和 QAM16/32/64/256 等調制格式的星座圖和符號表,。測量包括：誤差矢量幅度 (EVM)、信噪比 (SNR),、調制誤差比 (MER),、調制質量指標、線性補償（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。
對于許多現(xiàn)實世界的信號（從復雜的調制通信信號到干擾事件,，再到脈沖戰(zhàn)術信號）,，信號能量可能是零星的、非重復的,，甚至是隨機的,。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并對其進行觸發(fā)?，F(xiàn)代通信調制方案通過跳頻、擴頻,、脈沖和認知無線電低截獲概率技術等技術進一步增加了挑戰(zhàn),。
實時頻譜分析(RTSA) 是一種數(shù)字信號處理方法，利用重疊 FFT 和高速內存,，即使在極其密集的環(huán)境中也能實現(xiàn) 100% 的攔截概率 (POI),。實時帶寬是提供無間隙重疊 FFT 處理的最大頻率跨度，是 RTSA 的一個重要參數(shù),，可以實現(xiàn)更詳細的頻譜分析,。
實時分析中的持久性和瀑布圖顯示 2.4 GHz ISM 頻段的占用情況。屏幕上顯示藍牙耳機和手機正在搜索無線網(wǎng)絡的傳輸情況,。
對于基于 PC 的頻譜分析而言,，實時不再意味著昂貴。例如,，Signal Hound 提供高達 160 MHz 的 RTSA 功能,，100% 的概率可在 12 微秒內攔截信號。但是,，在許多情況下,，您甚至不需要 160 MHz 的分析帶寬。例如,，假設您正在測試具有 25 kHz 最大帶寬信號的設備,，例如鑰匙扣。您可能只需要按下按鍵并確保中心頻率,、帶寬和調制正確,。
比較基于 PC 的 Signal Hound 與傳統(tǒng)頻譜分析儀的實時分析能力。單擊可放大圖像,。
復雜信號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 等設備提供的 27 MHz 瞬時帶寬可以實時測量帶寬極寬的信號（瞬時或連續(xù)）,。對于需要更多瞬時帶寬的應用，SM200B 可提供 160 MHz 的帶寬。
另一個考慮因素是硬件系統(tǒng)的分離,。傳統(tǒng)上,，測試儀器使用內置 PC，采用特殊的內部控制器板的形式,，其產(chǎn)量比商用 PC 低得多,，并且通常由第三方制造。這些內部控制器落后其商用同類產(chǎn)品兩到五代并不罕見,，因為它們是嵌入式的,。這必然意味著，當頻譜分析儀進入市場時,，內部控制器已經(jīng)過時了,。
此外，這些內置控制器通常僅在更換儀器時更新 - 這意味著在儀器的生命周期結束時,，用戶將面對比當前 PC 慢幾代的處理器,。使用當前一代 PC 的能力將使測試設備的整體性能更接近當前標準。
現(xiàn)在將傳統(tǒng)內部控制器的成本考慮在內,，并將其標價為供應商成本的至少四倍,，以得出客戶的成本?；?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,。
更多頻譜分析儀內容請看北京迪陽世紀官網(wǎng)：weeaffairs.com
由Signal Hound提供
隨著無線技術滲透到我們的生活,，越來越多的工程師發(fā)現(xiàn)他們必須進行 RF 測量,。過去,，RF 測試需要使用昂貴的設備，只有具備深厚 RF 知識的工程師才能操作,。然而,，如今，具有廣泛背景的工程師和技術人員必須測量 RF,。
頻譜分析儀是用于測量射頻信號的最常見實驗室儀器,。從歷史上看,，這些儀器價格昂貴，由常駐射頻專家保護,。但射頻集成電路的進步使得突破頻譜分析儀架構成為可能,。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體積大且價格昂貴的頻譜分析儀，以滿足一些具有挑戰(zhàn)性的要求,，然后在每個工作臺上配備價格較便宜的基于 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,。
動態(tài)范圍是任何頻譜分析儀的重要規(guī)格,。當尋找低電平信號時，它決定了您區(qū)分信號和本底噪聲的能力,。一個重要的考慮因素是確定測試情況所需的最低電平,。對于許多測量，主要目標可能是準確表征主信號,。在這些情況下,，60 dB 的本底信噪比可能綽綽有余。在一些實驗室中,，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,。需要注意的一點是：可以以大約 1,000 美元的價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 使用低中頻架構設計，可實現(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,，實現(xiàn)了更適中的相位噪聲，但價格適中,。請注意,，對于 SA44，列出的結果是典型的,，因為它沒有相位噪聲的硬性規(guī)格,。單擊圖像放大。
頻譜分析儀的動態(tài)范圍規(guī)格可能令人困惑,。儀器通常會顯示較低的 DANL（顯示平均噪聲水平）數(shù)字（例如,，小于 -150 dBm/Hz）。DANL 數(shù)字有時會被誤解,，因為它們取決于許多因素,，例如頻率、衰減,、檢測器,、前置放大器等。
為了對頻譜分析儀進行簡單的比較,，可以看看最大動態(tài)范圍,，它規(guī)定為 1 GHz 時三階截取點和 DANL 之間差值的三分之二。
在許多應用中,，掃描速度至關重要,。例如，頻譜監(jiān)測情況
在 BB60C 和 SM200B PC 頻譜分析儀上進行相鄰信道功率比 (ACPR) 測量,。請注意,，SM200B 的本底噪聲低 22 dB。單擊圖像可放大,。
通常需要進行廣泛的頻率掃描以搜索各種信號情況,。例如，Signal Hound 的 SM200B 在其任何分辨率帶寬設置≥30 kHz 下提供 1 THz/秒的掃描速度,。在短短 19 毫秒內覆蓋 1 GHz 至 20 GHz 的頻率范圍,，可以對無線電波進行持續(xù)掃描。最重要的是,，這可以在很長一段時間內自動進行,，無需操作員在場。只需定義一個基線,，任何違反該基線的信號都會實時記錄到 CSV 文件中,。這最大限度地提高了效率和安全性，因為即使計算機關閉,，數(shù)據(jù)也會得到保留,。
Signal Hound 頻譜分析儀架構還允許使用額外的技術來進一步提高速度。在許多情況下,，儀器軟件會消耗計算機處理器開銷,。像 Signal Hound 的 Spike 頻譜分析儀軟件這樣的應用程序可能會對整體測試時間產(chǎn)生輕微影響。在幾分之一秒至關重要的情況下,，Signal Hound 允許其用戶繞過 Spike,，以便直接進行設備 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 綁定的語言進行編程,。
相位噪聲測量
許多設備和系統(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,，以免影響設備測量。
例如,，Signal Hound SM200B 采用低中頻架構設計,，可實現(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,，可實現(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 的低中頻架構確實伴隨著更高的鏡像響應雜散。雖然殘余響應雜散與 MXA 相當,，但鏡像響應雜散不如 MXA 的低 (<-74 dBc),。SM200B Spike 軟件提供了可激活和停用的信號 ID 功能，允許區(qū)分低電平混頻器雜散和 RF 輸入信號,。在許多情況下,，雜散可以被識別為來自頻譜分析儀而不是被測設備 (DUT)，從而允許在實際測量期間忽略它們,。BB60C 更傳統(tǒng)的超外差架構通常具有 -70 dBc 鏡像抑制,。BB60C 雜散通常不是來自鏡像響應。
基于 PC 的 Signal Hound 頻譜分析儀上的數(shù)字調制分析包括 QPSK,、BPSK,、8PSK、π/4DQPSK,、DQPSK 和 QAM16/32/64/256 等調制格式的星座圖和符號表,。測量包括：誤差矢量幅度 (EVM)、信噪比 (SNR),、調制誤差比 (MER),、調制質量指標、線性補償（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。
對于許多現(xiàn)實世界的信號（從復雜的調制通信信號到干擾事件,，再到脈沖戰(zhàn)術信號）,，信號能量可能是零星的、非重復的,，甚至是隨機的,。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并對其進行觸發(fā)?，F(xiàn)代通信調制方案通過跳頻、擴頻,、脈沖和認知無線電低截獲概率技術等技術進一步增加了挑戰(zhàn),。
實時頻譜分析(RTSA) 是一種數(shù)字信號處理方法，利用重疊 FFT 和高速內存,，即使在極其密集的環(huán)境中也能實現(xiàn) 100% 的攔截概率 (POI),。實時帶寬是提供無間隙重疊 FFT 處理的最大頻率跨度，是 RTSA 的一個重要參數(shù),，可以實現(xiàn)更詳細的頻譜分析,。
實時分析中的持久性和瀑布圖顯示 2.4 GHz ISM 頻段的占用情況。屏幕上顯示藍牙耳機和手機正在搜索無線網(wǎng)絡的傳輸情況,。
對于基于 PC 的頻譜分析而言,，實時不再意味著昂貴。例如,，Signal Hound 提供高達 160 MHz 的 RTSA 功能,，100% 的概率可在 12 微秒內攔截信號。但是,，在許多情況下,，您甚至不需要 160 MHz 的分析帶寬。例如,，假設您正在測試具有 25 kHz 最大帶寬信號的設備,，例如鑰匙扣。您可能只需要按下按鍵并確保中心頻率,、帶寬和調制正確,。
比較基于 PC 的 Signal Hound 與傳統(tǒng)頻譜分析儀的實時分析能力。單擊可放大圖像,。
復雜信號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 等設備提供的 27 MHz 瞬時帶寬可以實時測量帶寬極寬的信號（瞬時或連續(xù)）,。對于需要更多瞬時帶寬的應用，SM200B 可提供 160 MHz 的帶寬。
另一個考慮因素是硬件系統(tǒng)的分離,。傳統(tǒng)上,，測試儀器使用內置 PC，采用特殊的內部控制器板的形式,，其產(chǎn)量比商用 PC 低得多,，并且通常由第三方制造。這些內部控制器落后其商用同類產(chǎn)品兩到五代并不罕見,，因為它們是嵌入式的,。這必然意味著，當頻譜分析儀進入市場時,，內部控制器已經(jīng)過時了,。
此外，這些內置控制器通常僅在更換儀器時更新 - 這意味著在儀器的生命周期結束時,，用戶將面對比當前 PC 慢幾代的處理器,。使用當前一代 PC 的能力將使測試設備的整體性能更接近當前標準。
現(xiàn)在將傳統(tǒng)內部控制器的成本考慮在內,，并將其標價為供應商成本的至少四倍,，以得出客戶的成本?；?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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