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，現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）數字（例如，小于 -150 dBm/Hz）。DANL 數字有時會被誤解，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，數據也會得到保留。
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)。現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 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，可以實現更詳細的頻譜分析。
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。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。當然，使用外部 PC 來控制測量可使所有收集的數據駐留在 PC 上。
更多頻譜分析儀內容請看北京迪陽世紀官網：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，現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）數字（例如，小于 -150 dBm/Hz）。DANL 數字有時會被誤解，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，數據也會得到保留。
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)。現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 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，可以實現更詳細的頻譜分析。
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。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。當然，使用外部 PC 來控制測量可使所有收集的數據駐留在 PC 上。
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