技術(shù)文章
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頻譜分析儀的五個關(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,，只有少數(shù)幾個特性是至關(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(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(dāng)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(biāo)可能是準(zhǔn)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(gòu)設(shè)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(gòu)，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(jié)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?nèi)Q于許多因素，例如頻率,、衰減,、檢測器、前置放大器等,。
為了對頻譜分析儀進(jìn)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(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間內(nèi)自動進(jìn)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(guān)閉,，數(shù)據(jù)也會得到保留。
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(yīng)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(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,，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(gòu),，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(gòu)確實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 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(shè)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(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(fù)雜的調(diào)制通信信號到干擾事件，再到脈沖戰(zhàn)術(shù)信號）,，信號能量可能是零星的,、非重復(fù)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(jìn)行觸發(fā)。現(xiàn)代通信調(diào)制方案通過跳頻,、擴頻,、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(nèi)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(xì)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(lán)牙耳機和手機正在搜索無線網(wǎng)絡(luò)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(dá) 160 MHz 的 RTSA 功能，100% 的概率可在 12 微秒內(nèi)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(shè)您正在測試具有 25 kHz 最大帶寬信號的設(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)頻譜分析儀的實時分析能力,。單擊可放大圖像,。
復(fù)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(shè)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(yīng)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(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，因為它們是嵌入式的,。這必然意味著,，當(dāng)頻譜分析儀進(jìn)入市場時，內(nèi)部控制器已經(jīng)過時了,。
此外,，這些內(nèi)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(jié)束時，用戶將面對比當(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(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(dāng)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(biāo)可能是準(zhǔn)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(gòu)設(shè)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(gòu)，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(jié)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?nèi)Q于許多因素，例如頻率,、衰減,、檢測器、前置放大器等,。
為了對頻譜分析儀進(jìn)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(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間內(nèi)自動進(jìn)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(guān)閉,，數(shù)據(jù)也會得到保留。
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(yīng)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(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,，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(gòu),，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(gòu)確實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 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(shè)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(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(fù)雜的調(diào)制通信信號到干擾事件，再到脈沖戰(zhàn)術(shù)信號）,，信號能量可能是零星的,、非重復(fù)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(jìn)行觸發(fā)。現(xiàn)代通信調(diào)制方案通過跳頻,、擴頻,、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(nèi)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(xì)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(lán)牙耳機和手機正在搜索無線網(wǎng)絡(luò)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(dá) 160 MHz 的 RTSA 功能，100% 的概率可在 12 微秒內(nèi)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(shè)您正在測試具有 25 kHz 最大帶寬信號的設(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)頻譜分析儀的實時分析能力,。單擊可放大圖像,。
復(fù)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(shè)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(yīng)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(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，因為它們是嵌入式的,。這必然意味著,，當(dāng)頻譜分析儀進(jìn)入市場時，內(nèi)部控制器已經(jīng)過時了,。
此外,，這些內(nèi)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(jié)束時，用戶將面對比當(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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