本文将主要介绍扫频频谱分析仪,矢量信号分析仪以及实时频谱分析仪的工作原理以及主要差异。

1.1扫频频谱分析仪

扫频式频谱分析仪是传统频域测量仪器,是传统结构的扫描调谐超外差频谱分析仪,扫频频谱分析仪的出现使得工程师在几十年前就能够进行频域测量。

扫频频谱分析仪通过把感兴趣的信号下变频,并将下变频后的信号扫描通过RBW滤波器来测量功率随频率变化。RBW滤波器后面为检波器,检波器计算所选择的扫频宽度内每个频率点的幅度。尽管这种方法可以提供很高的动态范围,但其缺点在于它一次只能计算一个频率点的幅度数据,导致频谱分析仪在扫频宽度很宽时扫描需要很长的时间,在某些情况下要达到几十秒。因此,这种方法基于这样一个假设,频谱分析仪多次扫描期间被测信号没有明显变化,即这种方法要求输入信号相对稳定或者不发生变化。扫频频谱分析仪最初由模拟器件构成,然后随着其应用不断的发展的而不断发展。当前的扫频频谱分析仪已经包含了各种数字单元,例如ADC、DSP和微处理器,但是,其扫描方法基本保持不变,本质上仍然是扫频式频谱分析仪。鉴于此原因扫频频谱分析仪最适合观测受控的静态信号。

假如信号迅速变化,那么扫频频谱分析仪可能会漏掉信号的变化部分。如图1.1所示,扫描查看频段Fa时,在Fb(左图)上发生了一个瞬时频谱事件。而当扫描到达频段Fb时,事件已经消失,扫频频谱分析仪没有检测到事件(右图)。

图1.1扫频式频谱分析仪测试原理

1.2矢量信号分析仪

传统的扫频分析只能进行标量测量,只提供与输入信号的频率和幅度有关的信息。数字调制信号的分析就是同时能够提供信号的频率信息、幅度信息和相位信息;与传统的扫频分析相比,增加了相位信息,这就使得矢量信号分析是为进行数字调制分析专门设计的工具。图1.2是简化的典型矢量信号分析仪的结构图。

矢量信号分析仪是对被测信号通过变频处理再进行数字化采集,通过计算得到信号的幅度信息和相位信息。但是,大多数的矢量信号分析仪的信号处理是由软件来完成的,软件的处理速度和能力与高速的信号ADC采集相比,其处理速度很慢,这势必导致很多信号数据需要被舍弃,造成信号处理的死区(Gap),从而带来变化信号在时域上特性的不完整描述,如图1.2.2所示。

矢量信号分析仪主要用于测量稳定调制信号的误差参数,比如数字调制信号的误差矢量幅度(EVM),相位误差或频率误差等,提供星座图等其他显示。

1.3实时频谱分析仪

实时频谱分析仪用于解决时变信号的参数测量,实时频谱分析的基本概念是能够快速采集和捕捉各种瞬变信号,把信号无缝地捕获到内存中,并在多个域中分析信号。图1.3.1是典型的实时频谱分析仪结构框图,可以看到,实时频谱分析仪和矢量信号分析仪的基本结构类似,都是基于信号变频和ADC采样,然后通过数字信号处理DSP来获取信号参数。大多数的矢量信号分析仪的信号处理是由软件来完成的,软件的处理速度和能力与高速的信号ADC采集相比,其处理速度是很慢的。而实时频谱分析仪的技术关键——信号处理部分是靠硬件方式的FPGA来完成,从而大大提升处理的速度并降低处理延迟。节省的时间可以用于完成多信号的判断,触发等处理功能。可以把实时频谱分析仪理解为“硬件化高速处理版本的矢量信号分析仪”。

由输入衰减器、低通滤波器、本振、下变频器构成的可调谐RF前端,把输入信号下变频到固定中频(IF),固定中频的频率与仪表的最大实时带宽有关。中频信号通过ADC对信号进行数字化,然后传送到DSP进行处理,对于信号的处理的时间长度小于信号的采集长度时,就能完成对信号的连续采集和连续处理和显示,这就是所谓的实时处理。实时频谱分析仪提高了处理速度并增加了实时触发、无缝信号捕获和时间相关多域分析功能。

实时频谱分析仪采用FFT完成频谱测试,所以实时频谱分析或处理都是在一定的频率带宽内来完成的,实时分析带宽是实时频谱分析仪重要的技术指标。

(a) 实时频谱分析仪处理过程说明

(b) 实时处理

(c) 非实时处理

图1.3.2实时处理和非实时处理

实时频谱分析仪处理被测信号时,通过数字化采集实时传输,很容易将时间连续的样点存储在内存中,实时频谱分析仪的结构能够无缝地捕获没有时间间隔的输入信号,这是传统扫频频谱分析仪不具备的技术功能。

在实际的应用领域,技术的发展促进了这几种频谱处理技术的融合。现在先进的信号分析仪同时具备这几种信号处理功能,即会同时包含扫频频谱分析功能、矢量信号分析功能和实时频谱分析功能,通过不同的选件或者应用来实现这几种信号处理功能。需要根据需求,价格等因素进行仪表配置。在应用时,根据不同的被测信号,来选择不同的信号处理方法,表1列出了各种信号频谱测试技术的技术特点和适用对象。

表1各种信号频谱测试技术的说明

频谱测试技术技术特点适用对象

1.4实时频谱分析仪的工作原理

普尚SP900系列信号分析仪,不仅支持常规的频谱测量功能,还支持矢量信号分析;尤其是实时频谱分析功能,最大支持510MHz带宽,POI最短3.51us。实时频谱测试图如下:

同时SP900现有的测量程序库支持超过25种测量应用软件,覆盖各种复杂调制信号:2G、3G、4G、5G NR、蜂窝通信.ZigBee、Pulse和EMI等。搭配定制选件满足您的测试需求。