频谱仪简述

频谱仪简述摘要：在各个科学研究领域中，频谱仪是非常重要的一种电子测量工具。为了更好的使用频谱仪，必须了解其工作原理和其主要的功能，技术参数等等，注意它在实际使用中的的问题。关键词：主要功能；测量原理；技术指标；最新产品引言频谱仪作为一种测量工具，在电子通信领域被广泛的使用，所以了解频谱仪的主要功能测量原理和其技术指标才能在工作中更好的使用频谱仪，发挥更多的作用。一、频谱仪介绍频谱分析是指在频域里显示输入信号的频谱特性。扫描调谐式频谱分析仪大多采用超外差式，其工作原理和超外差式接收机基本类同。傅里叶变换频谱分析仪首先对时域的信号数字化然后进行快速傅里叶变换，并显示变换后各频谱分量，可分析单次出现信号，可同时获得测量信号的幅度和相位，其频率范围、灵敏度和动态范围都不超过超外差式频谱分析仪。二、功能介绍1.信道功率测试：测试指定区域内的中频功率之和与区域宽度。概言之，就是测试指定频段内的信号总功率，或噪声总功率。2.邻信道功率测试：可测邻道泄露的上下行载波功率强度。概言之，可以选择多种测试方法包括总功率、参照电平强度、带内测试的方面精确测试载波功率强度。3.可测电路或者PCB板上器件和电路间的电磁场强度：频谱仪只可以测试电信号，但是配上天线和不同探头就可以测试场强。例如DSA815可以测试1.5G以内信号，配上天线就可以测试物联网，RFID等信号，配上近场探头就可以测试电场和磁场的信号。你也可以自己制作电场、磁场的感应器接到频谱仪上就可以测试了。4．标记测量：例如MSA-338有两种模式：其一是常规模式，最多显示测试点的7个活动频点和最多3个活动的电平值；另一测试模式叫DELTA测试模式，可以对比2个测试点的频率与电平。5.峰值查找：分两种，一种为全频峰值查找，一种为范围内查找。6.占用带宽测试二、工作原理频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器，面板上布建许多功能控制按键，作为系统功能之调整与控制，实时频谱分析仪与扫瞄调谐频谱分析仪。实时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器，再经由同步的多任务扫瞄器将信号传送到CRT屏幕上，其优点是能显示周期性杂散波的瞬间反应，其缺点是价昂且性能受限于频宽范围、滤波频谱分析仪器的数目与最大的多任务交换时间。最常用的频谱分析仪是扫瞄调谐频谱分析仪，可调变的本地振荡器经与CRT同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振荡频率，经混波器与输入信号混波降频后的中频信号（IF）再放大、滤波与检波传送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系。影响信号反应的重要部份为滤波器频宽，滤波器之特性为高斯滤波器，影响的功能就是量测时常见到的解析频宽。RBW代表两个不同频率的信号能够被清楚的分辨出来的最低频宽差异，两个不同频率的信号频宽如低于频谱分析仪的RBW，此时该两信号将重叠，难以分辨，较低的RBW固然有助于不同频率信号的分辨与量测，低的RBW将滤除较高频率的信号成份，导致信号显示时产生失真，失真值与设定的RBW密切相关，较高的RBW固然有助于宽带带信号的侦测，将增加噪声底层值，降低量测灵敏度，对于侦测低强度的信号易产生阻碍，因此适当的RBW宽度是正确使用频谱分析仪重要的概念。另外的视频频宽代表单一信号显示在屏幕所需的最低频宽。如前所说明，量测信号时，视频频宽过与不及均非适宜，都将造成量测的困扰，如何调整必须加以了解。通常RBW的频宽大于等于VBW，调整RBW而信号振幅并无产生明显的变化，此时之RBW频宽即可加以采用。量测RF视频载波时，信号经设备内部的混波器降频后再加以放大、滤波（RBW决定）及检波显示等流程，若扫描太快，RBW滤波器将无法完全充电到信号的振幅峰值，因此必须维持足够的扫描时间，而RBW的宽度与扫描时间呈互动关系，RBW较大，扫描时间也较快，反之亦然，RBW适当宽度的选择因而显现其重要性。较宽的RBW较能充分地反应输入信号的波形与振幅，但较低的RBW将能区别不同频率的信号。例如使用于6MHz频宽视讯频道的量测，经验得知，RBW为300kHz与3MHz时，载波振幅峰值并不产生显著变化，量测6MHz的视频信号通常选用300kHz的RBW以降低噪声。天线信号量测时，频谱分析仪的展频使用100MHz，获得较宽广的信号频谱需求，RBW使用3MHz。这些的量测参数并非一成不变，将会依现场状况及过去量测的经验加以调整。三、技术指标频谱分析仪的主要技术指标有频率范围、分辨力、分析谱宽、分析时间、扫频速度、灵敏度、显示方式和假响应。频率范围频谱分析仪进行正常工作的频率区间。现代频谱仪的频率范围能从低于1赫直至300吉赫。分辨力频谱分析仪在显示器上能够区分最邻近的两条谱线之间频率间隔的能力，是频谱分析仪最重要的技术指标。分辨力与滤波器型式、波形因数、带宽、本振稳定度、剩余调频和边带噪声等因素有关，扫频式频谱分析仪的分辨力还与扫描速度有关。分辨带宽越窄越好。现代频谱仪在高频段分辨力为10～100赫。分析谱宽又称频率跨度。频谱分析仪在一次测量分析中能显示的频率范围，可等于或小于仪器的频率范围，通常是可调的、分析时间完成一次频谱分析所需的时间，它与分析谱宽和分辨力有密切关系。对于实时式频谱分析仪，分析时间不能小于其最窄分辨带宽的倒数。扫频速度：分析谱宽与分析时间之比，也就是扫频的本振频率变化速率。灵敏度频谱分析仪显示微弱信号的能力，受频谱仪内部噪声的限制，通常要求灵敏度越高越好。动态范围指在显示器上可同时观测的最强信号与最弱信号之比。现代频谱分析仪的动态范围可达80分贝。显示方式频谱分析仪显示的幅度与输入信号幅度之间的关系。通常有线性显示、平方律显示和对数显示三种方式。假响应显示器上出现不应有的谱线。这对超外差系统是不可避免的，应设法抑止到最小，现代频谱分析仪可做到小于-90分贝毫瓦。四、新型产品——泰克-RSA5103A（RSA5000系列）RSA5103A基本参数捕捉带宽：25MHz，40MHz，85MHz，110MHz频率范围：1Hz-3GHz100%POI的最短事件时长：3.7μsRSA5103A主要特点特点：SA5000系列取代传统高性能信号分析仪，能够满足日常几乎所有测试需求，并提高了测试可信度。在2GHz频点，三阶互调截止点（TOI）达到+17dBm，显示平均噪声底电平（DANL）达到-154dBm/Hz，动态范围挑战频谱分析极限。所有信号都通过预选器，消除了镜像频率。因此不需要使用“预选器旁路”来折中动态范围和分析带宽之间的矛盾。高速扫描仍能保证高分辨率和低噪声：1GHz扫宽,10kHz分辨率带宽（RBW）,扫描速度1s实时信号处理技术，能有效的减少设计失误，增加研发人员信心高达每秒292,000次频谱更新速度，50,000次时域更新速度（零跨度）扫描DPX频谱能够在全频带内，发现未知信号。触发功能：DPX密度触发功能，能够触发最小时长为5.8μs的极短信号（频域），通过信号密度区分连续信号和时短信号。时间限定触发、欠幅触发和频率沿触发，能够在时域触发最小20ns的复杂信号宽带捕获和长时间存储。25,40或85MHz可选测量带宽85MHz带宽最大存储时间7s。多种测量功能：测量描述频谱测量信道功率、邻道功率（ACLR）、多载波邻道功率/泄漏比、占用带宽、xdB带宽、噪声密度（dBm/Hz标记）、相位噪声（dBc/Hz标记）时域和统计测量RFIQ对时间、功率对时间、频率对时间、相位对时间、CCDF、峰均比杂散搜索测量多达20个频率范围，用户可在每个频率范围内选择检波器（峰值、平均值、准峰值）、滤波器（RBW、CISPR、MIL）和VBW。线性或对数频率标度。绝对功率或相对于载波的测量和违规测量。以表格形式显示最多999个杂散，可以导出为CSV格式模拟调制分析测量%调幅（+峰值,-峰值,Total）调频（±峰值,+峰值,-峰值,RMS,峰值-峰值/2,频率误差）调相（±峰值,RMS,+峰值,-峰值）相位噪声和抖动测量（选件11）10Hz-1GHz频率偏移范围，对数频率标度曲线-2条：±峰值曲线，平均值曲线，曲线平滑和平均稳定时间测量（频率和相位）（选件12）频率测量，自上次稳定频率的稳定时间，自上次稳定相位的稳定时间，自触发的稳定时间。自动或手动选择参考频率。用户可以调节测量带宽，平均，平滑。用户可设置3个区域进行通过/失败模板（Mask）测试。高级脉冲分析套件（选件20）平均脉冲功率、峰值功率、平均发射功率、脉冲宽度、上升时间、下降时间、重复周期（秒）、重复频率（Hz）、占空比（%）、占空比（比率）、纹波（dB）、纹波（%）、过冲（dB）、过冲（%）、衰落（dB）、衰落（%）、脉冲到脉冲频率差、脉冲到脉冲相位差、RMS频率误差、最大频率误差、RMS相位误差、最大相位误差、频率偏差、相位偏差、脉冲响应（dB）、脉冲响应（时间）、脉冲到达时间通用数字信号解调（选件21）矢量幅度误差（EVM）（RMS、峰值、EVM对时间）、调制误差比（MER）、幅度误差（RMS、峰值、幅度误差对时间）、相位误差（RMS、峰值、相位误差对时间）、原点偏移、频率误差、增益不平衡、正交误差、Rho、星座图、符号表通用OFDM分析（选件22）WLAN802.11a/j/g和WiMax802.16-2004信号OFDM分析DPX密度测量（选件200）测量频谱画面上任何位置的%信号密度，并在达到规定信号密度时触发RSAVu分析软件W-CDMA、HSUPA.HSDPA、GSM/EDGE、CDMA20001x、CDMA20001xEV-DO、RFID、相噪、抖动、IEEE802.11a/b/g/nWLAN、IEEE802.15.4OQPSK（Zigbee）、音频分析分析软件（RSA-IQWIMAX）支持WiMax802.16-2004和802.16e标准分析软件（RSALTE）支持3GPPRelease8LTE标准多域相关显示宽带预选滤波器，在高达110MHz的整个分析带宽中提供无镜像测量提供增强型选件，提高仪器测量能力高级DPX性能包括:扫描DPX，零频宽（zerospan）DPX－实时幅度、频率、相位测量高级触发包括：DPX密度，时间限定，欠幅，频率沿以及频率模板触发。RF调试，器件、模块和系统设计频谱管理－快速捕获和识别已知和未知信号；无线电/卫星通信－前沿技术的复杂信号分析；EMI诊断－增加研发人员对产品通过EMI兼容测试的信心；雷达/电子战－完整的脉冲参数分析，跳频信号分析；详细参数频率相关参数描述频率范围1Hz到3.0GHz（RSA5103A）1Hz到6..2GHz（RSA5106A）初始中心频率设置精度预热10分钟后10-7中心频率设置分辨率0.1Hz频率标记读出精度±（RE×MF+0.001×Span+2）HzRE参考频率误差MF标记频率（Hz）频宽（Span）精度频宽的±0.3%（自动模式）参考输出功率0dBm（内部或外部参考源）+4dBm，典型值外部参考输入频率10MHz±30Hz外部参考输入频率要求为了避免噪声出现，杂散电平在100kHz偏置范围内-80dBc杂散100kHz偏置范围内-80dBc输入功率范围-10dBm至+6dBm触发相关参数描述触发模式自由、触发、快帧（fastframe）触发源RF输入、触发1（前面）、触发2（背面）、门限触发、功率线触发触发类型功率（标配）、频率模板（选件52）、频率沿、DPX密度、欠幅、时间限定（选件200）触发设置触发时间点可设置在总采集长度的1-99%触发组合逻辑“Trig1ANDTrig2/Gate”可以定义为一个触发事件触发行为一旦触发，保存采集数据并且（或者）保存图片11kHz至40MHz+全波段（选件85）触发位置时间不确定性25MHz采集带宽，10MHz带宽（标准）不确定性=±15ns40MHz采集带宽，20MHz带宽（选件40）不确定性=±10ns85MHz采集带宽，40MHz带宽（选件85）不确定性=±5ns触发重建时间，最小值（fastframe‘on’）