Agilent频谱分析仪基础

Agilent频谱分析仪基础目录Agilent频谱分析仪基础目录1目录2第1章简介5频域与时域5什么是频谱？6为什么测量频谱？7测试种类8信号分析仪的类型8第二章：频谱分析仪的基本组成9RF衰减器11低通滤波器/预选器12调节分析仪12中频增益14分解信号15模拟滤波器15数字滤波器17FM残留17相位噪声18扫描时间19模拟分辨滤波器19数字分辨滤波器20包络检测器20显示器21检测器类型22采样检测22峰值（正）检测23负峰值检测23普通检测23平均检测24平均及准峰值检测24均匀化处理24视频滤波24轨迹均匀化25时间控制26为什么需要时间控制26第三章数字中频概述27数字滤波器27全数字中频28传统信号处理IC28附加视频处理特色28频率计数28关于全数字中频的更多优点28第四章幅度与频率的准确度29相对不确定度30绝对幅度精确度30提高总体不确定度31规范，典型值，标称值31数字IF部分31RBW开关不确定度32频率准确度32第5章灵敏度与噪声32灵敏度32噪声系数34噪声信号34预放对噪声测量的影响35第6章动态范围35定义35动态范围与内部失真35衰减器测试36噪声36动态范围与测量不确定度36增益压缩36显示范围与测量范围36邻信道功率测量37第7章扩展频率范围37内部谐波混频37预选37幅度校准37相位噪声38增加动态范围38加上及减去预选38扩展谐波混频38信号识别38第8章现代频谱分析仪38特别应用测量39数字调制分析39保存并打印数据39数据传输与远程控制39固件升级39校准，发现并修理故障，诊断，修复39总结39术语表40第1章简介本文致力于解说下列内容：超外差频谱分析仪基本功能、目前最先进的频谱分析仪的功能。从最基本的层次来说，频谱分析仪可以被描述为：一个频率选择、被校准了的峰值响应电压计，用以测量并显示正玄波。但是有一点需要注意，频谱仪虽然能够直接的显示功率大小，但它不是一个功率计。如果通过一个已知电阻测得其上的峰值或平均值正弦电压，我们能够校准我们的电压计，将之改装成功率计。伴随着数字技术的进步，现代的频谱分析仪用有更强大的功能。本文中，我们将描述基本的频谱分析仪、以及伴随着数字技术、数字信号处理带来的功能进步。频域与时域在我们详细描述频谱分析仪之前，需要首先问问自己：“什么是频谱？我们为什么要分析它？”通常我们使用的是时域作为参考进行信号分析。我们能纪录什么时间发生了什么事件，包括电气事件。我们可以使用示波器观察随时间改变的即时电信号数值。换句话说，我们使用示波器在时域上观察一个信号的波形。傅利叶理论告诉我们，任何时域的电现象是由一个或者多个正弦波组成，每个正弦波有各自的频率、幅度、相位。即：我们可以将一个时域信号转换成其频域的等价信号。在时域的测量可以显示每个特定的频率含有多少功率。使用合适的滤波器，图1-1的波可以被分解成独立的正弦波，或者频谱，然后我们可以独立的测量他们。每个正弦波包含幅度、相位值。如果我们想分析信号的周期，傅利叶理论告诉我们，正弦波形的周期是频率的倒数。某些测量要求我们提供关于信号的频率、幅度、相位的完整信息。这类信号分析称作矢量信号分析。有关于矢量信号分析的讨论将在矢量信号分析基础里进行。现代频谱分析仪能够进行大范围的矢量信号测量。另外一大类的测量可以不知道信号的相位关系。这类信号分析称为频谱分析。由于频谱分析更容易理解，也非常实用，因此本文从频谱分析仪如何进行频谱分析测量开始。理论上，要想进行时域到频域的转换，信号持续时间必须无穷大，即±无穷。然而，在实际中，我们总是使用一段有限的时间进行测量。傅利叶变换也能够进行从频域到时域的变换。在这种情况下，也要求提供±无穷大的频谱信息。在实际中，在有限的带宽捕获绝大多数的信号功率所提供的结果也是可接受的。当对频域数据进行傅利叶变换时，相位信息是非常重要的。例如，一个方波变换到频域，然后再变换回去，如果没有提供相位信息，则可能成为锯齿波信号。什么是频谱？在本文的讨论中，什么是频谱呢？频谱是一个正弦波集合，进行适当的合并的话，就是一个时域信号。图1-1显示的就是一个复合信号。假设我们希望获得一个正弦波。尽管图中的波形明确的显示该信号不是一个纯正弦，却并没有给我们一个明确的暗示它为什么不是。图1-2从时域、频域两方面告诉我们该信号的分量。频域中的轴向高低表明在频谱中不同正弦波的幅度。如图，此例中频谱仅包含两个正弦波。现在我们知道了为什么起始波形为什么不是一个纯的正弦波了。它包含第二个正弦波，二次谐波。这是不是说我们不需要进行时域测量了呢？完全不是。在许多测量中，时域结果更好，并且一些测量只能在时域中进行。例如，纯时域测量包括脉冲上升、下降时间，过冲击，振铃。为什么测量频谱？频域也有它的测量应用。从图1-1以及图1-2可以看出，频域能更好的显示信号的谐波。在无线通讯领域的人们对带外、寄生发射尤其敏感。例如，蜂窝射频系统必须检测已调制信号的谐波，以保证不会对处于谐波频率的别的系统的运作产生影响。工程师、技术员非常关心调制后的的信号失真。三阶互调（一个复杂信号的两个分量之间的互调）有可能落在带内而无法被滤除，带来很大麻烦。频谱监测是频域测量的另一重要应用。政府分配给不同的无线服务以不同的的频率，例如广播、电视、移动电话系统、警察与紧急通讯，以及别的应用。每种服务工作于其被分配的频率，并且在规定的频带内是非常重要的。发射机以及其它信号辐射体经常工作在很接近的频率。对于功放以及其它器件的一个非常重要的测量就是信号功率杂散到邻信道造成干扰的大小。电磁干扰（EMI）这一术语的含义是：发射机或者非发射机产生的不期望的发射。这里，所关心的是不期望的发射，既包括辐射的，也包括传导（通过电源线或者内部连接线），可能对其它的系统的操作产生影响。几乎所有设计或者制造的电子、电器产品都必须在频域测试发射功率，以符合政府的或者工业的标准体系。图1-3至1-6表示的就是这方面的测试。测试种类普通的频谱分析仪测试包括频率、功率、调制、失真、噪声。了解一个信号的频谱是很重要的，尤其是在系统使用在有限带宽情况下。发射功率是另一个测试要素。过低的发射功率可能导致信号不能够到达目的地，而太高的功率会迅速的消耗电池掂量，导致失真，以及过高的工作温升。测量调制质量是非常重要的，它确定系统是否工作正常，信息是否正确的发送。普通的分析调制情况的测试包括调制角度，边带幅度，调制质量，占用带宽。数字调制包括误差向量裕度（EVM），IQ失衡，相位时域误差，以及其它的一些测试。关于此类的更多测试，请参看矢量信号分析基础。在通讯中，测量失真对于发射机以及接收机都是非常重要的。发射机输出的过多的谐波失真会影响别的通讯频带。接收机的预放部分必须不能有互调失真存在，防止信号交叉干扰。一个典型的例子是同轴电缆传输的电视信号，其下行主干路在信号分配部分存在互调，将会干扰同一线缆内的其它频道信号。一般的干扰测量包括互调、谐波、杂散发射。噪声也是一个经常需要测量的参数。一个运行的电路或者器件会产生很大的噪声。噪声参数或者信噪比（SNR）是表明一个器件的性能的重要特性，也影响它整个系统的性能。信号分析仪的类型除了超外差频谱分析仪外，还有几种其它的分析仪体系。一种很重要的非超外差类型就是傅利叶分析仪：将时域信号数字化、使用数字信号处理工艺进行快速傅利叶变换（FFT），以频域的形式显示该信号。FFT逼近的一个优势在于它能够测量单脉冲信号。另一个优势是除了能测量幅度外，还能测量相位。然而，傅利叶分析仪相对于超外差频谱分析仪也有不足，尤其在频率范围、灵敏度、动态范围方面。傅利叶分析仪的典型应用是对不超过40MHz的基带信号的分析。矢量信号分析仪（VSAs）如同傅利叶分析仪一样将时域信号数字化，但是在数字变换器前多了一个降频变换器，能够进行射频信号测量。例如：Agilent8960系列VSA可变范围能达到6GHz，能够提供高速频谱测量，解调，先进的时域分析。在处理复杂信号如突发、瞬时、调制的信号时（通讯、视频、广播、声纳、超声波成像应用）尤其有用。当我们定义频谱分析、矢量信号分析二者的显著区别后，数字工艺以及数字信号处理则混淆了二者的界限。如、重要区分特征是信号在何处被数字化。在早期，数字转换器被限制在几十KHz一下，仅仅频谱分析仪的视频基带信号被数字化。由于视频信号不携带相位信息，仅仅幅度数据被显示。但就是这样有限的应用，对于数字工艺领域也是巨大的进步：慢速扫描无闪烁显示、显示标志、不同的均值、能够将数据输出到电脑及打印机中。由于人们需要分析的信号越来越复杂，最新一代的频谱分析仪已包含以前仅傅利叶、矢量信号分析仪才有的功能。分析仪在仪器的输入端附近将信号数字化，然后放大，进行一或两次的降频。在许多情况下，相位、幅度信息都被保留了下来。另外对上述情况还有一个好处：可以进行真正的矢量测量。因此仪器的功能的大小就取决于分析内部的硬件的信号处理能力、仪器本身的软件运行能力，或者与分析仪相连（矢量信号分析软件）的电脑的能力。图1-7显示了这样的例子。图中，QPSK信号的点显示成了一个集束，而不是单独的点，通过测试显示出了信号的误差。我们希望本文能让您很好的认识频谱分析仪，并最大程度的发挥该仪器的功能。第二章：频谱分析仪的基本组成本章将专注于频谱分析仪如何工作的基本理论。如今的工艺已经能够将其中很多的逻辑电路使用现代数字技术替代，但是如同开始那样理解经典频谱分析仪的结构对我们来说也是非常有用的。在稍候的章节里，我们将看到数字电路带给频谱分析的功能以及优势。第3张将讨论数字工艺在现代频谱分析仪中的应用。图2-1为超外差频谱分析仪的简单框图。外差意味着混频；也就是改变频率。超的含义是说，超过音频的频率，即频率比音频高。参照图2-1的块区，我们可见输入信号通过一个衰减器，再通过一个低通滤波器（后面我们将说明滤波器为什么放置在此处），到达混频器。在混频器，输入信号与本振（LO）信号混频。由于混频器是非线性器件，它的输出将不但包括两个原始信号，也包括他们的谐波以及原始信号间进行一定运算后的其它频率。如果混频后的信号属于中频（IF）滤波器的带通范围内，则会被进一步处理（放大，并进行对数化）。通过包络检波、数字化、显示，得到最终结果。一个斜坡信号发生器在显示器上产生从左到右的移动。这个斜坡信号也调整LO，因此本振的频率改变与该斜坡信号电压一致。如果你对超外差AM收音机很熟悉，则接收普通的AM广播信号的处理过程与图2-1是非常的相似的。不同之处在于频谱分析仪的输出是显示器（而不是喇叭），且本振信号是电控的，而不是由调频旋钮控制。频谱分析仪在显示器上输出的是X-Y轴向上的轨迹，我们来分析一下我们可以获得什么信息。显示器通常在水平与垂直方向各刻了10大等分格栅格。水平轴从左到右按频率线性增加。频率的设定分两步进行。首先通过（中心频率控制设定）校正中心线所在的频率，然后通过（频率范围控制）设定整个10等分的频率扫描范围（宽度）。这两个控制是互相独立的，因此如果我们改变中心频点，频率扫描范围（宽度）不会跟着改变。相应的，我们也可以设定起始、终止频率，以替代设定中心频点、频率扫描宽度。垂直轴显示的是幅度。我们可以使用线性电压轴，或者对数轴，单位为dB。由于对数轴表达的范围更大，因此比线性轴使用更频繁。对数轴允许同时显示信号变化范围70-100dB（电压比率为3200到100K，功率比率为10M到10G）。而线性轴显示的信号范围不超过20-30dB（电压比率10-32）。另外，我们给出栅格的顶线，参考水平，一个绝对的数值，使用每一格的大小来确定在栅格上的其它位置的值的大小。.....这样，我们能够测量一个信号的绝对值，也能测量任意两个不同信号之间的相对值。在频率与幅度上的范围校准，注释在显示器上。图2-2显示的是一个典型的分析仪的显示界面。现在，将我们的注意转回到图2-1。RF衰减器首先分析RF输入衰减器。衰减器的目的在于确保信号进入混频器的时候处于最优的电平，防止过载、增益失真。由于衰减器是分析仪的保护电路，通常使用自动设定。设定的