频谱仪原理与使用

1亚洲卫星通信工程师资格认证培训亚洲卫星通信工程师资格认证培训20072007年年1111月月yy南京南京亚洲卫星公司亚洲卫星公司南京通信工程学院南京通信工程学院频谱仪原理与使用频谱仪原理与使用刘波刘波教授教授南京通信工程学院南京通信工程学院2亚洲卫星通信工程师资格认证培训一、频谱仪简介：一、频谱仪简介：为什么要用频谱仪为什么要用频谱仪4卫星通信信号频率很高（数十兆赫到十几吉赫）、幅度很小（接收信号经放大后通常仅几毫伏甚至更低）不便用示波器观测。4卫星通信频带内通常有多个不同频率的调制载波同时存在，且在信号上叠加有相当大的噪声，示波器无法观测。4对信号的微小失真，从时域有时很难观测。4对卫星通信信号通常用频谱仪在频域进行观测，而不是用示波器在时域进行观测。3亚洲卫星通信工程师资格认证培训一、频谱仪简介：功能与用途一、频谱仪简介：功能与用途4与在时域上显示电压变化的示波器不同，频谱仪可在频域上显示功率变化4频谱仪的水平坐标为频率轴，垂直坐标为功率轴4频谱仪主要用于观测和记录某个指定频段内的信号频谱通过对信号的频谱观测，可以了解信号在频域的分布情况以及信号的质量通过对某部件输入、输出信号频谱的测量，得到部件的技术指标4亚洲卫星通信工程师资格认证培训二、频谱仪工作原理：原理框图二、频谱仪工作原理：原理框图4频谱仪的原理框图如上图所示4输入信号经由衰减器和滤波器，被送到混频器4混频器的本振频率通常为周期性的扫频信号4混频输出经过中频放大、带通滤波、对数放大、包络检波及视频滤波，被送到显示器的Y轴4扫描信号发生器在控制本振频率扫频的同时，控制显示器X轴扫描5亚洲卫星通信工程师资格认证培训二、频谱仪工作原理：工作原理二、频谱仪工作原理：工作原理4输入衰减器和滤波器（预选器）限制送给混频器的信号电平和带宽，保证混频器正常工作4在混频器中，输入信号与本振混频，得到中频信号4本振信号一般由频率合成器产生，可在某一范围内扫描4中频放大器及衰减器对混频器输出中频信号的电平进行调整4中频带通滤波器选出中频信号4中频放大器及滤波器常采用多级级联，中频带宽由最后一级滤波器带宽决定。该带宽可以受控改变，且决定频谱仪的分辨带宽（RBW）4包络检波器的输入信号通常由对数放大器压缩信号的动态范围，并且调整其电平范围4低通滤波器的带宽（视频带宽VBW）影响显示信号频谱的平滑度4现代频谱仪基本都采用高性能微处理器及DSP器件，使频谱仪的测量功能得到大大提高6亚洲卫星通信工程师资格认证培训二、频谱仪工作原理：主要性能指标二、频谱仪工作原理：主要性能指标4频率范围（FrequencyRange）4主要由输入预选器、本振和混频器频率范围决定4决定频谱仪能观测信号的频率范围4分辨带宽（ResolutionBandwidth－RBW）4由中频滤波器或数字滤波器带宽决定4分辨带宽越宽，滤波器稳定时间越短，可提供较快的测量；分辨带宽越窄，具有更高的频率分辨力和更低的噪声电平4频率准确度和稳定度（FrequencyAccuracy&Stability）4视频带宽（VideoBandwidth－VBW）4选择较窄的视频带宽，可以得到较为平滑的谱线4本振相位噪声（LOPhaseNoise）4由本振频率合成器决定4决定测量单频信号相位噪声的下限4影响能观测到的多频、窄带信号的电平范围7亚洲卫星通信工程师资格认证培训二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续一）二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续一）4最大输入信号电平（MaximumSafeInputLevel）4主要由输入衰减器、放大器决定4一般分最大连续功率和最大脉冲功率4输入信号电平超过最大输入信号电平时，会损坏频谱仪4平均显示噪声电平（DisplayedAverageNoiseLevel）4决定频谱仪能显示的最小信号电平，有时也称“灵敏度”4分辨带宽越窄，平均显示噪声电平越小4频响（FrequencyResponse）4影响宽带信号测量结果4幅度准确度（AmplitudeAccuracy）4二次谐波失真（SecondHarmonicDistortion）4影响二次谐波失真测试范围4三阶互调失真（ThirdOrderIntermodulationDistortion）4影响三阶互调失真测量范围4扫描点数（SweepPoints）4扫描点数为显示屏在水平方向上的取样点数量4扫描点数越多，在水平轴上的显示精度就越高8亚洲卫星通信工程师资格认证培训4扫描时间（SweepTime）4频谱仪X轴方向扫描一次所用时间4扫描时间与观测频率宽带（Span）、RBW、VBW；Span越宽、RBW和VBW越窄、扫描时间越长。扫描时间通常由频谱仪自动设置4对应于不同型号，扫描时间最长可为300s、1500s、乃至4000s4扫描时间越长，在0span条件下检测电平变化的范围就越大4触发方式（TriggerType）4通常有FreeRun,Single,Line,Video,Offset,Delayed,External等触发方式4需要观测特定时间的信号频谱时，应选择适当的触发方式二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续二）二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续二）9亚洲卫星通信工程师资格认证培训4其它测试功能4调制分析4噪声系数测试4发射损耗测试4EMI测试4其它使用性能4频谱存储、打印、输出4编程、遥控二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续三）二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续三）10亚洲卫星通信工程师资格认证培训4中心频率（CenterFrequency）和频率宽度（FrequencySpan）4中心频率和扫频宽带决定频谱仪观测频率范围4频谱仪中心频率指X轴中心点频率，与观测信号的中心频率相同4频谱仪频率宽度指X轴从最左端（低端）到最右端（高端）对应的带宽，应略大于观测信号带宽4也可以通过设置起始频率（StartFrequency）和终止频率（StopFrequency）来设置频谱仪观测频率范围CenterFrequency=（StartFrequency+StopFrequency）÷2FrequencySpan=StopFrequency-StartFrequency三、频谱仪使用：参数设置三、频谱仪使用：参数设置11亚洲卫星通信工程师资格认证培训4参考电平（ReferenceLevel）和电平刻度（Scale/Div）4参考电平为频谱仪Y轴方向最上端对应的电平4电平刻度为频谱仪Y轴方向每格代表的电平分贝数（Y轴以对数方式显示时）4调整参考电平时，应使观测信号最大电平不超过参考电平4调整电平刻度时，应使所关心的信号电平变化显示比较明显，或所关心的电平范围能在频谱仪上显示出来4功率显示值=ReferenceLevel–Scale/Div*n（n为电平刻度数）4输入衰减（InputAttenuation)4对保护频谱仪输入级非常重要，强烈建议设置成自动调整方式4输入衰减越大，频谱仪底噪声电平越高4在确定输入信号电平足够小（全频段电平）时，把输入衰减设为0dB可提高观察微弱信号的能力三、频谱仪使用：参数设置（续一）三、频谱仪使用：参数设置（续一）12亚洲卫星通信工程师资格认证培训4分辨带宽（RBW）4通常由频谱仪根据频率宽度自动设置4观察调制载波时，RBW通常应小于信号带宽的十分之一4观察单频信号时，宽的RBW容易漏掉单频信号附近的低电平信号4RBW越窄，扫描时间越长4视频带宽（VBW）和视频平均4通常与RBW保持某一比例（该比例可手动改变），由频谱仪自动设置4窄的VBW可减小噪声及信号的随机起伏，使显示频谱越光滑，同时扫描时间越长4当被观测信号的信噪比较低时，窄的VBW可使故测信号显示得更明显4视频平均与很窄得视频带宽效果基本相同三、频谱仪使用：参数设置（续二）三、频谱仪使用：参数设置（续二）13亚洲卫星通信工程师资格认证培训4扫描时间（SweepTime）4通常由频谱仪根据频率宽度、RBW和VBW自动设置4扫描时间过短会导致观测到的信号电平降低、频率右移4扫描方式（Sweep）4连续扫描（ContinusSweep）4单次扫描（SingleSweep）4DisplayLine4便于测量一定带宽的信号电平时4光标（Marker）4寻找最大值（PeakSearch）4把光标移到中心频率（MarkertoCF）4把光标移到参考电平（MarkertoReferenceLevel)4DeltaMarker三、频谱仪使用：参数设置（续三）三、频谱仪使用：参数设置（续三）14亚洲卫星通信工程师资格认证培训4扫迹（Trace）4频谱仪一般有2～3个扫迹，单通常情况下只用一个扫迹4实时扫描扫迹（ClearWrite）4最大值保持扫迹（MaxHold）4最小值保持扫迹（MinHold）4观测突发信号时，常用最大值保持扫迹三、频谱仪使用：参数设置（续四）三、频谱仪使用：参数设置（续四）15亚洲卫星通信工程师资格认证培训4单频信号观测14选用合适的RBW三、频谱仪使用：频谱观测三、频谱仪使用：频谱观测16亚洲卫星通信工程师资格认证培训三、频谱仪使用：频谱观测三、频谱仪使用：频谱观测4单频信号观测24选用合适的扫描时间17亚洲卫星通信工程师资格认证培训三、频谱仪使用：频谱观测三、频谱仪使用：频谱观测4单频信号观测34选用合适的视频带宽18亚洲卫星通信工程师资格认证培训三、频谱仪使用：频谱观测三、频谱仪使用：频谱观测4单频信号观测44选用本振相位噪声满足要求的频谱仪19亚洲卫星通信工程师资格认证培训三、频谱仪使用：频谱观测三、频谱仪使用：频谱观测4调制载波观测4选用合适的频率宽度和RBW、VBW及电平刻度20亚洲卫星通信工程师资格认证培训4突发载波观测4利用频谱仪最大值保持功能三、频谱仪使用：频谱观测三、频谱仪使用：频谱观测21亚洲卫星通信工程师资格认证培训4单载波功率测量：4适当调整CenterFrequency、Span、ReferenceLevel和RBW，使载波的峰值落在显示范围内4按PeakSearch，读出光标的功率值PMarker4计算载波功率PCW=PMarker+AttnCoupler式中，AttnCoupler为测试端口到频谱仪输入端口之间的耦合衰减与电缆损耗之和4单载波的功率和频率稳定度测量：4适当调整频谱仪设置，使载波的峰值落在显示范围内4按Marker→CF，Marker→RefLvl，以及向上按键，使载波的峰值落在中心频率的参考电平以下10dB处4定时按PeakSearch，读取并记录光标所对应的功率和频率值4对测试记录作统计处理4频谱仪功率稳定度和频率稳定度应由于被测信号指标三、频谱仪使用：三、频谱仪使用：单载波的功率和稳定度测量单载波的功率和稳定度测量22亚洲卫星通信工程师资格认证培训4通过测量C/N计算Eb/N04将DisplayLine设为On4用旋钮调整DisplayLine，使之与载波峰值相重合，并读取相应的电平值，该值为C＋N4继续调整DisplayLine，使之与底噪声相重合，并读取相应的电平值，该值为N4从（C+N)/N计算出C/N4利用C/N计算Eb/N0C/N=C0/N0Eb=C0×Rs/RbEb/N0=(C/N)×(Rs/Rb)（Rb为信息速率Rs为调制符号速率）三、频谱仪使用：三、频谱仪使用：Eb/NEb/N00测量测量1123亚洲卫星通信工程师资格认证培训4利用频谱仪直接测量（设备验收时）4设置频谱仪功率测量的信道带宽与被测信道带宽相同4关闭噪声源，打开频谱仪视频平均，用频谱仪直接测量信号功率C4关闭信号，打开噪声源，用频谱仪直接测量噪声功率密度N04通过C及Rb计算EbEb=C/Rb4求出Eb/N0三、频谱仪使用：三、频谱仪使用：Eb/NEb/N00测量测量2224亚洲卫星通信工程师资格认证培训4间接测量4频谱仪本振相位噪声要优于对被测信号相位噪声的要求4调整频谱仪中心频率，使被测载波位于屏幕中心4调整参考电平使被测载波峰值点位于屏幕顶线4频率宽度约为欲测频率偏移量的10倍4频谱仪RBW设为频率偏移量的1/104