老工程師總結：頻譜儀使用實(shí)踐

　　本人從事射頻系統測試有一段時(shí)間了，經(jīng)過(guò)工程測試實(shí)踐，總結了一下頻譜儀的使用。頻譜儀可以用來(lái)測量和顯示被測信號得頻率和幅值，可以將復雜信號分離或解調為頻率和幅值不同的正弦波。下圖為常見(jiàn)的頻譜儀分析儀。

　　圖1、Agilent頻譜儀

　　圖2、R&S頻譜儀

　　圖3、中國電子科技集團公司第四十一研究所的頻譜儀

　　圖4、手持頻譜儀

　　一、介紹頻譜儀前，先介紹幾個(gè)概念：

　　1、頻譜

　　頻譜是頻率譜密度的簡(jiǎn)稱(chēng)，是頻率的分布曲線(xiàn)。復雜振蕩分解為振幅不同和頻率不同的諧振蕩，這些諧振蕩的幅值按頻率排列的圖形叫做頻譜。

　　圖5、頻譜圖

　　2、dBm，dB

　　dB是一個(gè)比值取log是一個(gè)相對量，例如：

　　dB=20log(V1/V2)，dB=10log(P1/P2)

　　dBm是一個(gè)功率值取log，是絕對值，

　　例如：dBm=10log(P1)

　　dBm與dB的關(guān)系：dB=dBm-dBm。

　　二、頻譜儀的分類(lèi)

　　一般分為FFT(快速傅里葉變化)和掃頻式頻譜儀。其中FFT式頻譜儀適合窄分析帶寬，快速測量場(chǎng)合，掃頻式頻譜儀適合寬頻帶分析場(chǎng)合。常用的為掃頻式頻譜儀，下面主要介紹掃頻式頻譜儀的原理圖，下圖6位掃頻式頻譜儀的原理圖。

　　圖6、頻譜儀內部原理圖

　　1、輸入衰減器

　　信號進(jìn)入頻譜儀后，先經(jīng)過(guò)一個(gè)輸入衰減器，作用為防止大信號進(jìn)入混頻器，造成混頻器過(guò)載，增益壓縮，畸變。衰減器雨后面的中頻放大器是互動(dòng)的，中頻放大器補償前面的衰減值，保證信號大小不變。

　　2、低通濾波器

　　低通濾波器決定了頻譜儀的分析能力，頻譜儀上標注的頻率范圍就是由此濾波器決定。

　　3、混頻器

　　混頻器，通過(guò)本振(LO)將輸入信號下變頻到中頻。

　　圖7、混頻器原理

　　4、中頻濾波器

　　中頻濾波器即頻譜儀面板上設置的RBW，是可調的，調節RBW會(huì )影響頻率選擇性，信噪比和測試速度。

　　圖8、不同RBW的信號頻譜圖

　　5、包絡(luò )檢波器

　　將中頻信號轉換為基帶信號或者視頻信號。有正向檢波(顯示最大值)，負向檢波(顯示最小值)，采樣檢波(顯示中值)。

　　6、視頻濾波器

　　一般為一低通濾波器，此濾波器主要是為了減少噪聲的峰峰值變化，測試小信號時(shí)會(huì )用到。

　　三、頻譜儀測試

　　都知道頻譜儀可以觀(guān)測信號的頻譜，信號的功率，測試系統的雜散，諧波，交調失真功能。

　　1、測量信號的頻率與功率

　　下圖9為信號源發(fā)出一單載波信號后，頻譜儀的顯示，通過(guò)MARK——PEAK，操作可以看到信號頻率為50.005MHz，功率為-20.17dBm。

　　圖9、信號的頻譜

　　2、交調失真測試

　　下圖10為信號交調失真測試圖，通過(guò)mark-DELT標注功能可以測試信號與交調信號功率差(dB)

　　圖10、交調測試圖

　　3、諧波測試

　　頻譜儀可以測試被測信號的各次諧波，可以用頻譜儀自帶的頻譜測試功能，MEASURE-harmonic測試，也可以通過(guò)測試信號的頻率f，然后改變頻譜儀的中心頻率到2f，3f….然后PEAK一下，測試各次諧波的功率。

　　圖11、諧波測試圖

　　4、測量調制信號的帶寬

　　頻譜儀可以測試信號的帶寬，可以測試3dB帶寬，也可以測試99%信號能量帶寬 。下圖12為99%信號能量帶寬。

　　圖12、信號帶寬測試

　　5、峰均比測試

　　頻譜儀測試中，還有一個(gè)功能為峰均比測試(CCDF)，某一調制信號的峰均比測試如下圖13。

　　圖13、峰均比測試圖

　　四、測試結果的準確性判斷：

　　測試一個(gè)信號的功率值是否準確時(shí)，可以改變衰減器衰減值，看信號功率是否發(fā)生變化來(lái)判斷。

　　圖14、信號準確性判斷圖

　　五、調制信號功率測試方法

　　上面介紹了頻譜儀的原理及基本使用與測試，下面介紹測試信號的功率(TDD系統的發(fā)射功率，或者突發(fā)信號的功率),TD系統是有時(shí)隙的，收發(fā)交替，所以直接用一般的平均式功率計測試信號功率不準確，需要知道收發(fā)比等指標，但是一般的射頻工程師可能不會(huì )去了解時(shí)隙結構等，測試不方便，用常規頻譜儀測試功率很好的解決這一問(wèn)題。下面介紹兩種個(gè)人覺(jué)得比較合適的測試方法(以R&S頻譜儀測試為例)。

　　1、信道功率法

　　圖15、R&S頻譜儀

　　此方法是根據信號ACPR的測試方法而來(lái)，LTE系統等都需要測試ACPR這個(gè)指標，以R&S的頻譜儀為例，操作方法：MEAS——chanPWR ACP——CP/ACP Config

　　需要配置的參數：

　　1.鄰道個(gè)數(第一鄰道，第二鄰道，第三鄰道)，NO.of ADJ channel。

　　2.信道以及鄰道的信號帶寬，Channel Bandwith。

　　3.鄰道中心頻率距信號中心頻率的距離。Channel spacing。

　　對于測試信號功率來(lái)說(shuō)，只需要設置第二項信道帶寬即可，特別注意，要調RBW帶寬設置為合適值(一般設置為幾十KHz)，但是對于TDD系統如果只做這些設置，會(huì )發(fā)現頻譜儀的譜是一直在閃的，測試出的功率度數一直在變，此時(shí)需要將SWEEP TIME改變一下，將掃描時(shí)間加大，信號譜會(huì )變得比較穩定，測試過(guò)程中還可以將檢波模式改為RMS，操作步驟TRACE-DETECTOR—RMS，頻譜會(huì )更加穩定。下圖16為一信號的測試結果。

　　圖16、發(fā)射功率測試圖

　　六、時(shí)域功率檢測法

　　頻譜儀都有一個(gè)時(shí)域測試方法，一般不常用，頻譜儀當SPAN設置為0時(shí)，頻譜儀就會(huì )變?yōu)楣β孰S時(shí)間的變化圖，設置方法為SPAN-ZERO SPAN。

　　此方法測試時(shí)需要先知道信號帶寬，因為時(shí)域顯示的是一定帶寬內信號的功率(帶寬為RBW的帶寬)，頻譜儀可以直接測試信號帶寬(MEAS-channel bandwith-99% power bandwith)，測試出信號帶寬后，將RBW改為>=信號帶寬值，將SWEEP TIME改一下，可以看到，信號功率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。有信號的時(shí)間的功率即為發(fā)射功率，無(wú)信號功率的時(shí)間段說(shuō)明處于收狀態(tài)或者未發(fā)信號。此方法測試時(shí)也可以將檢波模式改為RMS同方法一中設置。

　　圖17、功率時(shí)域法測試圖

　　上圖17可以很輕松讀出發(fā)時(shí)隙時(shí)信號的功率值，同時(shí)可以看出信號的收發(fā)切換狀態(tài)。

　　此外還有一種簡(jiǎn)單測試方法，可以測試功率，就是將RBW設置為>=信號帶寬，SPAN設置為幾個(gè)GHz，然后用頻譜儀的PEAK功能。此方法測試有誤差，實(shí)驗得知誤差在2dB左右。

　　綜上，在儀器不全，或者外出設備維修時(shí)，一個(gè)手持頻譜儀可以測試很多功能，很好的解決調試，測試問(wèn)題，給射頻工程師帶來(lái)很多便利。

　　此文介紹了頻譜儀的類(lèi)型，原理，基本的測試功能，與時(shí)分系統的調制信號功率測試方法。后面有時(shí)間，會(huì )繼續寫(xiě)用公式推導得出頻譜儀代替噪聲系數分析儀測試系統的噪聲系數的方法，頻譜儀代替示波器測試跳頻時(shí)間，LTE的收發(fā)切換時(shí)間等等。