正確理解頻譜分析儀的技術(shù)指標
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更糟糕的是，為某項任務(wù)選擇最為合適的分析儀可能是個(gè)很大的難題，當你的上司不明白這一選擇過(guò)程為什么不只是對一兩份制造商產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上的價(jià)格和一些參數進(jìn)行比較而已時(shí)，尤其是這樣。對于以下情況，有所了解的工程師不多，有所了解的經(jīng)理就更少：頻譜分析儀說(shuō)明書(shū)常常隱藏著(zhù)其沒(méi)有給出的數據，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上最重要的信息可能是頻譜分析儀制造商沒(méi)有說(shuō)出的關(guān)鍵內容。舉例來(lái)說(shuō)，作為最壞的情況，有些制造商僅僅提供其競爭對手給出的典型參數值。
此外，測試條件對技術(shù)規范有極大的影響，而制造商卻希望你認為技術(shù)規范與這些測試條件無(wú)關(guān)。附文《射頻頻譜分析儀的1dB增益壓縮點(diǎn)》闡述了一份如此奇怪的技術(shù)規格。增益壓縮可以量化一個(gè)你并不想測量其振幅和頻率的干擾信號對你正在研究某個(gè)信號的已測振幅的影響。
大多數供應商都懂得，如果你沒(méi)有使用過(guò)打算購買(mǎi)的同一型號系列中的任何一種頻譜分析儀，則你對該頻譜分析儀的評價(jià)至少要花兩個(gè)星期的時(shí)間，也許還會(huì )長(cháng)達一個(gè)月。理想的做法是，你要將兩件頂級備選產(chǎn)品的演示設備在實(shí)驗室中挨個(gè)放置整整一個(gè)月。這樣，你就可以在不僅相同的，而且還與你的應用相關(guān)的條件下將兩者進(jìn)行比較。在實(shí)踐中，有時(shí)候會(huì )需要花一個(gè)月的時(shí)間才獲得必要的設備，然后進(jìn)行這樣的評價(jià)?，F代頻譜分析儀設計中簡(jiǎn)化頻譜分析儀的評估和使用，有些儀器中有自動(dòng)設置功能，可用來(lái)進(jìn)行各個(gè)標準化組織規定的適用于各種無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議的測試。（參考文獻1）
售后服務(wù)很重要
你經(jīng)常會(huì )發(fā)現，評估和使用頻譜分析儀需要一些附件，例如分離器、定向耦合器等等。如果你沒(méi)有這些必要的附件，或者制造商和銷(xiāo)售商不能及時(shí)提供，則你所在地區內儀器制造商的現場(chǎng)工程師會(huì )將這些附件租借給你。
你可能會(huì )認為，為這類(lèi)客戶(hù)服務(wù)的代價(jià)太高，這種服務(wù)方式本應在十年前就不復存在，或者說(shuō)僅適用于最大的公司。然而，頻譜分析儀的制造商認為售后服務(wù)好就會(huì )帶來(lái)生意好，他們從未停止過(guò)這種服務(wù)。制造商已經(jīng)將服務(wù)費用包括在產(chǎn)品的價(jià)格框架中。由于一家公司很可能購買(mǎi)不止一臺頻譜分析儀，但是僅需要對其第一臺提供支持的概率很高，制造商就會(huì )有很多機會(huì )收回技術(shù)支持費用，或者向重購顧客提供具有吸引力的折扣。盡管便攜式頻譜分析儀的售價(jià)常常低于一萬(wàn)美元，有些手提式頻譜分析儀的價(jià)格還要低得多，但高性能射頻頻譜分析儀（亦即寬帶低噪聲頻譜分析儀）的售價(jià)往往相當昂貴。許多高檔頻譜分析儀的售價(jià)都在3萬(wàn)美元以上。
用戶(hù)對一臺設備難以進(jìn)行評估，這對被用戶(hù)選中的制造商來(lái)說(shuō)是有利的。產(chǎn)品復雜再加上反復向客戶(hù)銷(xiāo)售，就有可能既對客戶(hù)有利又對制造商有利。在付出這么多的時(shí)間評估產(chǎn)品、弄明白如何利用產(chǎn)品獨特功能和學(xué)會(huì )如何處理產(chǎn)品的故障之后，一位對服務(wù)感到滿(mǎn)意的客戶(hù)大概會(huì )再買(mǎi)所選中制造商的更多的產(chǎn)品?？蛻?hù)更換制造商則又要進(jìn)行很大的投資和花費很長(cháng)時(shí)間才能了解另一種復雜產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)。
混頻
頻譜分析儀的工作原理被稱(chēng)為混頻、外差或者變頻式的。從根本上說(shuō)，混頻就是倍頻，是一種固有非線(xiàn)性處理方法。頻譜分析儀將輸入信號（其頻率為fIN——是fIN1～fIN2范圍內任何頻率的簡(jiǎn)寫(xiě)）和頻率為fLO的可變頻率LO(本機振蕩器)的信號混合，產(chǎn)生一個(gè)頻率為fIF的IF（中頻）信號。通常，fLO=fIN+fIF，也就是說(shuō)，本機振蕩器的頻率高于輸入信號頻率，但是采用fLO=fIN-fIF的設計也是可能的。一臺經(jīng)典的頻譜分析儀對fLO進(jìn)行掃描，所以在一個(gè)很短的時(shí)間段內，混頻輸出信號代表了fIN1～fIN2頻段內的輸入信號。然后，頻譜分析儀對混頻器輸出信號的包絡(luò )進(jìn)行檢波（除去輸出信號中的fIF分量），并作為一個(gè)時(shí)間函數的包絡(luò )顯示出來(lái)，以便生成輸入信號振幅是頻率函數的曲線(xiàn)。
頻譜分析儀體系結構很復雜，大多是由混頻的一個(gè)不可避免的特點(diǎn)造成的，即頻率為fIF的混頻輸出信號不僅代表fLO-fIN頻段的輸入信號，而且也代表了fLO+fIN波段的輸入信號。如果你試圖一步就將一個(gè)頻段，比如說(shuō)30MHz～3GHz頻段，變換成常用的10.7MHz中頻，那本機振蕩器的掃描范圍可能為40.7～3010.7MHz（你的本機振蕩器的掃描范圍也可能為19.3～2989.3MHz）。如果你選擇第一個(gè)方案，則混頻輸出信號不僅代表所需頻段內的輸入信號，而且也同時(shí)代表51.4～3021.4MHz頻段內的輸入信號。在任何時(shí)刻，混頻輸出信號都代表兩個(gè)相隔21.4MHz(fIF·2)的輸入信號之和——所需頻率＋稱(chēng)為映射的不需要頻率（本例為較高的頻率）。
深入討論下去，混頻器輸出信號從不代表僅僅一個(gè)（或僅僅兩個(gè)）頻率的輸入信號；獲得這樣的輸出信號意味著(zhù)中頻帶寬為零。中頻帶寬，亦即頻譜分析儀的RBW（分辯率帶寬），總是大于零的。你可選擇的最小RBW就是頻譜分析儀的優(yōu)值。然而，如果你刻意選擇RBW為零，那么所有掃頻頻譜分析都需要無(wú)窮多的時(shí)間，因為一個(gè)零帶寬的帶通濾波器需要無(wú)窮多的時(shí)間來(lái)對它的輸入信號變化作出反應。
解決映頻問(wèn)題的一個(gè)辦法是采用多次變頻，頻譜分析儀通常都有3個(gè)中頻級。一個(gè)頻率覆蓋范圍為30MHz～3GHz的頻譜分析儀可能首先將輸入信號頻率變換為大于3GHz，這就使所有不需要的映頻都高于頻譜分析儀的輸入頻率范圍，所以一個(gè)固定截止頻率低通濾波器就可將它們?yōu)V除掉。如果第一個(gè)中頻，比如說(shuō)為3.4GHz，則本機振蕩器的掃描范圍為3.43～6.4GHz，映頻頻段的覆蓋范圍為6.83～9.8GHz。這樣做的另一個(gè)好處是，減小了最高fLO對最低fLO的比值。在本例中，這一比值從大于6個(gè)倍頻程（40 .7～3010.7GHz）減少到小于1個(gè)倍頻程（3.43～6.4GHz）。
把頻域變換成時(shí)域
在掃頻分析儀的輸入端，整個(gè)儀器輸入頻率范圍內各個(gè)頻率的信號可能同時(shí)存在，然而，在混頻器的輸出端，這一頻率范圍就大大地縮小了，因為當掃描使掃頻分析儀在有關(guān)頻段內調諧時(shí)，這些信號——變換成接近fIF頻率——不是同時(shí)存在，而是按時(shí)間順序出現的。因此，在第一混頻器之后，掃頻分析儀就不需要非常寬的帶寬，從而大大簡(jiǎn)化了掃頻分析儀大部分電路的設計。另一方面，現代通訊信號的存在時(shí)間極其短暫，而且占空比很小，從而要求掃頻分析儀能或多或少地連續掃描很寬的頻段。
現在已有這樣的儀器。制造商們給它們起了各種各樣的名字，其中包括信號分析儀，矢量信號分析儀，無(wú)線(xiàn)通訊分析儀。這類(lèi)儀器全都大量采用DSP技術(shù)，而且愈來(lái)愈多的頻譜分析儀都是如此。然而，一般來(lái)說(shuō)，采用DSP技術(shù)的頻譜分析儀和信號分析儀在規范和預計的應用上則大不相同。信號分析儀能以較快的速度捕獲數據，能存儲具有很長(cháng)的數字化時(shí)域數據記錄，能處理矢量（相位及幅度），并能對按照諸如60QAM（64級正交調幅）格式的數字調制的信號進(jìn)行復雜分析。頻譜分析儀通常比信號分析儀小巧、價(jià)格也低，但卻具有大得多的動(dòng)態(tài)范圍。
大多數基于DSP技術(shù)的頻譜分析儀的框圖至少在表面上是與使用傳統模擬信號處理技術(shù)的頻譜分析儀的框圖很相似。與采用傳統體系結構的頻譜分析儀一樣，基于DSP的頻譜分析儀也大量使用模擬中頻信號。然而，在最后一個(gè)混頻器之后，你會(huì )發(fā)現除了高速高分辨率ADC和起數字濾波作用的DSP之外就沒(méi)有模擬濾波器了。采用DSP的頻譜分析儀的好處是，選擇性提高了（RBW較窄），而且當你減小RBW時(shí)掃描速度降低較小。然而，Agilent公司最近宣布，其PSA系列基于DSP技術(shù)的頻譜分析儀具有矢量調制分析功能。這些功能對于以前僅具有標量（大?。y量能力的頻譜分析儀來(lái)說(shuō)是一種重大的變革。
這種普通的體系結構發(fā)生重大改革的日子也許不太遠了。頻譜分析儀可以不使用模擬混頻器，而采用ADC作為混頻器的一部分。取樣率為64Ms/s（取樣精度為14位）的ADC已經(jīng)問(wèn)世。如果在這樣的ADC之前裝一個(gè)合適的T/H (跟蹤保持)放大器，你就可以根據需要的采樣精度，故意降低取樣率，對遠高于A(yíng)DC的32MHz奈奎斯特頻率的通訊信號進(jìn)行取樣。假定你按這樣的方式對已調制的200MHz載波進(jìn)行取樣。如果載波頻率兩側的邊帶沒(méi)有超過(guò)采取樣頻率的一半，又沒(méi)有其它信號混入基帶，那你就能獲得這種調制的精確數字化拷貝。
當然，大多數新型數字通訊系統的載波頻率范圍為2.35～5.8GHz，所以一個(gè)包括有一個(gè)對已調制的200MHz載波進(jìn)行放大的T/H放大器的信號分析儀仍然不得不采用混頻技術(shù)。然而，如今你用不著(zhù)購買(mǎi)帶寬大于200MHz、精度與14位分辨率ADC相當的T/H放大器。這樣的T/H放大器雖然還未投入生產(chǎn)，但據說(shuō)現在是可行的。如果這樣的器件投放市場(chǎng)，它們將使體系結構發(fā)生變革，從而可從信號分析儀和采用DSP的頻譜分析儀中去掉一個(gè)或幾個(gè)變頻級。
信號分析儀模塊化
美國國家儀器公司（NI）最近宣布的一種模塊化2.7GHz信號分析儀打破了此類(lèi)儀器的諸多規則。PXI-5660（圖1）不是一種高檔儀器，而是兩個(gè)3U高度的PXI模塊——一個(gè)有3個(gè)插槽的變頻器和一個(gè)具有16M字（32M字節）數字轉換存儲器的一個(gè)插槽的14位64Ms/s數字轉換器。SFDR（無(wú)寄生信號的動(dòng)態(tài)范圍）為80 dB，但是你可以犧牲測量速度來(lái)達到更大的動(dòng)態(tài)范圍。NI公司聲稱(chēng)，SFDR為80 dB的測量速度為SFDR相當的儀器級信號分析儀的200倍。
這兩個(gè)模塊加起來(lái)仍遠小于具有同樣功能的儀器級信號分析儀，但不能組成一個(gè)完整的分析儀。兩個(gè)模塊可插入一個(gè)可裝CPU模塊、包括必要的電源和其它附加模塊的PXI插件箱中。上萬(wàn)美元的基價(jià)包括兩個(gè)模塊、一個(gè)成套頻譜測量軟件工具包、調制分析數據和幾個(gè)驅動(dòng)器。雖然這個(gè)價(jià)格遠低于儀器級信號分析儀的價(jià)格，但該模塊化產(chǎn)品還要求另外購買(mǎi)插件箱、CPU、鍵盤(pán)、指針器和顯示器。NI公司還建議你購買(mǎi)它的LabView或LabWindows CVI研發(fā)環(huán)境軟件，因為你可能想開(kāi)發(fā)自己的專(zhuān)門(mén)應用軟件。
前面有關(guān)掃描頻譜分析儀的RBW和掃描速度之間折衷的討論將提醒頻譜分析儀以及相關(guān)儀器的買(mǎi)主和用戶(hù)，注意這類(lèi)產(chǎn)品設計有一個(gè)重要特點(diǎn)：如果沒(méi)有實(shí)現體系結構上的改革，頻譜分析儀設計師一般不可能在相互不影響的情況下提高某個(gè)特性或者技術(shù)規格。幸運的是，對頻譜分析儀的需求不斷增長(cháng)——不僅體現在無(wú)線(xiàn)通訊系統的開(kāi)發(fā)、部署和維護方面，而且也體現在EMI（電磁干擾）的測量和控制方面——正在引發(fā)這種體系結構上的改革。
然而，頻譜分析儀的制造廠(chǎng)商們指出，只要采取一種引人注目的改進(jìn)措施，就不必改變儀器設計。用戶(hù)常?？梢酝ㄟ^(guò)仔細分析他們的應用來(lái)修改測試協(xié)議，以便在不犧牲測量精度的情況下縮短測試時(shí)間。一家制造商估計，用戶(hù)提出的提高儀器測試速度的各種要求，其中幾乎一半可用這樣的改進(jìn)措施來(lái)滿(mǎn)足。這家制造商建議，在考慮購買(mǎi)附加的儀器之前，在生產(chǎn)測試中使用頻譜分析儀的公司應拜訪(fǎng)供應商的應用軟件工程師，以調查研究這種改進(jìn)的可能性。盡管制造商總是希望銷(xiāo)售更多的儀器，但他們始終認為，幫助他們的客戶(hù)更加有效地使用現有的儀器是保持用戶(hù)對他們誠信度的一種重要手段。
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