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频谱仪 or 示波器? 一文治愈你的选择困难症

发布日期:2023-07-04     878 次



频谱仪or 示波器? 

 

射频信号分析仪器

到底怎么选? 

这可能是射频工程师最头疼的问题了

 

示波器与信号与频谱分析仪在频域分析性能上各有所长,功能也各有重叠。信号与频谱分析仪在灵敏度等技术指标上更胜一筹,示波器在实时带宽上更为出色,现今的实时示波器所具有的带宽使其能够直接采集微波甚至毫米波 (mmWave) 信号,为射频工程师开启全新可能。

 

因此,在测量不同类型的射频信号时,需要根据特定的测试需求和两种仪器的技术特点进行具体分析。

 

下面我们将重点讨论两种仪器之间的差异,并通过一些具体应用展示这两种仪器是如何理想满足相关测量的典型要求的。

 

信号与频谱分析仪

信号与频谱分析仪覆盖的频率范围高达85 GHz及以上,可应用于无线、蜂窝或卫星通讯、雷达或物联网的大部分应用的开发、生产、安装和维护活动。对于这些应用,显示平均噪声电平 (DANL)、动态范围和频率范围等参数以及其他有关功能和测量速度的严格要求显得尤为重要。此外,信号与频谱分析仪还用于进行时域测量,例如测量时分复用系统的发射机输出功率随时间的变化。

 

支持宽带频谱

信号与频谱分析仪可显示选定分辨率带宽下电平与频率的关系,用于测量信号电平或带宽等基本信号参数。通过屏幕上显示的信号形状可以估算更多参数,例如滤波器设置或频率响应。

 

频谱中的其他测量包括杂散发射检测、信噪比 (SNR) 测量或多余杂散发射检测。信号与频谱分析仪具有频率选择性,即一次仅考虑部分频谱。这种特性使其能够实现高动态范围,在强载波信号附近甚至可以显示非常小的信号。

 

使用R&S的FSW等现代信号与频谱分析仪,可以在单次测量中测量和显示从2 Hz到85  GHz的整个频谱。借助外部混频器,还可将显示的频率范围扩增数百GHz。

 

确保一致性

多项标准和法规要求进行频谱测量以确保一致性。在移动无线电应用中,将执行邻道功率比 (ACLR)、频谱发射模板 (SEM)、大频率范围的杂散发射等测量,这些测量需要在强信号附近测量非常小的电平。信号与频谱分析仪是首选的测量设备,因为频率选择性能够满足这些标准所要求实现的动态范围。

 

 

使用信号与频谱分析仪测量频谱发射模板  (SEM)

 

ACLR的测量与SEM类似。但与SEM不同的是,需要关注的并非单独的杂散,而是通信信号相邻通道的信号功率。这种邻道功率泄漏是设计高效功率放大器时常会遇到的挑战。信号与频谱分析仪提供了根据相应的标准执行此类测量所需的动态范围。


 

邻道泄漏比 (ACLR) 测量需要高动态范围,可使用信号与频谱分析仪执行

 

电磁干扰 (EMI) 方面同样需要确保一致性。相应的EMI标准要求使用适当的 EMI 检测器 (准峰值、CISPR-Average和MS-Average (CISPR-RMS)) 测量最低数量的杂散。信号与频谱分析仪可进行对应的预一致性测量。

 


 

使用信号与频谱分析仪进行EMI预一致性测量

 

频率选择性

频率选择性是信号与频谱分析仪有别于功率传感器或示波器等其他射频测量仪器的一项基本特性。扫描频谱模式下的信号与频谱分析仪一次仅考虑一小部分频谱。在低频端将去除信号中的直流分量。在通常为7 GHz至8 GHz的频率下,使用一种称为预选器的可调带通滤波器从其通带中去除信号分量。频率选择性可增加动态范围,这样即使存在更高功率的信号,也仍能检测到较小信号。

 

信号分析能力

除了信号与频谱分析仪,现今的分析仪还支持信号分析。使用混频器将射频信号一次或两次混频降至中低频,并使用A/D转换器在大带宽上执行采样,然后对采样后的信号下变频到基带并进行均衡处理。高达1 GHz的信号分析带宽现在已经相当普遍,FSW等现代信号与频谱分析仪甚至支持最高8.3 GHz的分析带宽。通过这种方式获得的数字I/Q值包含带宽和动态范围内的所有信号信息,以便对信号做进一步处理。

使用信号与频谱分析仪进行数字信号分析

 

信号与频谱分析仪结合使用适合特定应用的测量,可对信号进行详细分析。例如,通信信号的重要参数是调制质量,通常包括误差矢量幅度 (EVM)、I/Q偏移或不平衡以及导频与数据信道的电平比。对于雷达应用的脉冲信号,则包括整个脉冲持续时间内的相位、频率、调制和电平。频谱分析仪或VSE等PC软件中给出了相应的测量应用。

 


 

对5G NR信号进行信号分析。测量应用将显示EVM、功率谱和星座图等关键参数。

 

支持进一步的测量

高频设备从前期开发到批量生产的过程中,需要在组件、模块以及最终的产品级别进行多种测量。对于放大器而言,噪声系数和增益的测量必不可少,而对振荡器来说,相位噪声测量是不可或缺的。这些测量都可借助信号与频谱分析仪以及相应的测量应用来完成。

 

 

使用信号与频谱分析仪结合专门的测量应用对低噪声放大器进行噪声系数和增益测量。由于消除了分析仪的固有噪声,使用Y因子方法可以实现几乎低至热噪声本底的非常精确的测量。


 

使用信号与频谱分析仪测量相位噪声。相位噪声测量通常在频谱模式下进行,而在I/Q模式下则可进行更复杂的测量,这样可以分离AM和PM噪声或对漂移源进行频率追踪。

 

高端信号与频谱分析仪能提供更深层次的测量,例如:连续的实时频谱分析和连续的数字I/Q数据流。

 

总结一下,信号与频谱分析仪的优势主要源自它的频率选择性:

  • 通过频率选择性实现高动态范围:低电平信号也可在强信号附近进行分析,符合标准的ACLR和SEM测量通常只有通过频谱分析仪才能实现

  • 凭借信号解调,大动态范围带来高质量测量结果:特别是对于具有大带宽和高峰均比的信号,可以获得更好的结果,即更理想的EVM值

  • 最大频率非常高,从最小频率到最大频率连续扫描

  • 根据带宽大小,可进行超长时间流畅记录

  • 支持相位噪声和噪声系数/增益测量应用

  • 支持连续的实时频谱分析的测量应用

 

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