技术文章
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频谱分析仪的五个关键考虑因素
一系列规格决定了频谱分析仪的性能。但在选择仪器时，只有少数几个特性是至关重要的。
由Signal Hound提供
随着无线技术渗透到我们的生活，越来越多的工程师发现他们必须进行 RF 测量。过去，RF 测试需要使用昂贵的设备，只有具备深厚 RF 知识的工程师才能操作。然而，如今，具有广泛背景的工程师和技术人员必须测量 RF。
频谱分析仪是用于测量射频信号的最常见实验室仪器。从历史上看，这些仪器价格昂贵，由常驻射频专家保护。但射频集成电路的进步使得突破频谱分析仪架构成为可能。许多公司惊讶地发现，现代射频仪器并不一定昂贵。如今，通常的做法是购买一台体积大且价格昂贵的频谱分析仪，以满足一些具有挑战性的要求，然后在每个工作台上配备价格较便宜的基于 PC 的分析仪，这些分析仪可以处理 95% 的工作量。
两种不同的基于 PC 的频谱分析仪 Signal Hound SM200B 和 BB60C 的本底噪声。
动态范围是任何频谱分析仪的重要规格。当寻找低电平信号时，它决定了您区分信号和本底噪声的能力。一个重要的考虑因素是确定测试情况所需的最低电平。对于许多测量，主要目标可能是准确表征主信号。在这些情况下，60 dB 的本底信噪比可能绰绰有余。在一些实验室中，一些测试站可能需要更昂贵的频谱分析仪，提供 85 dB 或更高的本底信噪比。
顶部，Signal Hound 和 Keysight MXA 的 PC 频谱分析仪主要规格比较。需要注意的一点是：可以以大约 1,000 美元的价格购买能够直接查看 WiFi 和其他 ISM 频段发射的频谱分析仪。下面，比较了 PC 频谱分析仪和 SSB 相位噪声专用版本。Signal Hound SM200B 使用低中频架构设计，可实现出色的相位噪声性能。Signal Hound SA44 和 BB60 使用更传统的超外差架构，实现了更适中的相位噪声，但价格适中。请注意，对于 SA44，列出的结果是典型的，因为它没有相位噪声的硬性规格。单击图像放大。
频谱分析仪的动态范围规格可能令人困惑。仪器通常会显示较低的 DANL（显示平均噪声水平）数字（例如，小于 -150 dBm/Hz）。DANL 数字有时会被误解，因为它们取决于许多因素，例如频率、衰减、检测器、前置放大器等。
为了对频谱分析仪进行简单的比较，可以看看最大动态范围，它规定为 1 GHz 时三阶截取点和 DANL 之间差值的三分之二。
在许多应用中，扫描速度至关重要。例如，频谱监测情况
在 BB60C 和 SM200B PC 频谱分析仪上进行相邻信道功率比 (ACPR) 测量。请注意，SM200B 的本底噪声低 22 dB。单击图像可放大。
通常需要进行广泛的频率扫描以搜索各种信号情况。例如，Signal Hound 的 SM200B 在其任何分辨率带宽设置≥30 kHz 下提供 1 THz/秒的扫描速度。在短短 19 毫秒内覆盖 1 GHz 至 20 GHz 的频率范围，可以对无线电波进行持续扫描。最重要的是，这可以在很长一段时间内自动进行，无需操作员在场。只需定义一个基线，任何违反该基线的信号都会实时记录到 CSV 文件中。这最大限度地提高了效率和安全性，因为即使计算机关闭，数据也会得到保留。
Signal Hound 频谱分析仪架构还允许使用额外的技术来进一步提高速度。在许多情况下，仪器软件会消耗计算机处理器开销。像 Signal Hound 的 Spike 频谱分析仪软件这样的应用程序可能会对整体测试时间产生轻微影响。在几分之一秒至关重要的情况下，Signal Hound 允许其用户绕过 Spike，以便直接进行设备 API 编程和更快的测量。Signal Hound 频谱分析仪可以用 C++、LabView、Matlab、Python、C# 或任何具有 C 绑定的语言进行编程。
相位噪声测量
许多设备和系统都需要精确的相位噪声测量。频谱分析仪通常用于这种测量。但是，频谱分析仪本身的相位噪声必须足够低，以免影响设备测量。
例如，Signal Hound SM200B 采用低中频架构设计，可实现出色的相位噪声性能，可与更昂贵的频谱分析仪的性能相媲美。Signal Hound SA44 和 BB60 采用更传统的超外差架构，可实现更适中的相位噪声性能，但成本更低。
Signal Hound Spike 频谱分析软件上的相位噪声测量功能。
SM200B 的低中频架构确实伴随着更高的镜像响应杂散。虽然残余响应杂散与 MXA 相当，但镜像响应杂散不如 MXA 的低 (<-74 dBc)。SM200B Spike 软件提供了可激活和停用的信号 ID 功能，允许区分低电平混频器杂散和 RF 输入信号。在许多情况下，杂散可以被识别为来自频谱分析仪而不是被测设备 (DUT)，从而允许在实际测量期间忽略它们。BB60C 更传统的超外差架构通常具有 -70 dBc 镜像抑制。BB60C 杂散通常不是来自镜像响应。
基于 PC 的 Signal Hound 频谱分析仪上的数字调制分析包括 QPSK、BPSK、8PSK、π/4DQPSK、DQPSK 和 QAM16/32/64/256 等调制格式的星座图和符号表。测量包括：误差矢量幅度 (EVM)、信噪比 (SNR)、调制误差比 (MER)、调制质量指标、线性补偿（例如载波偏移、I/Q 偏移、幅度下降（线性幅度校正）、同步模式触发和眼图。
对于许多现实世界的信号（从复杂的调制通信信号到干扰事件，再到脉冲战术信号），信号能量可能是零星的、非重复的，甚至是随机的。使用传统的频谱分析，几乎不可能在分析窗口中捕获这些信号并对其进行触发。现代通信调制方案通过跳频、扩频、脉冲和认知无线电低截获概率技术等技术进一步增加了挑战。
实时频谱分析(RTSA) 是一种数字信号处理方法，利用重叠 FFT 和高速内存，即使在极其密集的环境中也能实现 100% 的拦截概率 (POI)。实时带宽是提供无间隙重叠 FFT 处理的最大频率跨度，是 RTSA 的一个重要参数，可以实现更详细的频谱分析。
实时分析中的持久性和瀑布图显示 2.4 GHz ISM 频段的占用情况。屏幕上显示蓝牙耳机和手机正在搜索无线网络的传输情况。
对于基于 PC 的频谱分析而言，实时不再意味着昂贵。例如，Signal Hound 提供高达 160 MHz 的 RTSA 功能，100% 的概率可在 12 微秒内拦截信号。但是，在许多情况下，您甚至不需要 160 MHz 的分析带宽。例如，假设您正在测试具有 25 kHz 最大带宽信号的设备，例如钥匙扣。您可能只需要按下按键并确保中心频率、带宽和调制正确。
比较基于 PC 的 Signal Hound 与传统频谱分析仪的实时分析能力。单击可放大图像。
复杂信号分析功能包括相邻信道功率比 (ACPR) 或相邻信道泄漏比 (ACLR)、占用带宽 (OBW) 和信道功率测量。例如，BB60C 等设备提供的 27 MHz 瞬时带宽可以实时测量带宽极宽的信号（瞬时或连续）。对于需要更多瞬时带宽的应用，SM200B 可提供 160 MHz 的带宽。
另一个考虑因素是硬件系统的分离。传统上，测试仪器使用内置 PC，采用特殊的内部控制器板的形式，其产量比商用 PC 低得多，并且通常由第三方制造。这些内部控制器落后其商用同类产品两到五代并不罕见，因为它们是嵌入式的。这必然意味着，当频谱分析仪进入市场时，内部控制器已经过时了。
此外，这些内置控制器通常仅在更换仪器时更新 - 这意味着在仪器的生命周期结束时，用户将面对比当前 PC 慢几代的处理器。使用当前一代 PC 的能力将使测试设备的整体性能更接近当前标准。
现在将传统内部控制器的成本考虑在内，并将其标价为供应商成本的至少四倍，以得出客户的成本。基于 USB 的测试仪器通过使用外部 PC 作为测量控制器来消除此问题。当然，使用外部 PC 来控制测量可使所有收集的数据驻留在 PC 上。
更多频谱分析仪内容请看北京迪阳世纪官网：www.pc17.com.cn
由Signal Hound提供
随着无线技术渗透到我们的生活，越来越多的工程师发现他们必须进行 RF 测量。过去，RF 测试需要使用昂贵的设备，只有具备深厚 RF 知识的工程师才能操作。然而，如今，具有广泛背景的工程师和技术人员必须测量 RF。
频谱分析仪是用于测量射频信号的最常见实验室仪器。从历史上看，这些仪器价格昂贵，由常驻射频专家保护。但射频集成电路的进步使得突破频谱分析仪架构成为可能。许多公司惊讶地发现，现代射频仪器并不一定昂贵。如今，通常的做法是购买一台体积大且价格昂贵的频谱分析仪，以满足一些具有挑战性的要求，然后在每个工作台上配备价格较便宜的基于 PC 的分析仪，这些分析仪可以处理 95% 的工作量。
两种不同的基于 PC 的频谱分析仪 Signal Hound SM200B 和 BB60C 的本底噪声。
动态范围是任何频谱分析仪的重要规格。当寻找低电平信号时，它决定了您区分信号和本底噪声的能力。一个重要的考虑因素是确定测试情况所需的最低电平。对于许多测量，主要目标可能是准确表征主信号。在这些情况下，60 dB 的本底信噪比可能绰绰有余。在一些实验室中，一些测试站可能需要更昂贵的频谱分析仪，提供 85 dB 或更高的本底信噪比。
顶部，Signal Hound 和 Keysight MXA 的 PC 频谱分析仪主要规格比较。需要注意的一点是：可以以大约 1,000 美元的价格购买能够直接查看 WiFi 和其他 ISM 频段发射的频谱分析仪。下面，比较了 PC 频谱分析仪和 SSB 相位噪声专用版本。Signal Hound SM200B 使用低中频架构设计，可实现出色的相位噪声性能。Signal Hound SA44 和 BB60 使用更传统的超外差架构，实现了更适中的相位噪声，但价格适中。请注意，对于 SA44，列出的结果是典型的，因为它没有相位噪声的硬性规格。单击图像放大。
频谱分析仪的动态范围规格可能令人困惑。仪器通常会显示较低的 DANL（显示平均噪声水平）数字（例如，小于 -150 dBm/Hz）。DANL 数字有时会被误解，因为它们取决于许多因素，例如频率、衰减、检测器、前置放大器等。
为了对频谱分析仪进行简单的比较，可以看看最大动态范围，它规定为 1 GHz 时三阶截取点和 DANL 之间差值的三分之二。
在许多应用中，扫描速度至关重要。例如，频谱监测情况
在 BB60C 和 SM200B PC 频谱分析仪上进行相邻信道功率比 (ACPR) 测量。请注意，SM200B 的本底噪声低 22 dB。单击图像可放大。
通常需要进行广泛的频率扫描以搜索各种信号情况。例如，Signal Hound 的 SM200B 在其任何分辨率带宽设置≥30 kHz 下提供 1 THz/秒的扫描速度。在短短 19 毫秒内覆盖 1 GHz 至 20 GHz 的频率范围，可以对无线电波进行持续扫描。最重要的是，这可以在很长一段时间内自动进行，无需操作员在场。只需定义一个基线，任何违反该基线的信号都会实时记录到 CSV 文件中。这最大限度地提高了效率和安全性，因为即使计算机关闭，数据也会得到保留。
Signal Hound 频谱分析仪架构还允许使用额外的技术来进一步提高速度。在许多情况下，仪器软件会消耗计算机处理器开销。像 Signal Hound 的 Spike 频谱分析仪软件这样的应用程序可能会对整体测试时间产生轻微影响。在几分之一秒至关重要的情况下，Signal Hound 允许其用户绕过 Spike，以便直接进行设备 API 编程和更快的测量。Signal Hound 频谱分析仪可以用 C++、LabView、Matlab、Python、C# 或任何具有 C 绑定的语言进行编程。
相位噪声测量
许多设备和系统都需要精确的相位噪声测量。频谱分析仪通常用于这种测量。但是，频谱分析仪本身的相位噪声必须足够低，以免影响设备测量。
例如，Signal Hound SM200B 采用低中频架构设计，可实现出色的相位噪声性能，可与更昂贵的频谱分析仪的性能相媲美。Signal Hound SA44 和 BB60 采用更传统的超外差架构，可实现更适中的相位噪声性能，但成本更低。
Signal Hound Spike 频谱分析软件上的相位噪声测量功能。
SM200B 的低中频架构确实伴随着更高的镜像响应杂散。虽然残余响应杂散与 MXA 相当，但镜像响应杂散不如 MXA 的低 (<-74 dBc)。SM200B Spike 软件提供了可激活和停用的信号 ID 功能，允许区分低电平混频器杂散和 RF 输入信号。在许多情况下，杂散可以被识别为来自频谱分析仪而不是被测设备 (DUT)，从而允许在实际测量期间忽略它们。BB60C 更传统的超外差架构通常具有 -70 dBc 镜像抑制。BB60C 杂散通常不是来自镜像响应。
基于 PC 的 Signal Hound 频谱分析仪上的数字调制分析包括 QPSK、BPSK、8PSK、π/4DQPSK、DQPSK 和 QAM16/32/64/256 等调制格式的星座图和符号表。测量包括：误差矢量幅度 (EVM)、信噪比 (SNR)、调制误差比 (MER)、调制质量指标、线性补偿（例如载波偏移、I/Q 偏移、幅度下降（线性幅度校正）、同步模式触发和眼图。
对于许多现实世界的信号（从复杂的调制通信信号到干扰事件，再到脉冲战术信号），信号能量可能是零星的、非重复的，甚至是随机的。使用传统的频谱分析，几乎不可能在分析窗口中捕获这些信号并对其进行触发。现代通信调制方案通过跳频、扩频、脉冲和认知无线电低截获概率技术等技术进一步增加了挑战。
实时频谱分析(RTSA) 是一种数字信号处理方法，利用重叠 FFT 和高速内存，即使在极其密集的环境中也能实现 100% 的拦截概率 (POI)。实时带宽是提供无间隙重叠 FFT 处理的最大频率跨度，是 RTSA 的一个重要参数，可以实现更详细的频谱分析。
实时分析中的持久性和瀑布图显示 2.4 GHz ISM 频段的占用情况。屏幕上显示蓝牙耳机和手机正在搜索无线网络的传输情况。
对于基于 PC 的频谱分析而言，实时不再意味着昂贵。例如，Signal Hound 提供高达 160 MHz 的 RTSA 功能，100% 的概率可在 12 微秒内拦截信号。但是，在许多情况下，您甚至不需要 160 MHz 的分析带宽。例如，假设您正在测试具有 25 kHz 最大带宽信号的设备，例如钥匙扣。您可能只需要按下按键并确保中心频率、带宽和调制正确。
比较基于 PC 的 Signal Hound 与传统频谱分析仪的实时分析能力。单击可放大图像。
复杂信号分析功能包括相邻信道功率比 (ACPR) 或相邻信道泄漏比 (ACLR)、占用带宽 (OBW) 和信道功率测量。例如，BB60C 等设备提供的 27 MHz 瞬时带宽可以实时测量带宽极宽的信号（瞬时或连续）。对于需要更多瞬时带宽的应用，SM200B 可提供 160 MHz 的带宽。
另一个考虑因素是硬件系统的分离。传统上，测试仪器使用内置 PC，采用特殊的内部控制器板的形式，其产量比商用 PC 低得多，并且通常由第三方制造。这些内部控制器落后其商用同类产品两到五代并不罕见，因为它们是嵌入式的。这必然意味着，当频谱分析仪进入市场时，内部控制器已经过时了。
此外，这些内置控制器通常仅在更换仪器时更新 - 这意味着在仪器的生命周期结束时，用户将面对比当前 PC 慢几代的处理器。使用当前一代 PC 的能力将使测试设备的整体性能更接近当前标准。
现在将传统内部控制器的成本考虑在内，并将其标价为供应商成本的至少四倍，以得出客户的成本。基于 USB 的测试仪器通过使用外部 PC 作为测量控制器来消除此问题。当然，使用外部 PC 来控制测量可使所有收集的数据驻留在 PC 上。
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