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頻譜分析儀是研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測量儀器。本章詳細介紹了頻譜分析儀原理，無線頻譜分析儀選購，聲音頻譜分析儀，手機頻譜分析儀等內(nèi)容。
頻譜分析儀是研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測量儀器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等。現(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果，能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器，具有存儲和運算功能；配置標準接口，就容易構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。
頻譜分析儀是研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測量儀器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等。現(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果，能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器，具有存儲和運算功能；配置標準接口，就容易構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。
頻譜分析儀的工作原理
頻譜分析儀架構(gòu)猶如時域用途的示波器，面板上布建許多功能控制按鍵，作為系統(tǒng)功能之調(diào)整與控制，實時頻譜分析儀（Real-Time Spectrum Analyzer）與掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer）。實時頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應(yīng)的濾波器與檢知器（Detector），再經(jīng)由同步的多任務(wù)掃瞄器將信號傳送到CRT 屏幕上，其優(yōu)點是能顯示周期性雜散波（PeriodicRandom Waves）的瞬間反應(yīng)，其缺點是價昂且性能受限于頻寬范圍、濾波器的數(shù)目與最大的多任務(wù)交換時間（Switching Time）。
最常用的頻譜分析儀是掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT 同步的掃瞄產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時間作線性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號（IF）再放大、濾波與檢波傳送到CRT 的垂直方向板，因此在CRT 的縱軸顯示信號振幅與頻率的對應(yīng)關(guān)系，信號流程架構(gòu)如圖1.3 所示。
影響信號反應(yīng)的重要部份為濾波器頻寬，濾波器之特性為高斯濾波器（Gaussian-Shaped Filter），影響的功能就是量測時常見到的解析頻寬（RBW，Resolution Bandwidth）。RBW 代表兩個不同頻率的信號能夠被清楚的分辨出來的最低頻寬差異，兩個不同頻率的信號頻寬如低于頻譜分析儀的RBW，此時該兩信號將重疊，難以分辨，較低的RBW 固然有助于不同頻率信號的分辨與量測，低的RBW 將濾除較高頻率的信號成份，導致信號顯示時產(chǎn)生失真，失真值與設(shè)定的RBW 密切相關(guān)，較高的RBW 固然有助于寬帶帶信號的偵測，將增加噪聲底層值（Noise Floor），降低量測靈敏度，對于偵測低強度的信號易產(chǎn)生阻礙，因此適當?shù)腞BW 寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。
另外的視頻頻寬（VBW，Video Bandwidth）代表單一信號顯示在屏幕所需的最低頻寬。如前所說明，量測信號時，視頻頻寬過與不及均非適宜，都將造成量測的困擾，如何調(diào)整必須加以了解。通常RBW 的頻寬大于等于VBW，調(diào)整RBW 而信號振幅并無產(chǎn)生明顯的變化，此時之RBW 頻寬即可加以采用。量測RF 視頻載波時，信號經(jīng)設(shè)備內(nèi)部的混波器降頻后再加以放大、濾波（RBW 決定）及檢波顯示等流程，若掃描太快，RBW 濾波器將無法完全充電到信號的振幅峰值，因此必須維持足夠的掃描時間，而RBW 的寬度與掃描時間呈互動關(guān)系，RBW 較大，掃描時間也較快，反之亦然，RBW 適當寬度的選擇因而顯現(xiàn)其重要性。較寬的RBW 較能充分地反應(yīng)輸入信號的波形與振幅，但較低的RBW 將能區(qū)別不同頻率的信號。例如使用于6MHz 頻寬視訊頻道的量測，經(jīng)驗得知，RBW 為300kHz 與3MHz 時，載波振幅峰值并不產(chǎn)生顯著變化，量測6MHz的視頻信號通常選用300kHz 的RBW 以降低噪聲。天線信號量測時，頻譜分析儀的展頻（Span）使用100MHz，獲得較寬廣的信號頻譜需求，RBW使用3MHz。這些的量測參數(shù)并非一成不變，將會依現(xiàn)場狀況及過去量測的經(jīng)驗加以調(diào)整。
頻譜分析儀的選擇
無線設(shè)備在工作時可能會出現(xiàn)周期性地掛起，干擾其他消費電子產(chǎn)品的工作（例如電臺），或者無法完全發(fā)揮應(yīng)有的功能，這些問題都會使消費者對它的技術(shù)水平和相應(yīng)的產(chǎn)品供應(yīng)商喪失信心。為了避免這種糟糕的情況，選擇一種能夠滿足當今無線產(chǎn)品設(shè)計與調(diào)試需求的高性能頻譜分析儀是至關(guān)重要的，這種頻譜分析儀不僅要能夠檢驗產(chǎn)品的真實性能，也要能夠檢測高度集成的無線發(fā)射器的功能。
無線技術(shù)的挑戰(zhàn)
在過去幾年中，用戶所接觸的產(chǎn)品功能越來越強大，其目的在于在移動電話這種單一設(shè)備中集成多種方便實用的技術(shù)，從而增強用戶的多功能體驗。新的高速數(shù)據(jù)技術(shù)，例如HSDPA/HSUPA和A版本的1xEV-DO，能夠為用戶提供更強大的功能，例如廣播視頻和高速E-mail等。而且，諸如衛(wèi)星與地球視頻廣播、UWB和WLAN等技術(shù)也將集成到移動手持式設(shè)備之中。
這種多功能集成的趨勢為設(shè)計者提出了兩大嚴峻的挑戰(zhàn)：處理快速變化的帶寬分配需求，以及對高度集成的系統(tǒng)中發(fā)生的問題進行隔離。今天，大多數(shù)標準只需要在固定操作狀態(tài)下進行無線發(fā)射器測試。但是，從本質(zhì)上來看，高速數(shù)據(jù)服務(wù)的用戶模型（例如高速上網(wǎng)、收發(fā)E-mail和周期性的下載等）所需的帶寬是隨需求而實時變化的。
如果信號的峰值功耗與平均功耗的比值變化較大，這種瞬時的帶寬變化將會帶來更大的挑戰(zhàn)。當其他的無線技術(shù)引起瞬時的電池消耗，或者當帶外發(fā)送的信號干擾了靈敏接收機的工作時，就會出現(xiàn)上述的問題。
假設(shè)某個用戶希望通過移動電話通話，接通數(shù)據(jù)下載文件，利用UWB發(fā)送該文件到某個存儲設(shè)備，同時通過連續(xù)視頻服務(wù)觀看世界杯，那么設(shè)計者如何確保這些功能都能夠?qū)崿F(xiàn)？要想完整地測試多功能集成的設(shè)備，設(shè)計者必須超越技術(shù)標準的局限，針對設(shè)備的實際工作與性能要求進行測試。
設(shè)計者所面臨的另一個挑戰(zhàn)就是：隨著設(shè)備集成度的提高，檢測無線發(fā)射器的問題變得越來越困難。要想在頻域、時域和數(shù)字域中同時觀察某個信號路徑，可能需要多種測試儀器，因此要想把硬件和軟件的問題隔離開就變得越來越困難。在多種儀器之間以及在整個信號路徑上將信號事件之間的時間關(guān)系關(guān)聯(lián)起來，這種測試功能已經(jīng)成為調(diào)試現(xiàn)代無線設(shè)計所必不可少的一部分。
不論頻譜分析儀、示波器和邏輯分析儀的存儲容量有多少，它們存儲事件的能力都是有限的。因此當我們需要在多個儀器之間關(guān)聯(lián)某個信號事件的時候，必須在存儲器存滿之前，在該事件發(fā)生時實時地隔離出所關(guān)注的信號。否則，要想在多個域之間截取某個隨時間變化的問題幾乎是不可能的。
實現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵在于事件的觸發(fā)方式，以及以較低的延遲交叉觸發(fā)其他儀器的能力。
傳統(tǒng)工具的局限
對偽事件進行觸發(fā)、跨測試環(huán)境捕捉事件數(shù)據(jù)、分析與時間相關(guān)的數(shù)據(jù)，這些功能都是查找先進無線設(shè)備問題根本來源的必要需求。隨著過去幾年的發(fā)展，頻譜分析儀已經(jīng)成為分析射頻傳輸特性的主要工具，選擇合適的工具能夠加快無線設(shè)計者的開發(fā)速度，提高開發(fā)能力。
基站多載波放大器和其他一些高性能無線發(fā)射器能夠利用掃頻式調(diào)諧頻譜分析儀的功能，對高動態(tài)范圍內(nèi)（high-dynamic-range）的信號進行測量。最近，人們推出了矢量信號分析儀，從而使用戶能夠針對調(diào)制信號分析發(fā)射器的性能特征。在某些情況下，這兩類分析儀可以結(jié)合起來使用，用戶利用一套儀器不但可以觀察到高動態(tài)范圍的信號（頻譜分析），還可以觀察到信號的調(diào)制狀態(tài)（矢量分析）。但不幸的是，用戶無法同時觀察到這兩種信號。
早期設(shè)計的測試工具中采用的多載波放大器（MCPA）效率較低，無法傳輸1xEV-DO和HSDPA這樣的突發(fā)載波信號。這類老式的MCPA正在被采用最新線性化技術(shù)（例如數(shù)字預(yù)矯正）的新型MCPA器件所取代。由于采用了先進的DSP以及較高數(shù)據(jù)速率的D/A轉(zhuǎn)換器，數(shù)字預(yù)矯正線性化技術(shù)能夠大大提高功放的效率，降低實現(xiàn)所需的成本。
掃頻式頻譜分析儀或矢量信號分析儀能夠根據(jù)技術(shù)標準驗證MCPA的頻譜和調(diào)制性能，但是它們無法超越技術(shù)標準的限制，解釋實際條件下的器件特性?，F(xiàn)代無線器件的實際操作要求高速數(shù)據(jù)通道要具有針對預(yù)期的用戶使用模式的特性。
掃頻式調(diào)諧頻譜分析儀和矢量信號分析儀的架構(gòu)都限制了它們檢測瞬態(tài)事件的能力。捕捉頻譜事件的概率取決于掃描的速度、量化范圍以及對蹤跡信息（trace information）的后續(xù)處理。掃頻調(diào)諧式分析儀沒有矢量存儲器，通常只記錄最小、最大和平均功耗。盡管矢量信號分析儀具有矢量蹤跡存儲器（vector trace memory），但是它后期捕捉信號處理的速度較慢，無法完成連續(xù)的信號分析任務(wù)。
因此，兩種工具捕捉短暫瞬態(tài)事件的概率都遠遠小于10%。即使它們能夠捕捉這種事件，信息處理帶來的延遲也無法在真實的事件發(fā)生時有效觸發(fā)發(fā)射器鏈路上的其他儀器。
實時頻譜分析儀的新特性
顯然，為了應(yīng)對實際操作條件下的挑戰(zhàn)，分析儀必須能夠?qū)︻l域事件進行觸發(fā)，并交叉觸發(fā)多個儀器。無線通信信號的突發(fā)特性，以及在無線設(shè)備中集成復(fù)雜的線性化技術(shù)都可能引起頻譜紊亂，因此對這種事件的觸發(fā)功能是極其重要的。
圖1 實時頻譜分析儀能夠快速檢測頻譜紊亂（例如圖中右邊）
其中左邊相信的頻譜由于受基帶瞬態(tài)事件的影響而增大了幾個dB
實時頻譜分析儀的架構(gòu)決定了它們具有執(zhí)行實時FFT分析所需的計算速度，能夠利用計算結(jié)果在頻譜事件發(fā)生時進行觸發(fā)，并以很高的置信度將它們捕捉到存儲器中。在實時處理以及捕捉信號之前，實時頻譜分析儀能夠?qū)r域采樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域上，從而在捕捉到存儲器中或者觸發(fā)某個外部事件之前，對信號頻譜進行預(yù)先分析。因此，實時頻譜分析儀能夠預(yù)先查看信號，并可以設(shè)置為只對所關(guān)心的頻譜事件進行觸發(fā)。
基于DSP的設(shè)備在現(xiàn)代無線設(shè)備的信號控制和頻譜整形中扮演著極為重要的角色，這類設(shè)備的測試需求給人們提出了巨大的測試挑戰(zhàn)，因為它們將原來由硬件實現(xiàn)的功能（很容易利用儀器來表征）轉(zhuǎn)換為軟件來實現(xiàn)。當不與時鐘采樣同步的增益變換、信號濾波和校正因數(shù)被放大時，它們本身就表現(xiàn)為頻譜紊亂（spectrum violations）（如圖1所示）。這類事件可能會引起頻譜發(fā)射的失效，或者接收器的干擾。
進一步來看，頻率屏蔽觸發(fā)器（FMT）使得實時頻譜分析儀能夠檢測并觸發(fā)頻譜中比最大信號電平小100萬倍的信號。由于具有在12μs以內(nèi)執(zhí)行1024點FFT所需的計算速度，實時頻譜分析儀能夠以100%的概率完成事件捕捉，這是其他分析儀所望塵莫及的。
當出現(xiàn)紊亂時，F(xiàn)MT不僅能夠觸發(fā)內(nèi)部存儲器捕捉事件進行分析，而且能夠同時發(fā)出一次事件觸發(fā)給示波器，進而觸發(fā)邏輯分析儀。然后，示波器和邏輯分析儀可以顯示出待測設(shè)備的時域和邏輯信號的同步和時間關(guān)系。這樣，我們就捕捉了完整的事件，并能夠在實時頻譜分析儀（頻域）、示波器（時域）和邏輯分析儀（數(shù)字域）中進行各個域之間的交叉分析。這樣，不論是硬件問題還是軟件問題，測試人員都可以找出問題的根本來源，不必再胡亂猜測了。
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