老工程師總結(jié)：頻譜儀使用實(shí)踐

本人從事射頻系統(tǒng)測(cè)試有一段時(shí)間了，經(jīng)過(guò)工程測(cè)試實(shí)踐，總結(jié)了一下頻譜儀的使用。頻譜儀可以用來(lái)測(cè)量和顯示被測(cè)信號(hào)得頻率和幅值，可以將復(fù)雜信號(hào)分離或解調(diào)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(guó)電子科技集團(tuán)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(fù)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(duì)量，例如：

dB=20log(V1/V2)，dB=10log(P1/P2)

dBm是一個(gè)功率值取log，是絕對(duì)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(cè)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(nèi)部原理圖

1、輸入衰減器

信號(hào)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(hào)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(bǔ)償前面的衰減值，保證信號(hào)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(biāo)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(hào)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(shè)置的RBW，是可調(diào)的，調(diào)節(jié)RBW會(huì)影響頻率選擇性，信噪比和測(cè)試速度。

圖8、不同RBW的信號(hào)頻譜圖

5、包絡(luò)檢波器

將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)或者視頻信號(hào)。有正向檢波(顯示最大值)，負(fù)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(cè)試小信號(hào)時(shí)會(huì)用到。

三、頻譜儀測(cè)試

都知道頻譜儀可以觀(guān)測(cè)信號(hào)的頻譜，信號(hào)的功率，測(cè)試系統(tǒng)的雜散，諧波，交調(diào)失真功能。

1、測(cè)量信號(hào)的頻率與功率

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

圖9、信號(hào)的頻譜

2、交調(diào)失真測(cè)試

下圖10為信號(hào)交調(diào)失真測(cè)試圖，通過(guò)mark-DELT標(biāo)注功能可以測(cè)試信號(hào)與交調(diào)信號(hào)功率差(dB)

圖10、交調(diào)測(cè)試圖

3、諧波測(cè)試

頻譜儀可以測(cè)試被測(cè)信號(hào)的各次諧波，可以用頻譜儀自帶的頻譜測(cè)試功能，MEASURE-harmonic測(cè)試，也可以通過(guò)測(cè)試信號(hào)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(cè)試各次諧波的功率。

圖11、諧波測(cè)試圖

4、測(cè)量調(diào)制信號(hào)的帶寬

頻譜儀可以測(cè)試信號(hào)的帶寬，可以測(cè)試3dB帶寬，也可以測(cè)試99%信號(hào)能量帶寬 。下圖12為99%信號(hào)能量帶寬。

圖12、信號(hào)帶寬測(cè)試

5、峰均比測(cè)試

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

圖13、峰均比測(cè)試圖

四、測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性判斷：

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

圖14、信號(hào)準(zhǔn)確性判斷圖

五、調(diào)制信號(hào)功率測(cè)試方法

上面介紹了頻譜儀的原理及基本使用與測(cè)試，下面介紹測(cè)試信號(hào)的功率(TDD系統(tǒng)的發(fā)射功率，或者突發(fā)信號(hào)的功率),TD系統(tǒng)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(jì)測(cè)試信號(hào)功率不準(zhǔn)確，需要知道收發(fā)比等指標(biāo)，但是一般的射頻工程師可能不會(huì)去了解時(shí)隙結(jié)構(gòu)等，測(cè)試不方便，用常規(guī)頻譜儀測(cè)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(cè)試方法(以R&S頻譜儀測(cè)試為例)。

1、信道功率法

圖15、R&S頻譜儀

此方法是根據(jù)信號(hào)ACPR的測(cè)試方法而來(lái)，LTE系統(tǒng)等都需要測(cè)試ACPR這個(gè)指標(biāo)，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(shù)：

1.鄰道個(gè)數(shù)(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(hào)帶寬，Channel Bandwith。

3.鄰道中心頻率距信號(hào)中心頻率的距離。Channel spacing。

對(duì)于測(cè)試信號(hào)功率來(lái)說(shuō)，只需要設(shè)置第二項(xiàng)信道帶寬即可，特別注意，要調(diào)RBW帶寬設(shè)置為合適值(一般設(shè)置為幾十KHz)，但是對(duì)于TDD系統(tǒng)如果只做這些設(shè)置，會(huì)發(fā)現(xiàn)頻譜儀的譜是一直在閃的，測(cè)試出的功率度數(shù)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(hào)譜會(huì)變得比較穩(wěn)定，測(cè)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(wěn)定。下圖16為一信號(hào)的測(cè)試結(jié)果。

圖16、發(fā)射功率測(cè)試圖

六、時(shí)域功率檢測(cè)法

頻譜儀都有一個(gè)時(shí)域測(cè)試方法，一般不常用，頻譜儀當(dāng)SPAN設(shè)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(shè)置方法為SPAN-ZERO SPAN。

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

圖17、功率時(shí)域法測(cè)試圖

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

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

綜上，在儀器不全，或者外出設(shè)備維修時(shí)，一個(gè)手持頻譜儀可以測(cè)試很多功能，很好的解決調(diào)試，測(cè)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(cè)試功能，與時(shí)分系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)功率測(cè)試方法。后面有時(shí)間，會(huì)繼續(xù)寫(xiě)用公式推導(dǎo)得出頻譜儀代替噪聲系數(shù)分析儀測(cè)試系統(tǒng)的噪聲系數(shù)的方法，頻譜儀代替示波器測(cè)試跳頻時(shí)間，LTE的收發(fā)切換時(shí)間等等。