本人从事射频系统测试有一段时间了,经过工程测试实践,总结了一下频谱仪的使用。频谱仪可以用来测量和显示被测信号得频率和幅值,可以将复杂信号分离或解调为频率和幅值不同的正弦波。下图为常见的频谱仪分析仪。
图1 Agilent频谱仪
图2 R&S频谱仪
图3 中国电子科技集团公司第四十一研究所的频谱仪
图4 手持频谱仪
一、介绍频谱仪前,先介绍几个概念:
1 频谱
频谱是频率谱密度的简称,是频率的分布曲线。复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡,这些谐振荡的幅值按频率排列的图形叫做频谱。
图5 频谱图
2 dBm,dB
dB是一个比值取log是一个相对量,例如:dB=20log(V1/V2),dB=10log(P1/P2)dBm是一个功率值取log,是绝对值,例如:dBm=10log(P1)dBm与dB的关系:dB=dBm-dBm。
二、频谱仪的分类。
一般分为FFT(快速傅里叶变化)和扫频式频谱仪。其中FFT式频谱仪适合窄分析带宽,快速测量场合,扫频式频谱仪适合宽频带分析场合。常用的为扫频式频谱仪,下面主要介绍扫频式频谱仪的原理图,下图6位扫频式频谱仪的原理图。
图6 频谱仪内部原理图
1.输入衰减器信号进入频谱仪后,先经过一个输入衰减器,作用为防止大信号进入混频器,造成混频器过载,增益压缩,畸变。衰减器雨后面的中频放大器是互动的,中频放大器补偿前面的衰减值,保证信号大小不变。
2.低通滤波器低通滤波器决定了频谱仪的分析能力,频谱仪上标注的频率范围就是由此滤波器决定。
3.混频器混频器,通过本振(LO)将输入信号下变频到中频。
图7 混频器原理
4.中频滤波器中频滤波器即频谱仪面板上设置的RBW,是可调的,调节RBW会影响频率选择性,信噪比和测试速度。
file:///http://image100.360doc.com/downloadimg/2016/10/0308/81433801_8图8 不同RBW的信号频谱图
5.包络检波器将中频信号转换为基带信号或者视频信号。有正向检波(显示最大值),负向检波(显示最小值),采样检波(显示中值)。6.视频滤波器一般为一低通滤波器,此滤波器主要是为了减少噪声的峰峰值变化,测试小信号时会用到。
三、频谱仪测试
都知道频谱仪可以观测信号的频谱,信号的功率,测试系统的杂散,谐波,交调失真功能。
1.测量信号的频率与功率
下图9为信号源发出一单载波信号后,频谱仪的显示,通过MARK——PEAK,操作可以看到信号频率为50.005MHz,功率为-20.17dBm。
图9 信号的频谱
2.交调失真测试
下图10为信号交调失真测试图,通过mark-DELT标注功能可以测试信号与交调信号功率差(dB)
file:///http://image100.360doc.com/downloadimg/2016/10/0308/81433801_10图10 交调测试图
3.谐波测试
频谱仪可以测试被测信号的各次谐波,可以用频谱仪自带的频谱测试功能,MEASURE-harmonic测试,也可以通过测试信号的频率f,然后改变频谱仪的中心频率到2f,3f….然后PEAK一下,测试各次谐波的功率。
图11 谐波测试图
4.测量调制信号的带宽
频谱仪可以测试信号的带宽,可以测试3dB带宽,也可以测试99%信号能量带宽 。下图12为99%信号能量带宽。
图12 信号带宽测试
5.峰均比测试
频谱仪测试中,还有一个功能为峰均比测试(CCDF),某一调制信号的峰均比测试如下图13。
图13 峰均比测试图
四、测试结果的准确性判断:
测试一个信号的功率值是否准确时,可以改变衰减器衰减值,看信号功率是否发生变化来判断。
file:///http://image100.360doc.com/downloadimg/2016/10/0308/81433801_14图14 信号准确性判断图
五、调制信号功率测试方法
上面介绍了频谱仪的原理及基本使用与测试,下面介绍测试信号的功率(TDD系统的发射功率,或者突发信号的功率),TD系统是有时隙的,收发交替,所以直接用一般的平均式功率计测试信号功率不准确,需要知道收发比等指标,但是一般的射频工程师可能不会去了解时隙结构等,测试不方便,用常规频谱仪测试功率很好的解决这一问题。下面介绍两种个人觉得比较合适的测试方法(以R&S频谱仪测试为例)。
1.信道功率法
file:///http://image100.360doc.com/downloadimg/2016/10/0308/81433801_15图15 R&S频谱仪
此方法是根据信号ACPR的测试方法而来,LTE系统等都需要测试ACPR这个指标,以R&S的频谱仪为例,操作方法:MEAS——chanPWR ACP——CP/ACP Config
需要配置的参数:
1.邻道个数(第一邻道,第二邻道,第三邻道),NO.of ADJ channel。
2.信道以及邻道的信号带宽, Channel Bandwith。
3.邻道中心频率距信号中心频率的距离。Channel spacing。
对于测试信号功率来说,只需要设置第二项信道带宽即可,特别注意,要调RBW带宽设置为合适值(一般设置为几十KHz),但是对于TDD系统如果只做这些设置,会发现频谱仪的谱是一直在闪的,测试出的功率度数一直在变,此时需要将SWEEP TIME改变一下,将扫描时间加大,信号谱会变得比较稳定,测试过程中还可以将检波模式改为RMS,操作步骤TRACE-DETECTOR—RMS,频谱会更加稳定。下图16为一信号的测试结果。
file:///http://image100.360doc.com/downloadimg/2016/10/0308/81433801_16
图16 发射功率测试图
六、时域功率检测法
频谱仪都有一个时域测试方法,一般不常用,频谱仪当SPAN设置为0时,频谱仪就会变为功率随时间的变化图,设置方法为SPAN-ZERO SPAN。
此方法测试时需要先知道信号带宽,因为时域显示的是一定带宽内信号的功率(带宽为RBW的带宽),频谱仪可以直接测试信号带宽(MEAS-channel bandwith-99% power bandwith),测试出信号带宽后,将RBW改为>=信号带宽值,将SWEEP TIME改一下,可以看到,信号功率随时间的变化曲线。有信号的时间的功率即为发射功率,无信号功率的时间段说明处于收状态或者未发信号。此方法测试时也可以将检波模式改为RMS同方法一中设置。
file:///http://image100.360doc.com/downloadimg/2016/10/0308/81433801_17图17 功率时域法测试图
上图17可以很轻松读出发时隙时信号的功率值,同时可以看出信号的收发切换状态。
此外还有一种简单测试方法,可以测试功率,就是将RBW设置为>=信号带宽,SPAN设置为几个GHz,然后用频谱仪的PEAK功能。此方法测试有误差,实验得知误差在2dB左右。
综上,在仪器不全,或者外出设备维修时,一个手持频谱仪可以测试很多功能,很好的解决调试,测试问题,给射频工程师带来很多便利。
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