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頻譜分析儀是研究電信號頻譜結構的儀器，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構的儀器，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?，F(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結果，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，就容易構成自動測試系統(tǒng)。
頻譜分析儀是研究電信號頻譜結構的儀器，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的濾波器與檢知器（Detector），再經(jīng)由同步的多任務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，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關系，信號流程架構如圖1.3 所示。
影響信號反應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，失真值與設定的RBW 密切相關，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)揮應有的功能，這些問題都會使消費者對它的技術水平和相應的產(chǎn)品供應商喪失信心。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)品設計與調(diào)試需求的高性能頻譜分析儀是至關重要的，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備中集成多種方便實用的技術，從而增強用戶的多功能體驗。新的高速數(shù)據(jù)技術，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等技術也將集成到移動手持式設備之中。
這種多功能集成的趨勢為設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，從本質上來看，高速數(shù)據(jù)服務的用戶模型（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備，同時通過連續(xù)視頻服務觀看世界杯，那么設計者如何確保這些功能都能夠實現(xiàn)？要想完整地測試多功能集成的設備，設計者必須超越技術標準的局限，針對設備的實際工作與性能要求進行測試。
設計者所面臨的另一個挑戰(zhàn)就是：隨著設備集成度的提高，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系關聯(lián)起來，這種測試功能已經(jīng)成為調(diào)試現(xiàn)代無線設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)、分析與時間相關的數(shù)據(jù)，這些功能都是查找先進無線設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（例如數(shù)字預矯正）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轉換器，數(shù)字預矯正線性化技術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)技術標準驗證MCPA的頻譜和調(diào)制性能，但是它們無法超越技術標準的限制，解釋實際條件下的器件特性。現(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。
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，為了應對實際操作條件下的挑戰(zhàn)，分析儀必須能夠對頻域事件進行觸發(fā)，并交叉觸發(fā)多個儀器。無線通信信號的突發(fā)特性，以及在無線設備中集成復雜的線性化技術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將時域采樣的數(shù)據(jù)轉換到頻域上，從而在捕捉到存儲器中或者觸發(fā)某個外部事件之前，對信號頻譜進行預先分析。因此，實時頻譜分析儀能夠預先查看信號，并可以設置為只對所關心的頻譜事件進行觸發(fā)。
基于DSP的設備在現(xiàn)代無線設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備的時域和邏輯信號的同步和時間關系。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。
當前頻譜分析儀面臨多重挑戰(zhàn)：現(xiàn)代射頻應用要求更高的數(shù)據(jù)速率、更寬的調(diào)制帶寬及更高階的調(diào)制方式。尖端元器件需要更優(yōu)的信噪比和接近物理極限的性能指標，但現(xiàn)有...
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