频谱仪的一般常识介绍如下:
1)输入频率范围
指频谱仪能够正常工作的最大频率区间,以HZ表示该范围的上限和下限,由扫描本振的频率范围决定。
现代频谱仪的频率范围通常可从低频段至射频段,甚至微波段,如1KHz~4GHz。这里的频率是指中心频率,即位于显示频谱宽度中心的频率。
(2)分辨力带宽
指分辨频谱中两个相邻分量之间的最小谱线间隔,单位是HZ。它表示频谱仪能够把两个彼此靠得很近的等幅信号在规定低点处分辨开来的能力。
在频谱仪屏幕上看到的被测信号的谱线实际是一个窄带滤波器的动态幅频特性图形(类似钟形曲线),因此,分辨力取决于这个幅频生的带宽。定义这个窄带滤波器幅频特性的 3dB带宽为频谱仪的分辨力带宽。
(3)灵敏度
指在给定分辨力带宽、显示方式和其他影响因素下,频谱仪显示最小信号电平的能力,以dBm、dBu、dBv、V等单位表示。超外差频谱仪的灵敏度取决于仪器的内噪声。
当测量小信号时,信号谱线是显示在噪声频谱之上的。为了易于从噪声频谱中看清楚信号谱线,一般信号电平应比内部噪声电平高10dB。
另处,灵敏度还与扫频速度有关,扫频速度赶快,动态幅频特性峰值越低,导致灵敏度越低,并产生幅值差。
(4)动态范围
指能以规定的准确度测量同时出现在输入端的两个信号之间的最大差值。动态范围的上限爱到非线性失真的制约。频谱仪的幅值显示方式有两种:线性的对数。
对数显示的优点是在有限的屏幕有效的高度范围内,可获得较大的动态范围。频谱仪的动态范围一般在60dB以上,有时甚至达到100dB以上。
(5)频率扫描宽度(Span)
另有分析谱宽、扫宽、频率量程、频谱跨度等不同叫法。通常指频谱仪显示屏幕最左和最右垂直刻度线内所能显示的响应信号的频率范围(频谱宽度)。
根据测试需要自动调节,或人为设置。扫描宽度表示频谱仪在一次测量(也即一次频率扫描)过程中所显示的频率范围,可以小于或等于输入频率范围。频谱宽度通常又分为三种模式。
①全扫频 频谱仪一次扫描它的有效频率范围。
②每格扫频 频谱仪一次只扫描一个规定的频率范围。用每格表示的频谱宽度可以改变。
③零扫频 频率宽度为零,频谱仪不扫频,变成调谐接收机。
(6)扫描时间(Sweep Time,简作ST)
即进行一次全频率范围的扫描、并完成测量所需的时间,也叫分析时间。通常扫描时间越短越好,但为保证测量精度,扫描时间必须适当。
与扫描时间相关的因素主要有频率扫描范围、分辨率带宽、视频滤波。现代频谱仪通常有多档扫描时间可选择,最小扫描时间由测量通道的电路响应时间决定。
(7)幅度测量精度
有绝对幅度精度和相对幅度精度之分,均由多方面因素决定。绝对幅度精度是针对满刻度信号的指标,受输入衰减、中频增益、分辨率带宽、刻度逼真度、频响及校准信号本身的精度等的综合影响;
相对幅度精度与测量方式有关,在理想情况下仅有频响和校准信号精度两项误差来源,测量精度可以达到非常高。
仪器在出厂前要经过校准,各种误差已被分别记录下来并用于对实测数据进行修正,显示出来的幅度精度已有所提高。
从实时带宽、动态范围、灵敏度和功率测量准确度四个方面比较了示波器和频谱仪的分析性能指标的区别。
1、实时带宽
对于示波器来说,带宽通常是其测量频率范围。而频谱仪则有中频带宽、分辨带宽等带宽定义。这里,我们以能对信号进行实时分析的实时带宽作为讨论对象。
对于频谱仪来说,末级模拟中频的带宽通常可以作为其信号分析的实时带宽,大多数的频谱分析的实时带宽只有几兆赫兹,通常较宽的实时带宽通常为几十兆赫兹,当然目前带宽最宽的FSW频谱仪可以达到500兆赫兹。而示波器的实时带宽为其实时取样的有效模拟带宽,一般为数百兆赫兹,高的可达数千兆赫兹。
这里需要指出的是,大多数的示波器在垂直刻度设置不同时,其实时带宽可能并不一致,在垂直刻度设置到较为灵敏时,其实时带宽通常会下降。
从实时带宽来说,示波器普遍优于频谱仪,这对于某些超宽带信号分析尤其有好处,特别是在调制分析上有着无可比拟的优势。
2、动态范围
动态范围指标因其定义不同而有所不同,很多情况下,动态范围被描述为仪器测量最大信号和最小信号的电平差值。当改变测量设置时,仪器测量大信号和小信号的能力是不一样的,例如频谱分析仪在衰减设置不一样的情况下,其测量大信号所带来的失真是不一样的。在这里,我们讨论仪器能够同时测量大小信号的能力,即在不改变任何测量设置的情况下,示波器和频谱仪在合适设置情况下的较佳动态范围。
对于频谱仪来说,在不考虑相位噪声等近端噪声和杂散情况下,平均噪声电平、二阶失真、三阶失真是制约动态范围的主要因素,以主流频谱仪的技术指标计算,其理想动态范围约为90dB(受二阶失真限制)。
大多数的示波器由于受其AD有效取样位数和噪声底的限制,传统示波器的理想动态范围通常不超过50dB。(对于R&SRTO示波器,在100KHzRBW时,其动态范围可高达86dB)
从动态范围来看,频谱仪要优于示波器。但这里要指出的是,这对于常在信号的频谱分析来说确实如此,然而示波器的频谱是同一帧数据,频谱仪的频谱大多数情况下都不是同一帧数据,因而对于瞬变信号来说,频谱仪可能无法测量到。而示波器发现瞬变信号(信号满足动态范围的情况下)的概率要大得多。
3、灵敏度
这里讨论的灵敏度,是指示波器和频谱仪所能测试到最小信号的水平。这个指标与仪器设置紧密相关。
对于示波器而言,示波器在Y轴设置至较为灵敏档时,通常为1mV/div时示波器所能测试到最小信号,抛开端口不匹配等因素来看,示波器的信号通道产生的噪声以及轨迹不稳定带来的噪声是制约示波器灵敏度的重要因素。
从图一中我们可以看出,因为采样点数的增加,频谱噪声底可以下降到比较理想的程度。然而,当在时域已经无法清晰准确的再现信号时,在频域就产生了非常多的杂波,这就限制了我们观测小信号的能力。
大多数示波器能够稳定测量0.2mV的信号,对应到频域,这相当于-60dBm的水平。事实上,示波器能否准确的测量小信号,不仅与垂直系统的灵敏度有关,还与X轴的抖动、触发灵敏度等性能有关。
笔者为了对比文中所分析的技术指标,特地到R&S公司成都的开放实验室(感谢成都分部提供的帮助)进行了指标对比,让人惊讶的是,RTO示波器在灵敏度指标上非常优秀。
从看出,RTO能够准确测量-60dBm的信号,其噪声底在-80dBm左右。而最让人感到高兴的是,在整个频段(DC-4GHz),没有发现能够影响灵敏度的大的杂波,从而大幅提高了测量灵敏度。
在没有杂波的情况下,通过增加取样点数可以得到更低的噪声。例如图3所示,将Span和RBW设置得更小的情况下,RTO示波器的底噪声可以降低至-100dBm以下。
从这点来说,RTO绝对能够让测量人员改变“示波器是频域分析鸡肋”的感受。
对于频谱仪来说,同样抛开端口不匹配等因素来讨论,频谱仪的在增益最大、衰减器设置最小情况下,平均噪声电平可以看作频谱仪测量小信号的极限。在不涉及前置放大器的情况下,大多数性能良好的频谱仪可以达到-150dBm。
4、功率测量准确度
对于频域分析来说,功率测量准确度是非常重要的技术指标。无论是示波器还是频谱仪,对功率测量准确度的影响量都是非常多的,下面分别列出其主要的影响量:
对于示波器来说,功率测量准确度的影响量有:端口不匹配引起的反射、垂直系统误差、频率响应、AD量化误差、校准信号误差等。
对于频谱仪来说,功率测量准确度的影响量有:端口不匹配引起的反射、参考电平误差、衰减器误差、带宽转换误差、频率响应、校准信号误差等。
此处我们不对影响量进行逐一分析比较,我们通过对1GHz频率信号的进行功率测量来对比,通过RTO示波器和FSW频谱仪的测量对比可以看出,在1GHz处,示波器与频谱仪的功率测量值仅相差0.2dB左右,这是非常好的测量准确度指标。因为频谱仪在1GHz处的测量准确度是非常好的。
另外,在频率范围内,示波器的频率响应指标也是很好的,4GHz范围内不超过0.5dB,从这点来说,示波器甚至优于频谱仪的性能。
总的来说,示波器与频谱仪在频域分析性能上各有所长,频谱仪在灵敏度等技术指标上更胜一筹,示波器在实时带宽上较频谱仪更为出色。在测量不同类型的信号时,可根据测试需求和仪器的不同技术特点进行选择。
频谱仪是一种常用的分析仪器,主要针对于射频和微波信号进行检测,在多个领域中都有一定的应用。
频谱仪选型指南:
1、频率范围
频谱工作时所能分析的信号频率范围。为频谱的指标,必须保证测试信号在频谱的工作频率范围以内。
2、输入功率
频谱的输入功率分为平均连续、脉冲输入功率。平均连续功率是指仪器能连续输入信号的最大功率值。脉冲输入功率是指频谱能测量的脉冲输入功率的值(严格遵守厂家要求的脉冲宽度,占空比参数)。输入功率一般单位用dBm表示,dBm是一个考征功率绝对值的值,计算公式为:10lg(功率值/1mw)。例如:0dBm=1mW,20dBm=100mW,30dBm=1000mW=1W。
3、输入阻抗
分析仪对信号源呈现的终端阻抗。射频和微波分析仪的额定阻抗通常是50Ω。对于某些系统(如有线电视),标准阻抗是75Ω。阻抗不匹配将造成很大的测量误差,甚至干扰电路运行。
4、平均噪声电平(DANL)
平均噪声电平相当于频谱自身噪声的大小,选择与工程师所测量的最小信号幅度有关。理想状态DANL越小越好,但是随着DANL越小需要的技术复杂程度越高价格就越为昂贵。测量如同在航行时只有海水低于礁石的时候我们才能看见礁石。
5、前置放大器
在频谱内增加一个微小信号放大模块,可以改善系统(前置放大器和频谱分析仪)灵敏度。主要用于测量微小信号。
6、跟踪源
在频谱内增加一个与频谱同步的扫频信号源。添加跟踪源后可进行标量网络参数测量、例如:可以测试被测单元(如放大电路,滤波电路)的频率特性曲线,配合驻波比测试套件也可以实现反射系数、回波损耗、驻波的测量。
选型小提示:
在测量信号频谱时若信号为偶发跳变信号,则普通扫频式频谱因扫描速度较慢将很难测量到信号,需要使用较新的实时类频谱。