频谱分析仪使用经验杂谈
05-08
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。
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。
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。
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。
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
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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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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学习了。
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