老工程师总结：频谱仪使用实践

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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。

▲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）

▲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。

▲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

▲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。


▲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。

▲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。

此文介绍了频谱仪的类型，原理，基本的测试功能，与时分系统的调制信号功率测试方法。后面有时间，会继续写用公式推导得出频谱仪代替噪声系数分析仪测试系统的噪声系数的方法，频谱仪代替示波器测试跳频时间，LTE的收发切换时间等等。