频谱分析仪基础

yanjunchina

什么是频谱? 那么，在上述讨论中什么是频谱呢? 正确的回答是: 频谱是一组正弦波，经适当组合 后，形成被考察的时域信号。图 1-1 显示了一个复合信号的波形。假定我们希望看到的 是正弦波，但显然图示信号并不是纯粹的正弦形，而仅靠观察又很难确定其中的原因。 图 1-2 同时在时域和频域显示了这个复合信号。频域图形描绘了频谱中每个正弦波的幅度 随频率的变化情况。如图所示，在这种情况下，信号频谱正好由两个正弦波组成。现在 我们便知道了为何原始信号不是纯正弦波，因为它还包含第二个正弦分量，在这种情况 下是二次谐波。 3
第   1   章   引论
图 1-1. 复合时域信号
图 1-2. 信号的时域和频域关系
为什么要测量频谱? 频域测量同样也有它的长处。如我们已经在图 1-1 和 1-2 看到的，频域测量更适于确 定信号的谐波分量。在无线通信领域，人们非常关心带外辐射和杂散辐射。例如在蜂窝 通信系统中，必须检查载波信号的谐波成分，以防止对其它有着相同工作频率与谐波的 通信系统产生干扰。工程师和技术人员对调制到载波上的信息的失真也非常关心。三阶 交调 (复合信号的两个不同频谱分量互相调制) 产生的干扰相当严重，因为其失真分量可 能直接落入分析带宽之内而无法滤除。
频谱监测是频域测量的又一重要领域。政府管理机构对各种各样的无线业务分配不 同的频段，例如广播电视、无线通信、移动通信、警务和应急通信等其它业务。保证不 同业务工作在其被分配的信道带宽内是至关重要的，通常要求发射机和其它辐射设备应 工作于紧邻的频段。在这些通信系统中，针对功率放大器和其它模块的一项重要测量是 检测溢出到邻近信道的信号能量以及由此所引起的干扰。
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第   1   章   引论
既然如此，时域测量是否过时了呢? 答案是否定的。时域测量能够更好的适用于某些 测量场合，而且有些测量也只能在时域中进行。例如纯时域测量中所包括的脉冲上升和 下降时间、过冲和振铃等。
图 1-3. 发射机的谐波失真测试
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电磁干扰 (EMI) 是用来研究来自不同发射设备的有意或无意的无用辐射。在此我们 关心的问题是，无论是辐射还是传导 (通过电力线或其它互导连线产生)，其引起的干扰 都可能影响其它系统的正常运行。根据由政府机构或行业标准制定的有关条例，几乎 任何从事电气或电子产品设计制造的人员都必须对辐射电平与频率的关系进行测试。 图 1-3 至 1-6 列举了这类测量应用的几个例子。   
第   1   章   引论
图 1-4. GSM 无线信号和显示出无用辐射的极限值的频谱辐射模板
图 1-5. 射频功率放大器的双音测试
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第   1   章   引论
图 1-6. EMI 测试中对照 CISPR11 限制值的信号辐射测量结果
测量类型
常见的频谱分析测量包括频率和功率、调制、失真和噪声测量。了解信号的频谱成 分是非常重要的，对于有限带宽的系统更是如此。发射功率是另一项重要的测量内容。 发射功率过低，信号将不能到达通信的另一端; 发射功率过高，会使电池消耗过快、容易 产生失真、引起过高的工作温度。
调制质量的测量对于确保系统的正常工作和信息的正确传送也非常重要。通用的 模拟调制测量包括调制深度、边带幅度、调制质量和占用带宽等。数字调制测量包括误 差矢量幅度 (EVM)、IQ 不平衡、相位误差随时间的变化等许多测量内容。要详细了解这 些测量应用，请阅读应用指南 Application Note150-15，矢量信号分析基础 (英文版出版号 5989-1121EN)。
通信系统中发射机和接收机的失真测量同样很重要。发射机输出端过多的谐波失 真会对其它频带的系统产生干扰。接收机的前置放大器必须消除互调干扰以避免信号串 扰。例如有线电视载波信号的互调干扰会影响同一电缆中的其它频道。常见的失真测量 包括互调失真、谐波失真和杂散辐射。
我们经常需要对噪声进行测量。任何有源电路或器件都会产生额外噪声。通过测量 噪声系数和信噪比 (SNR) 能够描述设备的性能及其对整个系统性能的影响。