射頻和微波頻譜分析儀甚至在原理上也是不簡(jiǎn)單的。將這兩種頻譜分析儀稱為校正的超外差接收機(jī)僅能反映它們有什么功能及如何實(shí)現(xiàn)這些功能。如將它們稱為頻域示波器，則反映的內(nèi)容就更少了。此外，如果只是走馬觀花地看一看這項(xiàng)技術(shù)，那你就會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論：在過去十年里，射頻和微波頻譜分析儀沒有多大變化。然而，在迅猛發(fā)展的無(wú)線技術(shù)領(lǐng)域，能夠顯示頻率高達(dá)3GHz以上——常常達(dá)到7GHz，有時(shí)達(dá)到20GHz--信號(hào)的頻譜分析儀事實(shí)上正在發(fā)生重大變化，其重要性也正在大大提高。

更糟糕的是，為某項(xiàng)任務(wù)選擇最為合適的分析儀可能是個(gè)很大的難題，當(dāng)你的上司不明白這一選擇過程為什么不只是對(duì)一兩份制造商產(chǎn)品說明書上的價(jià)格和一些參數(shù)進(jìn)行比較而已時(shí)，尤其是這樣。對(duì)于以下情況，有所了解的工程師不多，有所了解的經(jīng)理就更少：頻譜分析儀說明書常常隱藏著其沒有給出的數(shù)據(jù)，產(chǎn)品說明書上最重要的信息可能是頻譜分析儀制造商沒有說出的關(guān)鍵內(nèi)容。舉例來說，作為最壞的情況，有些制造商僅僅提供其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手給出的典型參數(shù)值。

此外，測(cè)試條件對(duì)技術(shù)規(guī)范有極大的影響，而制造商卻希望你認(rèn)為技術(shù)規(guī)范與這些測(cè)試條件無(wú)關(guān)。附文《射頻頻譜分析儀的1dB增益壓縮點(diǎn)》闡述了一份如此奇怪的技術(shù)規(guī)格。增益壓縮可以量化一個(gè)你并不想測(cè)量其振幅和頻率的干擾信號(hào)對(duì)你正在研究某個(gè)信號(hào)的已測(cè)振幅的影響。

大多數(shù)供應(yīng)商都懂得，如果你沒有使用過打算購(gòu)買的同一型號(hào)系列中的任何一種頻譜分析儀，則你對(duì)該頻譜分析儀的評(píng)價(jià)至少要花兩個(gè)星期的時(shí)間，也許還會(huì)長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月。理想的做法是，你要將兩件頂級(jí)備選產(chǎn)品的演示設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室中挨個(gè)放置整整一個(gè)月。這樣，你就可以在不僅相同的，而且還與你的應(yīng)用相關(guān)的條件下將兩者進(jìn)行比較。在實(shí)踐中，有時(shí)候會(huì)需要花一個(gè)月的時(shí)間才獲得必要的設(shè)備，然后進(jìn)行這樣的評(píng)價(jià)?，F(xiàn)代頻譜分析儀設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)化頻譜分析儀的評(píng)估和使用，有些儀器中有自動(dòng)設(shè)置功能，可用來進(jìn)行各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定的適用于各種無(wú)線通訊協(xié)議的測(cè)試。

售后服務(wù)很重要

你經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)，評(píng)估和使用頻譜分析儀需要一些附件，例如分離器、定向耦合器等等。如果你沒有這些必要的附件，或者制造商和銷售商不能及時(shí)提供，則你所在地區(qū)內(nèi)儀器制造商的現(xiàn)場(chǎng)工程師會(huì)將這些附件租借給你。

你可能會(huì)認(rèn)為，為這類客戶服務(wù)的代價(jià)太高，這種服務(wù)方式本應(yīng)在十年前就不復(fù)存在，或者說僅適用于最大的公司。然而，頻譜分析儀的制造商認(rèn)為售后服務(wù)好就會(huì)帶來生意好，他們從未停止過這種服務(wù)。制造商已經(jīng)將服務(wù)費(fèi)用包括在產(chǎn)品的價(jià)格框架中。由于一家公司很可能購(gòu)買不止一臺(tái)頻譜分析儀，但是僅需要對(duì)其第一臺(tái)提供支持的概率很高，制造商就會(huì)有很多機(jī)會(huì)收回技術(shù)支持費(fèi)用，或者向重購(gòu)顧客提供具有吸引力的折扣。盡管便攜式頻譜分析儀的售價(jià)常常低于一萬(wàn)美元，有些手提式頻譜分析儀的價(jià)格還要低得多，但高性能射頻頻譜分析儀（亦即寬帶低噪聲頻譜分析儀）的售價(jià)往往相當(dāng)昂貴。許多高檔頻譜分析儀的售價(jià)都在3萬(wàn)美元以上。

用戶對(duì)一臺(tái)設(shè)備難以進(jìn)行評(píng)估，這對(duì)被用戶選中的制造商來說是有利的。產(chǎn)品復(fù)雜再加上反復(fù)向客戶銷售，就有可能既對(duì)客戶有利又對(duì)制造商有利。在付出這么多的時(shí)間評(píng)估產(chǎn)品、弄明白如何利用產(chǎn)品獨(dú)特功能和學(xué)會(huì)如何處理產(chǎn)品的故障之后，一位對(duì)服務(wù)感到滿意的客戶大概會(huì)再買所選中制造商的更多的產(chǎn)品?？蛻舾鼡Q制造商則又要進(jìn)行很大的投資和花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間才能了解另一種復(fù)雜產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)。

混頻

頻譜分析儀的工作原理被稱為混頻、外差或者變頻式的。從根本上說，混頻就是倍頻，是一種固有非線性處理方法。頻譜分析儀將輸入信號(hào)（其頻率為fIN——是fIN1～fIN2范圍內(nèi)任何頻率的簡(jiǎn)寫）和頻率為fLO的可變頻率LO（本機(jī)振蕩器）的信號(hào)混合，產(chǎn)生一個(gè)頻率為fIF的IF（中頻）信號(hào)。通常，fLO=fIN+fIF，也就是說，本機(jī)振蕩器的頻率高于輸入信號(hào)頻率，但是采用fLO=fIN-fIF的設(shè)計(jì)也是可能的。一臺(tái)經(jīng)典的頻譜分析儀對(duì)fLO進(jìn)行掃描，所以在一個(gè)很短的時(shí)間段內(nèi)，混頻輸出信號(hào)代表了fIN1～fIN2頻段內(nèi)的輸入信號(hào)。然后，頻譜分析儀對(duì)混頻器輸出信號(hào)的包絡(luò)進(jìn)行檢波（除去輸出信號(hào)中的fIF分量），并作為一個(gè)時(shí)間函數(shù)的包絡(luò)顯示出來，以便生成輸入信號(hào)振幅是頻率函數(shù)的曲線。

頻譜分析儀體系結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，大多是由混頻的一個(gè)不可避免的特點(diǎn)造成的，即頻率為fIF的混頻輸出信號(hào)不僅代表fLO-fIN頻段的輸入信號(hào)，而且也代表了fLO+fIN波段的輸入信號(hào)。如果你試圖一步就將一個(gè)頻段，比如說30MHz～3GHz頻段，變換成常用的10.7MHz中頻，那本機(jī)振蕩器的掃描范圍可能為40.7～3010.7MHz（你的本機(jī)振蕩器的掃描范圍也可能為19.3～2989.3MHz）。如果你選擇第一個(gè)方案，則混頻輸出信號(hào)不僅代表所需頻段內(nèi)的輸入信號(hào)，而且也同時(shí)代表51.4～3021.4MHz頻段內(nèi)的輸入信號(hào)。在任何時(shí)刻，混頻輸出信號(hào)都代表兩個(gè)相隔21.4MHz（fIF·2）的輸入信號(hào)之和——所需頻率＋稱為映射的不需要頻率（本例為較高的頻率）。

深入討論下去，混頻器輸出信號(hào)從不代表僅僅一個(gè)（或僅僅兩個(gè)）頻率的輸入信號(hào)；獲得這樣的輸出信號(hào)意味著中頻帶寬為零。中頻帶寬，亦即頻譜分析儀的RBW（分辯率帶寬），總是大于零的。你可選擇的最小RBW就是頻譜分析儀的優(yōu)值。然而，如果你刻意選擇RBW為零，那么所有掃頻頻譜分析都需要無(wú)窮多的時(shí)間，因?yàn)橐粋€(gè)零帶寬的帶通濾波器需要無(wú)窮多的時(shí)間來對(duì)它的輸入信號(hào)變化作出反應(yīng)。

解決映頻問題的一個(gè)辦法是采用多次變頻，頻譜分析儀通常都有3個(gè)中頻級(jí)。一個(gè)頻率覆蓋范圍為30MHz～3GHz的頻譜分析儀可能首先將輸入信號(hào)頻率變換為大于3GHz，這就使所有不需要的映頻都高于頻譜分析儀的輸入頻率范圍，所以一個(gè)固定截止頻率低通濾波器就可將它們?yōu)V除掉。如果第一個(gè)中頻，比如說為3.4GHz，則本機(jī)振蕩器的掃描范圍為3.43～6.4GHz，映頻頻段的覆蓋范圍為6.83～9.8GHz。這樣做的另一個(gè)好處是，減小了最高fLO對(duì)最低fLO的比值。在本例中，這一比值從大于6個(gè)倍頻程（40 .7～3010.7GHz）減少到小于1個(gè)倍頻程（3.43～6.4GHz）。

把頻域變換成時(shí)域

在掃頻分析儀的輸入端，整個(gè)儀器輸入頻率范圍內(nèi)各個(gè)頻率的信號(hào)可能同時(shí)存在，然而，在混頻器的輸出端，這一頻率范圍就大大地縮小了，因?yàn)楫?dāng)掃描使掃頻分析儀在有關(guān)頻段內(nèi)調(diào)諧時(shí)，這些信號(hào)——變換成接近fIF頻率——不是同時(shí)存在，而是按時(shí)間順序出現(xiàn)的。因此，在第一混頻器之后，掃頻分析儀就不需要非常寬的帶寬，從而大大簡(jiǎn)化了掃頻分析儀大部分電路的設(shè)計(jì)。另一方面，現(xiàn)代通訊信號(hào)的存在時(shí)間極其短暫，而且占空比很小，從而要求掃頻分析儀能或多或少地連續(xù)掃描很寬的頻段。

現(xiàn)在已有這樣的儀器。制造商們給它們起了各種各樣的名字，其中包括信號(hào)分析儀，矢量信號(hào)分析儀，無(wú)線通訊分析儀。這類儀器全都大量采用DSP技術(shù)，而且愈來愈多的頻譜分析儀都是如此。然而，一般來說，采用DSP技術(shù)的頻譜分析儀和信號(hào)分析儀在規(guī)范和預(yù)計(jì)的應(yīng)用上則大不相同。信號(hào)分析儀能以較快的速度捕獲數(shù)據(jù)，能存儲(chǔ)具有很長(zhǎng)的數(shù)字化時(shí)域數(shù)據(jù)記錄，能處理矢量（相位及幅度），并能對(duì)按照諸如60QAM（64級(jí)正交調(diào)幅）格式的數(shù)字調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜分析。頻譜分析儀通常比信號(hào)分析儀小巧、價(jià)格也低，但卻具有大得多的動(dòng)態(tài)范圍。

大多數(shù)基于DSP技術(shù)的頻譜分析儀的框圖至少在表面上是與使用傳統(tǒng)模擬信號(hào)處理技術(shù)的頻譜分析儀的框圖很相似。與采用傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的頻譜分析儀一樣，基于DSP的頻譜分析儀也大量使用模擬中頻信號(hào)。然而，在最后一個(gè)混頻器之后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)除了高速高分辨率ADC和起數(shù)字濾波作用的DSP之外就沒有模擬濾波器了。采用DSP的頻譜分析儀的好處是，選擇性提高了（RBW較窄），而且當(dāng)你減小RBW時(shí)掃描速度降低較小。然而，Agilent公司最近宣布，其PSA系列基于DSP技術(shù)的頻譜分析儀具有矢量調(diào)制分析功能。這些功能對(duì)于以前僅具有標(biāo)量（大?。y(cè)量能力的頻譜分析儀來說是一種重大的變革。

這種普通的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生重大改革的日子也許不太遠(yuǎn)了。頻譜分析儀可以不使用模擬混頻器，而采用ADC作為混頻器的一部分。取樣率為64Ms/s（取樣精度為14位）的ADC已經(jīng)問世。如果在這樣的ADC之前裝一個(gè)合適的T/H （跟蹤保持）放大器，你就可以根據(jù)需要的采樣精度，故意降低取樣率，對(duì)遠(yuǎn)高于ADC的32MHz奈奎斯特頻率的通訊信號(hào)進(jìn)行取樣。假定你按這樣的方式對(duì)已調(diào)制的200MHz載波進(jìn)行取樣。如果載波頻率兩側(cè)的邊帶沒有超過采取樣頻率的一半，又沒有其它信號(hào)混入基帶，那你就能獲得這種調(diào)制的精確數(shù)字化拷貝。

當(dāng)然，大多數(shù)新型數(shù)字通訊系統(tǒng)的載波頻率范圍為2.35～5.8GHz，所以一個(gè)包括有一個(gè)對(duì)已調(diào)制的200MHz載波進(jìn)行放大的T/H放大器的信號(hào)分析儀仍然不得不采用混頻技術(shù)。然而，如今你用不著購(gòu)買帶寬大于200MHz、精度與14位分辨率ADC相當(dāng)?shù)腡/H放大器。這樣的T/H放大器雖然還未投入生產(chǎn)，但據(jù)說現(xiàn)在是可行的。如果這樣的器件投放市場(chǎng)，它們將使體系結(jié)構(gòu)發(fā)生變革，從而可從信號(hào)分析儀和采用DSP的頻譜分析儀中去掉一個(gè)或幾個(gè)變頻級(jí)。

信號(hào)分析儀模塊化

美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）最近宣布的一種模塊化2.7GHz信號(hào)分析儀打破了此類儀器的諸多規(guī)則。PXI-5660（圖1）不是一種高檔儀器，而是兩個(gè)3U高度的PXI模塊——一個(gè)有3個(gè)插槽的變頻器和一個(gè)具有16M字（32M字節(jié)）數(shù)字轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器的一個(gè)插槽的14位64Ms/s數(shù)字轉(zhuǎn)換器。SFDR（無(wú)寄生信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍）為80 dB，但是你可以犧牲測(cè)量速度來達(dá)到更大的動(dòng)態(tài)范圍。NI公司聲稱，SFDR為80 dB的測(cè)量速度為SFDR相當(dāng)?shù)膬x器級(jí)信號(hào)分析儀的200倍。

這兩個(gè)模塊加起來仍遠(yuǎn)小于具有同樣功能的儀器級(jí)信號(hào)分析儀，但不能組成一個(gè)完整的分析儀。兩個(gè)模塊可插入一個(gè)可裝CPU模塊、包括必要的電源和其它附加模塊的PXI插件箱中。上萬(wàn)美元的基價(jià)包括兩個(gè)模塊、一個(gè)成套頻譜測(cè)量軟件工具包、調(diào)制分析數(shù)據(jù)和幾個(gè)驅(qū)動(dòng)器。雖然這個(gè)價(jià)格遠(yuǎn)低于儀器級(jí)信號(hào)分析儀的價(jià)格，但該模塊化產(chǎn)品還要求另外購(gòu)買插件箱、CPU、鍵盤、指針器和顯示器。NI公司還建議你購(gòu)買它的LabView或LabWindows CVI研發(fā)環(huán)境軟件，因?yàn)槟憧赡芟腴_發(fā)自己的專門應(yīng)用軟件。

前面有關(guān)掃描頻譜分析儀的RBW和掃描速度之間折衷的討論將提醒頻譜分析儀以及相關(guān)儀器的買主和用戶，注意這類產(chǎn)品設(shè)計(jì)有一個(gè)重要特點(diǎn)：如果沒有實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)上的改革，頻譜分析儀設(shè)計(jì)師一般不可能在相互不影響的情況下提高某個(gè)特性或者技術(shù)規(guī)格。幸運(yùn)的是，對(duì)頻譜分析儀的需求不斷增長(zhǎng)——不僅體現(xiàn)在無(wú)線通訊系統(tǒng)的開發(fā)、部署和維護(hù)方面，而且也體現(xiàn)在EMI（電磁干擾）的測(cè)量和控制方面——正在引發(fā)這種體系結(jié)構(gòu)上的改革。

然而，頻譜分析儀的制造廠商們指出，只要采取一種引人注目的改進(jìn)措施，就不必改變儀器設(shè)計(jì)。用戶常?？梢酝ㄟ^仔細(xì)分析他們的應(yīng)用來修改測(cè)試協(xié)議，以便在不犧牲測(cè)量精度的情況下縮短測(cè)試時(shí)間。一家制造商估計(jì)，用戶提出的提高儀器測(cè)試速度的各種要求，其中幾乎一半可用這樣的改進(jìn)措施來滿足。這家制造商建議，在考慮購(gòu)買附加的儀器之前，在生產(chǎn)測(cè)試中使用頻譜分析儀的公司應(yīng)拜訪供應(yīng)商的應(yīng)用軟件工程師，以調(diào)查研究這種改進(jìn)的可能性。盡管制造商總是希望銷售更多的儀器，但他們始終認(rèn)為，幫助他們的客戶更加有效地使用現(xiàn)有的儀器是保持用戶對(duì)他們誠(chéng)信度的一種重要手段。

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