射頻和微波分析儀" title="分析儀">分析儀" title="頻譜分析儀" title="頻譜分析儀">頻譜分析儀">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(chēng)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(chēng)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(guò)去十年里，射頻和微波頻譜分析儀沒(méi)有多大變化,。然而,，在迅猛發(fā)展的無(wú)線(xiàn)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(guò)程為什么不只是對(duì)一兩份制造商產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)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(shuō)明書(shū)常常隱藏著其沒(méi)有給出的數(shù)據(jù),，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上最重要的信息可能是頻譜分析儀制造商沒(méi)有說(shuō)出的關(guān)鍵內(nèi)容。舉例來(lái)說(shuō),，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(méi)有使用過(guò)打算購(gòu)買(mǎi)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(lái)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(xiàn)通訊協(xié)議的測(cè)試,。（參考文獻(xiàn)1）
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(méi)有這些必要的附件，或者制造商和銷(xiāo)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(lèi)客戶(hù)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(shuō)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(lái)生意好,，他們從未停止過(guò)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(mǎi)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(hù)對(duì)一臺(tái)設(shè)備難以進(jìn)行評(píng)估，這對(duì)被用戶(hù)選中的制造商來(lái)說(shuō)是有利的,。產(chǎn)品復(fù)雜再加上反復(fù)向客戶(hù)銷(xiāo)售,，就有可能既對(duì)客戶(hù)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(mǎn)意的客戶(hù)大概會(huì)再買(mǎi)所選中制造商的更多的產(chǎn)品?？蛻?hù)更換制造商則又要進(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(chēng)為混頻、外差或者變頻式的,。從根本上說(shuō),，混頻就是倍頻，是一種固有非線(xiàn)性處理方法,。頻譜分析儀將輸入信號(hào)" title="輸入信號(hào)">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(xiě)）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(shuō)，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" title="混頻器">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(lái),，以便生成輸入信號(hào)振幅是頻率函數(shù)的曲線(xiàn)。
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(shuō)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(chēng)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" title="掃頻">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(lái)對(duì)它的輸入信號(hào)變化作出反應(yīng)。
解決映頻問(wèn)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(shuō)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" title="信號(hào)分析儀">信號(hào)分析儀,，矢量信號(hào)分析儀,，無(wú)線(xiàn)通訊分析儀。這類(lèi)儀器全都大量采用DSP技術(shù),，而且愈來(lái)愈多的頻譜分析儀都是如此,。然而，一般來(lái)說(shuō),，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(méi)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(lái)說(shuō)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(wèn)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(méi)有超過(guò)采取樣頻率的一半,，又沒(méi)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(mǎi)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(shuō)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(lèi)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(lái)達(dá)到更大的動(dòng)態(tài)范圍。NI公司聲稱(chēng),，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(lái)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(mǎi)插件箱,、CPU、鍵盤(pán)、指針器和顯示器,。NI公司還建議你購(gòu)買(mǎi)它的LabView或LabWindows CVI研發(fā)環(huán)境軟件,，因?yàn)槟憧赡芟腴_(kāi)發(fā)自己的專(zhuān)門(mén)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(mǎi)主和用戶(hù),，注意這類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)有一個(gè)重要特點(diǎn)：如果沒(méi)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(xiàn)通訊系統(tǒng)的開(kāi)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(chǎng)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(hù)常常可以通過(guò)仔細(xì)分析他們的應(yīng)用來(lái)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(hù)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(lái)滿(mǎn)足,。這家制造商建議，在考慮購(gòu)買(mǎi)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(fǎng)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(xiāo)售更多的儀器,，但他們始終認(rèn)為,，幫助他們的客戶(hù)更加有效地使用現(xiàn)有的儀器是保持用戶(hù)對(duì)他們誠(chéng)信度的一種重要手段。