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频谱分析仪是对无线电信号进行测量的必备手段,是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具。因此,应用十分广泛,被称为的射频万用表。
传统产品
传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机,输入信号经变频器变频后由低通滤器输出,滤波输出作为垂直分量,频率作为水平分量,在示波器屏幕上绘出坐标图,就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率,例如30Hz-30GHz,与外部混频器配合,可扩展到100GHz以上,频谱分析仪是频率覆盖宽的测量仪器。无论测量连续信号或调制信号,频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是,传统的频谱分析仪也有明显的缺点,它只能测量频率的幅度,缺少相位信息,因此属于标量仪器而不是矢量仪器。
基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪,通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量,达到与传统频谱分析仪同样的结果。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样,再经FFT处理后获得频谱分布图。
在这种频谱分析仪中,为获得良好的仪器线性度和高分辨率,对信号进行数据采集时 ADC的取样率少等于输入信号频率的两倍,亦即频率上限是100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有200MS/S的取样率。
半导体工艺水平可制成分辨率8位和取样率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取样率800MS/S的ADC,亦即,原理上仪器可达到2GHz的带宽,为了扩展频率上限,可在ADC前端增加下变频器,本振采用数字调谐振荡器。这种混合式的频谱分析仪可扩展到几GHz以下的频段使用。
FFT的性能用取样点数和取样率来表征,例如用100KS/S的取样率对输入信号取样1024点,则输入频率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取样点数为2048点,则分辨率提高到25Hz。由此可知,输人频率取决于取样率,分辨率取决于取样点数。FFT运算时间与取样,点数成对数关系,频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时,要选用高速的FFT硬件,或者相应的数字信号处理器(DSP)芯片。例如,10MHz输入频率的1024点的运算时间80μs,而10KHz的1024点的运算时间变为ms,1KHz的1024点的运算时间增加至640ms。当运算时间超过200ms时,屏幕的反应变慢,不适于眼睛的观察,补救办法是减少取样点数,使运算时间降低至200ms以下。
一、频谱分析仪的使用入门
如下图为所使用的频谱分析仪面板外观:
为了测量天线的发射功率,可按照图中红色标识的步骤进行。步骤与具体含义如下:
1、Frequency:设置频率,按下该按键后,可在数字键盘输入需要的频率,数字键盘右边一列为单位2、Span:设置显示屏显示频率宽度,可根据需要设置,本次设置的50MHz3、Trace:该按键选择保留显示屏数据的方式,按下该案件后,可在蓝色圈中选择方式(类似于示波器中的“触发方式”),由上往下第二个按钮MaxHold表示保留发射功率4、Amplitude:调节频谱分析仪的参考电衰减比,按下该按键后旋转白色的大旋钮可以进行调节,作用是将频谱图调整到合适的位置,不至于飞出屏幕。5、Mark(MAK):调出标记点,此时旋转旋钮可以查看频谱图中任意一点的相关数据。二、信号相关名词解释1、发射功率:
发射功率就是所使用的设备(手机、对讲机、其他嵌入式设备等)所发射出来给基地台的信号强度。
无线电发射机输出的射频信号,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式出去。电磁波到达接收地点后,由天线接收下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。因此在无线网络的工程中,计算发射装置的发射功率与天线的能力非常重要。
无线电波的发射功率是指在给定频段范围内的能量,通常有两种衡量或测量标准:
1、功率(W):相对1瓦(Watts)的线性水准。例如,WiFi无线网卡的发射功率通常为0.036W,或者说36mW。
2、增益(dBm):相对1毫瓦(milliwatt)的比例水准。例如,WiFi无线网卡的发射增益为15.56dBm。
2、增益:
(1)dBm:功率
公式:10lg功率P1mW
eg1:1mW发射功率用dBm表示:发射功率为:10lg(功率值/1mW)=10lg(1mW/1mW)=0dBm
eg2:2mW发射功率用dBm表示:发射功率为:10lg(功率值/1mW)=10lg(2mW/1mW)=10lg2=3dBm
(2)dB:相对功率
dB是一个表征相对值的值,当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时,按下面计算公式:
公式:10lg甲功率乙功率
eg1、甲的功率是乙的功率的2倍,则用公式计算为:10lg(甲功率/乙功率)=10lg2=3dB,描述为甲比乙功率大了3dB。
3、信噪比(SNR):
信噪比SNR=信号功率噪声功率
4、Rssi:
RSSI:ReceivedSignalStrengthIndication接收的信号强度指示,无线发送层的可选部分,用来判定链接质量,以及是否广播发送强度
频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器,用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量,可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数,是一种多用途的电子测量仪器。
它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。
现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果,能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。
仪器内部若采用数字电路和微处理器,具有存储和运算功能;配置标准接口,就容易构成自动测试系统。
频谱仪是一种常用的,主要针对于射频和微波信号进行检测,在多个领域中都有一定的应用。
测试准备
1.限制性保护:规定输入射频电平和造成性损的电压值:直流25V,交流峰峰值100V。
2.预热:测试须等到OVER COLD消失。
3.自校:使用三个月,或重要测量前,要进行自校。
4. 系统测量配置:配置是测量之前把测量的一些参数输入进去,省去每次测量都进行一次参数输入。内容:测试项目、信号输入方式(频率还是频道)、显示单位、制式、噪声测量带宽和取样点、测CTB、CSO的频率点、测试行选通等。配置步骤:按MODE键——CABLE TV ANALYZER软键——Setup软键,进入设置状态。细节为tune config调谐配置:包括频率、频道、制式、电平单位。Analyzer input输入配置:是否加前置放大器。Beats setup拍频设置、测CTB、CSO的频点(频率偏移CTB FRQ offset、CSO FRQ offset)。GATING YES NO是否选通测试行。C/N setup载噪比设置:频点(频率偏移C/N FRQ offset)、带宽。
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