分析儀的種類以及優(yōu)缺點(diǎn)比較

目前，市場上有許多可供選擇的分析儀，有些具備非常特殊的專業(yè)用途，有些則提供了較多的通用射頻測量能力;有些被稱為頻譜分析儀，有些則被稱為信號分析儀。這些分析儀都是用來測量和顯示信號頻率與幅度之間的關(guān)系的。如何在眾多型號的分析儀中選擇合適的一款需要多方面的考慮，本文將為您解答在挑選市場上各種分析儀時所遇到的疑問，并幫助您做出正確的選購決定。

性價比分析

分析儀的價格部分取決于它的成本。如果設(shè)計分析儀時采用低成本的組件，那么它的價格可能是比較誘人的。但是，通常情況下它的性能就會十分有限。性能取決于什么呢?混頻器、LO放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、FPGA/ASIC和微處理器的選擇都會影響到產(chǎn)品最終的成本和性能。舉例來說，單回路局部振蕩器的設(shè)計成本通常是比較劃算的，但是，它卻可能產(chǎn)生較大的相位噪聲失真，導(dǎo)致無效的測量結(jié)果。另外，如果單從成本的角度，那么，便宜的微處理器似乎非常吸引人，但是如果把分析儀中所有的DSP都換用這種微處理器來進(jìn)行解調(diào)工作，那么頻譜分析儀的運(yùn)行速度將變得非常慢。

下面給出了一些在保持成本的前提下提高產(chǎn)品性能的新方法，通過這些方法可以很好地控制產(chǎn)品價格。

● 是否采用掃描方式：許多傳統(tǒng)的分析儀廠商仍然使用掃描式體系架構(gòu)。盡管這種架構(gòu)非常適合于微波和毫米波頻譜的分析，但是許多新型的射頻分析儀不再采用這種傳統(tǒng)的掃描式系統(tǒng)，而采用信號處理測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了類似的(多數(shù)情況下更好的)測量功能。帶有頻譜分析功能的吉時利2810型矢量信號分析儀就是這類新型產(chǎn)品中極好的一個例子。

● 測量速度：當(dāng)購買分析儀時，您可能會問測量數(shù)據(jù)是如何處理的，有的儀器為了快速產(chǎn)生測量結(jié)果而采用了多個處理器，有的分析儀則采用FPGA或ASIC來進(jìn)行測量，主處理器僅處理常規(guī)事務(wù)，還有一些儀器僅僅使用一個微處理器來完成所有的工作。顯而易見，雖然最后一種方案對廠商來說是最節(jié)約成本的，但是它在處理比較復(fù)雜的調(diào)制信號時速度將慢得讓人無法忍受。吉時利的2810采用了基于DSP IQ測量引擎的獨(dú)特高速架構(gòu)，為業(yè)界提供了高性能的測量產(chǎn)品。

頻率范圍

沒有必要購買那些頻率范圍超出您所需要的分析儀。分析儀的頻率范圍是其價格的主要決定因素之一。大多數(shù)分析儀的頻率范圍在2.5GHz、6GHz、13GHz和26GHz左右。高性能的分析儀頻率通常能達(dá)到50GHz。如果只是對無線通信產(chǎn)品或者工作在ISM波段的產(chǎn)品(例如802.11b/g無線局域網(wǎng)設(shè)備)進(jìn)行測試，那么最高頻率低于3GHz的分析儀通常是最劃算的。

載波(CW)測量

讓我們看一看圖1中一種簡化的頻譜分布情況。圖中有兩個信號：一個是載波，另一個是較小的干擾信號。載波有許多特性，包括幅值、頻率、相位噪聲和寬帶噪聲。幅值是由設(shè)備在特定的頻率下發(fā)出的頻譜能量。相位噪聲(表現(xiàn)為信號的邊帶特性)體現(xiàn)的是信號的穩(wěn)定或純凈程度。通常，產(chǎn)品的局部振蕩器會對信號的相位噪聲產(chǎn)生影響。例如：在圖1的左邊能觀察到一個干擾信號，即寄生信號。該信號可能是由緊鄰的大功率發(fā)射器所引起的，也可能是從系統(tǒng)的其他部分產(chǎn)生的，例如來源于微處理器的時鐘。

圖1 基本的信號特征

幅值測量

幅值測量的效果越好，結(jié)果就越可靠或可信。在選擇分析儀時，我們不要局限于測量精度低于0.6dB或者頻率低于3GHz的分析儀。

噪聲測量與低電平信號

在測量噪聲和/或低電平信號時，必須確保分析儀有前置放大器，而且還要考慮分析儀的測量架構(gòu)。通常，分析低電平信號意味著要設(shè)定一個非常窄的信號范圍。當(dāng)在比較窄的范圍內(nèi)對多種分析儀的速度進(jìn)行比較時，就會發(fā)現(xiàn)掃描式分析儀的速度是相當(dāng)慢的，而采用了數(shù)字信號處理器的分析儀就不會出現(xiàn)這種問題。最后，您可能想在一定的帶寬范圍內(nèi)給出噪聲密度的測量結(jié)果。與其他分析儀只是將高斯成形濾波器的分辨帶寬定義在3dB不同的是，吉時利的2810能夠指定濾波器的噪聲帶寬，從而非常適合進(jìn)行這種類型的測量。

交調(diào)測量

這種類型的測量主要測量的是特定的信號條件下分析儀或系統(tǒng)所產(chǎn)生的失真。通過圖2我們可以看到儀器的激勵是兩個載波信號或雙音信號。這個雙音信號導(dǎo)致儀器產(chǎn)生失真，在頻域內(nèi)可以清楚地看到輸入雙音信號左右兩邊的兩個失真產(chǎn)物。由于分析儀也是一個信號接收器，在其信號通路中包含有源器件，因此分析儀也可能會產(chǎn)生這種類型的失真，從而導(dǎo)致測量失效。驗(yàn)證信號完整性的一種簡便方法是增加分析儀的衰減設(shè)置。如果在增加衰減時，信號幅值會減少，那么這個結(jié)果是由分析儀產(chǎn)生的;如果改變衰減值對信號幅值沒有影響，那么測量就是有效的。當(dāng)增加衰減值的時候，本底噪聲電平也會增加同樣大小的分貝值。這就是載波幅值在不同衰減水平下保持不變的原因。然而，本底噪聲電平的增加可能意味著噪聲信號掩蓋了交調(diào)結(jié)果。

圖2 雙音信號(非線性放大器失真)

為了獲得最佳的測量性能，微調(diào)衰減步長非常重要。大幅度的衰減步長只能夠?qū)Ρ镜自肼曤娖竭M(jìn)行10dBs的調(diào)整，這樣會很快掩蓋掉待測信號。

在存在大信號的情況下對小信號進(jìn)行測量是頻譜分析儀的一個重要功能——這種性能特征也稱為分析儀的動態(tài)量程。動態(tài)量程通常由三部分的組合來表示，即分析儀的三階交調(diào)失真(如在前面討論過的雙音頻測量)、儀器的本底噪聲電平和相位噪聲。一般來講，對測試儀的動態(tài)量程直接進(jìn)行比較是非常困難的，因?yàn)椴煌闹圃焐炭赡軙謩e針對儀器的本底噪聲電平性能或失真性能進(jìn)行優(yōu)化。對不同分析儀的動態(tài)量程進(jìn)行對比的一個簡單方法就是檢測分析儀的W-CDMA相鄰信道功率。這種測量方法能夠囊括上述所有的參數(shù)。

調(diào)制信號

到目前為止，我們只是討論了載波(CW)信號。在測量已經(jīng)經(jīng)過調(diào)制的信號的時候，必須確保頻譜/信號分析儀不僅能夠測量信號的頻譜，還能夠衡量信號調(diào)制的質(zhì)量。

圖3是頻域內(nèi)一個典型的數(shù)字調(diào)制數(shù)字信號示意圖。這個信號采用了不固定功率包絡(luò)的調(diào)制方式，因此其信號幅值是隨著時間而變化的。分析儀必須實(shí)現(xiàn)的一種關(guān)鍵測量功能就是要能夠給出這類信號的平均功率值，這通常需要指定一個確定的帶寬。交調(diào)和相位噪聲失真體現(xiàn)在信號的邊帶上。分析儀的相鄰信道功率特征有助于量化待測設(shè)備的交調(diào)和相位噪聲性能。

圖3 調(diào)制信號

現(xiàn)代分析儀有兩大關(guān)鍵功能需求：對信號進(jìn)行解調(diào)以及用某種指標(biāo)(如EVM，誤差矢量幅度)來衡量信號質(zhì)量。在分析儀中實(shí)現(xiàn)這類測量的關(guān)鍵性能特征包括儀器的數(shù)字化帶寬和相應(yīng)的頻率與相位響應(yīng)。舉例來說，吉時利的2810能夠捕獲并且數(shù)字化處理帶寬高達(dá)35MHz的信號。對于主流的調(diào)制方式，如GSM和W-CDMA，分析儀通常內(nèi)置了信號解調(diào)功能和信號質(zhì)量衡量指標(biāo)。即便如此，分析儀的選擇也應(yīng)考慮到適應(yīng)通信技術(shù)發(fā)展的需要。圖4給出了吉時利2810用作校準(zhǔn)式IQ采集引擎的情況。在該測量配置方案中，2810捕捉待測設(shè)備的信號，將其轉(zhuǎn)換為IQ校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對，并存儲在容量為50×106次采樣的內(nèi)存中。同時該分析儀還提供了數(shù)據(jù)記錄的導(dǎo)出功能，可以將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到其他商業(yè)分析軟件中，如Matlab。這種靈活性能夠滿足通信技術(shù)不斷發(fā)展的測量需求。

圖4 2810用作校準(zhǔn)式IQ采集引擎

分析儀的互連特性

大多數(shù)現(xiàn)代分析儀都兼容LXI-C標(biāo)準(zhǔn)。LXI(LAN eXtension for Instrumentation，儀用擴(kuò)展局域網(wǎng))是在局域網(wǎng)上定義分析儀互連特性的一個標(biāo)準(zhǔn)。LXI標(biāo)準(zhǔn)有A、B、C 三個版本。C表示通過局域網(wǎng)來對分析儀進(jìn)行控制，包含遠(yuǎn)程操作的Web服務(wù)。舉例來說，如果您正在與世界上其他合作組織共享測量信息，您只需在網(wǎng)頁瀏覽器中輸入分析儀的IP地址，分析儀的顯示器將出現(xiàn)在瀏覽器中。標(biāo)準(zhǔn)B和A仍然正在完善之中，它們提供了更多的高級測量功能，功能比標(biāo)準(zhǔn)C更強(qiáng)大。

當(dāng)然，現(xiàn)在大多數(shù)的分析儀仍然使用的是GPIB接口控制方案。在選擇分析儀時，必須確保它能與以前使用GPIB接口的測試系統(tǒng)進(jìn)行互連，同時還能夠兼容未來的LXI C級標(biāo)準(zhǔn)。

隨著帶LAN功能的分析儀的出現(xiàn)，Internet的安全和保障成了關(guān)鍵問題，特別是在大型企業(yè)系統(tǒng)中。舉例來說，如果分析儀是基于Windows XP系統(tǒng)的，也就是說它具有一般PC的所有特性。當(dāng)通過IT部門將其連入網(wǎng)絡(luò)時，分析儀將像其他PC一樣面臨病毒和被攻擊的威脅。因此，有些分析儀廠商轉(zhuǎn)而選擇Linux系統(tǒng)，但是這就影響了分析儀與基于Microsoft工具的互連性。吉時利的2810采用了Windows CE操作系統(tǒng)，這對于互連性和安全性是一個很好的折中。

結(jié)論

購買頻譜或信號分析儀可能是一筆很大的投資，同時在市場中有多種分析儀可供選擇。如果您在選購時認(rèn)真考慮以下的問題，或許可以幫助做出正確的選擇：

● 購買的預(yù)算是多少

● 測量對象的頻率范圍是多少

● 需要什么樣的幅值精度

● 對動態(tài)量程的需求是多少(使用ACP進(jìn)行快速交叉校驗(yàn))

● 對相位噪聲有什么樣的要求

● 需要測量什么類型的信號，是載波信號還是已調(diào)制信號

● 是否需要解調(diào)功能;信號的帶寬是多少

● 如何控制測試儀，遠(yuǎn)程還是手動

如果預(yù)算沒有限制，那么所有的問題都迎刃而解了。然而，如果想要確保投資獲得最大收益，那么最好與分析儀銷售代表一起來討論選擇能夠滿足需要和預(yù)算的、最合適的分析儀。