分析儀的種類以及優(yōu)缺點比較

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，導致無效的測量結果。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行解調(diào)工作，那么頻譜分析儀的運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。盡管這種架構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實現(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)生測量結果而采用了多個處理器，有的分析儀則采用FPGA或ASIC來進行測量，主處理器僅處理常規(guī)事務，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測量引擎的獨特高速架構，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)設備)進行測試，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。通常，分析低電平信號意味著要設定一個非常窄的信號范圍。當在比較窄的范圍內(nèi)對多種分析儀的速度進行比較時，就會發(fā)現(xiàn)掃描式分析儀的速度是相當慢的，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，從而導致測量失效。驗證信號完整性的一種簡便方法是增加分析儀的衰減設置。如果在增加衰減時，信號幅值會減少，那么這個結果是由分析儀產(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)量程直接進行比較是非常困難的，因為不同的制造商可能會分別針對儀器的本底噪聲電平性能或失真性能進行優(yōu)化。對不同分析儀的動態(tài)量程進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。分析儀必須實現(xiàn)的一種關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)代分析儀有兩大關鍵功能需求：對信號進行解調(diào)以及用某種指標(如EVM，誤差矢量幅度)來衡量信號質(zhì)量。在分析儀中實現(xiàn)這類測量的關鍵性能特征包括儀器的數(shù)字化帶寬和相應的頻率與相位響應。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。即便如此，分析儀的選擇也應考慮到適應通信技術發(fā)展的需要。圖4給出了吉時利2810用作校準式IQ采集引擎的情況。在該測量配置方案中，2810捕捉待測設備的信號，將其轉換為IQ校準數(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)記錄的導出功能，可以將這些數(shù)據(jù)導入到其他商業(yè)分析軟件中，如Matlab。這種靈活性能夠滿足通信技術不斷發(fā)展的測量需求。

圖4 2810用作校準式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標準。LXI(LAN eXtension for Instrumentation，儀用擴展局域網(wǎng))是在局域網(wǎng)上定義分析儀互連特性的一個標準。LXI標準有A、B、C 三個版本。C表示通過局域網(wǎng)來對分析儀進行控制，包含遠程操作的Web服務。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。標準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，功能比標準C更強大。

當然，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)進行互連，同時還能夠兼容未來的LXI C級標準。

隨著帶LAN功能的分析儀的出現(xiàn)，Internet的安全和保障成了關鍵問題，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。當通過IT部門將其連入網(wǎng)絡時，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進行快速交叉校驗)

● 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，遠程還是手動

如果預算沒有限制，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算的、最合適的分析儀。