掃頻頻譜分析儀、矢量信號分析儀及實時頻譜分析儀的工作原理及差異

01

掃頻頻譜分析儀

掃頻式頻譜分析儀是傳統頻域測量儀器，是傳統結構的掃描調諧超外差頻譜分析儀，掃頻頻譜分析儀的出現使得工程師在幾十年前就能夠進行頻域測量。

掃頻頻譜分析儀通過把感興趣的信號下變頻，并將下變頻后的信號掃描通過RBW濾波器來測量功率隨頻率變化。RBW濾波器后面為檢波器，檢波器計算所選擇的掃頻寬度內每個頻率點的幅度。盡管這種方法可以提供很高的動態范圍，但其缺點在于它一次只能計算一個頻率點的幅度數據，導致頻譜分析儀在掃頻寬度很寬時掃描需要很長的時間，在某些情況下要達到幾十秒。

因此，這種方法基于這樣一個假設，頻譜分析儀多次掃描期間被測信號沒有明顯變化，即這種方法要求輸入信號相對穩定或者不發生變化。掃頻頻譜分析儀最初由模擬器件構成，然后隨著其應用不斷的發展的而不斷發展。當前的掃頻頻譜分析儀已經包含了各種數字單元，例如ADC、DSP和微處理器，但是，其掃描方法基本保持不變，本質上仍然是掃頻式頻譜分析儀。鑒于此原因掃頻頻譜分析儀最適合觀測受控的靜態信號。

假如信號迅速變化，那么掃頻頻譜分析儀可能會漏掉信號的變化部分。如圖1.1所示，掃描查看頻段Fa時，在Fb(左圖)上發生了一個瞬時頻譜事件。而當掃描到達頻段Fb時，事件已經消失，掃頻頻譜分析儀沒有檢測到事件(右圖)。

圖1.1掃頻式頻譜分析儀測試原理

02

矢量信號分析儀

傳統的掃頻分析只能進行標量測量，只提供與輸入信號的頻率和幅度有關的信息。數字調制信號的分析就是同時能夠提供信號的頻率信息、幅度信息和相位信息；與傳統的掃頻分析相比，增加了相位信息，這就使得矢量信號分析是為進行數字調制分析專門設計的工具。圖1.2是簡化的典型矢量信號分析儀的結構圖。

圖1.2.1典型的矢量信號分析儀結構框圖

矢量信號分析儀是對被測信號通過變頻處理再進行數字化采集，通過計算得到信號的幅度信息和相位信息。但是，大多數的矢量信號分析儀的信號處理是由軟件來完成的，軟件的處理速度和能力與高速的信號ADC采集相比，其處理速度很慢，這勢必導致很多信號數據需要被舍棄，造成信號處理的死區(Gap)，從而帶來變化信號在時域上特性的不完整描述，如圖1.2.2所示。

圖1.2.2矢量信號分析儀的頻譜測試原理

矢量信號分析儀主要用于測量穩定調制信號的誤差參數，比如數字調制信號的誤差矢量幅度(EVM)，相位誤差或頻率誤差等，提供星座圖等其他顯示。

03

實時頻譜分析儀

實時頻譜分析儀用于解決時變信號的參數測量，實時頻譜分析的基本概念是能夠快速采集和捕捉各種瞬變信號，把信號無縫地捕獲到內存中，并在多個域中分析信號。圖1.3.1是典型的實時頻譜分析儀結構框圖，可以看到，實時頻譜分析儀和矢量信號分析儀的基本結構類似，都是基于信號變頻和ADC采樣，然后通過數字信號處理DSP來獲取信號參數。大多數的矢量信號分析儀的信號處理是由軟件來完成的，軟件的處理速度和能力與高速的信號ADC采集相比，其處理速度是很慢的。而實時頻譜分析儀的技術關鍵——信號處理部分是靠硬件方式的FPGA來完成，從而大大提升處理的速度并降低處理延遲。節省的時間可以用于完成多信號的判斷，觸發等處理功能?？梢园褜崟r頻譜分析儀理解為“硬件化高速處理版本的矢量信號分析儀”。

圖1.3.1典型的實時頻譜分析儀結構框圖

圖1.3.1說明了實時頻譜分析儀的結構框圖，由輸入衰減器、低通濾波器、本振、下變頻器構成的可調諧RF前端，把輸入信號下變頻到固定中頻(IF),固定中頻的頻率與儀表的最大實時帶寬有關。中頻信號通過ADC對信號進行數字化，然后傳送到DSP進行處理，對于信號的處理的時間長度小于信號的采集長度時，就能完成對信號的連續采集和連續處理和顯示，這就是所謂的實時處理。實時頻譜分析儀提高了處理速度并增加了實時觸發、無縫信號捕獲和時間相關多域分析功能。

圖1.3.2是對實時頻譜分析儀完成頻譜處理過程的直觀說明，實時頻譜分析儀采用FFT完成頻譜測試，所以實時頻譜分析或處理都是在一定的頻率帶寬內來完成的，實時分析帶寬是實時頻譜分析儀重要的技術指標。

(a) 實時頻譜分析儀處理過程說明

(b) 實時處理

(c) 非實時處理

圖1.3.2實時處理和非實時處理

實時頻譜分析儀處理被測信號時，通過數字化采集實時傳輸，很容易將時間連續的樣點存儲在內存中，實時頻譜分析儀的結構能夠無縫地捕獲沒有時間間隔的輸入信號，這是傳統掃頻頻譜分析儀不具備的技術功能。

在實際的應用領域，技術的發展促進了這幾種頻譜處理技術的融合?，F在先進的信號分析儀同時具備這幾種信號處理功能，即會同時包含掃頻頻譜分析功能、矢量信號分析功能和實時頻譜分析功能，通過不同的選件或者應用來實現這幾種信號處理功能。需要根據需求，價格等因素進行儀表配置。在應用時，根據不同的被測信號，來選擇不同的信號處理方法，表1列出了各種信號頻譜測試技術的技術特點和適用對象。

表1 各種信號頻譜測試技術的說明

04

實時頻譜分析儀的工作原理

普尚SP900系列信號分析儀，不僅支持常規的頻譜測量功能，還支持矢量信號分析；尤其是實時頻譜分析功能，最大支持510MHz帶寬，POI最短3.51us。實時頻譜測試圖如下：

同時SP900信號分析儀現有的測量程序庫支持超過25種測量應用軟件，覆蓋各種復雜調制信號：2G、3G、4G、5G NR、蜂窩通信.ZigBee、Pulse和EMI等。搭配定制選件滿足您的測試需求。

審核編輯：劉清