一、實時帶寬
1、對于示波器來說,帶寬通常是其測量頻率范圍。而頻譜儀則有中頻帶寬、分辨帶寬等帶寬定義。這里,我們以能對信號進行實時分析的實時帶寬作為討論對象。
2、對于頻譜儀來說,末級模擬中頻的帶寬通??梢宰鳛槠湫盘柗治龅膶崟r帶寬,大多數(shù)的頻譜分析的實時帶寬只有幾兆赫茲,通常較寬的實時帶寬通常為幾十兆赫茲,當然目前帶寬最寬的FSW頻譜儀可以達到500兆赫茲。而示波器的實時帶寬為其實時取樣的有效模擬帶寬,一般為數(shù)百兆赫茲,高的可達數(shù)千兆赫茲。
3、這里需要指出的是,大多數(shù)的示波器在垂直刻度設置不同時,其實時帶寬可能并不一致,在垂直刻度設置到較為靈敏時,其實時帶寬通常會下降。
4、從實時帶寬來說,示波器普遍優(yōu)于頻譜儀,這對于某些超寬帶信號分析尤其有好處,特別是在調制分析上有著無可比擬的優(yōu)勢。
二、動態(tài)范圍
1、動態(tài)范圍指標因其定義不同而有所不同,很多情況下,動態(tài)范圍被描述為儀器測量最大信號和最小信號的電平差值。當改變測量設置時,儀器測量大信號和小信號的能力是不一樣的,例如頻譜分析儀在衰減設置不一樣的情況下,其測量大信號所帶來的失真是不一樣的。在這里,我們討論儀器能夠同時測量大小信號的能力,即在不改變任何測量設置的情況下,示波器和頻譜儀在合適設置情況下的較佳動態(tài)范圍。
2、對于頻譜儀來說,在不考慮相位噪聲等近端噪聲和雜散情況下,平均噪聲電平、二階失真、三階失真是制約動態(tài)范圍的主要因素,以主流頻譜儀的技術指標計算,其理想動態(tài)范圍約為90dB(受二階失真限制)。
3、大多數(shù)的示波器由于受其AD有效取樣位數(shù)和噪聲底的限制,傳統(tǒng)示波器的理想動態(tài)范圍通常不超過50dB。(對于R&SRTO示波器,在100KHzRBW時,其動態(tài)范圍可高達86dB)。
4、從動態(tài)范圍來看,頻譜儀要優(yōu)于示波器。但這里要指出的是,這對于常在信號的頻譜分析來說確實如此,然而示波器的頻譜是同一幀數(shù)據(jù),頻譜儀的頻譜大多數(shù)情況下都不是同一幀數(shù)據(jù),因而對于瞬變信號來說,頻譜儀可能無法測量到。而示波器發(fā)現(xiàn)瞬變信號(信號滿足動態(tài)范圍的情況下)的概率要大得多。
三、功率測量準確度
對于頻域分析來說,功率測量準確度是非常重要的技術指標。無論是示波器還是頻譜儀,對功率測量準確度的影響量都是非常多的,下面分別列出其主要的影響量:
1、對于示波器來說,功率測量準確度的影響量有:端口不匹配引起的反射、垂直系統(tǒng)誤差、頻率響應、AD量化誤差、校準信號誤差等。
2、對于頻譜儀來說,功率測量準確度的影響量有:端口不匹配引起的反射、參考電平誤差、衰減器誤差、帶寬轉換誤差、頻率響應、校準信號誤差等。
3、此處我們不對影響量進行逐一分析比較,我們通過對1GHz頻率信號的進行功率測量來對比,通過RTO示波器和FSW頻譜儀的測量對比可以看出,在1GHz處,示波器與頻譜儀的功率測量值僅相差0.2dB左右,這是非常好的測量準確度指標。因為頻譜儀在1GHz處的測量準確度是非常好的。
4、另外,在頻率范圍內,示波器的頻率響應指標也是很好的,4GHz范圍內不超過0.5dB,從這點來說,示波器甚至優(yōu)于頻譜儀的性能。
頻譜是頻率譜密度的簡稱,是頻率的分布曲線。復雜振蕩分解為振幅不同和頻率不同的諧振蕩,這些諧振蕩的幅值按頻率排列的圖形叫做頻譜。
頻譜儀的分類:
一般分為FFT(快速傅里葉變化)和掃頻式頻譜儀。其中FFT式頻譜儀適合窄分析帶寬,快速測量場合,掃頻式頻譜儀適合寬頻帶分析場合。
頻譜儀內部原理:
1、輸入衰減器
信號進入頻譜儀后,先經過一個輸入衰減器,作用為防止大信號進入混頻器,造成混頻器過載,增益壓縮,畸變。衰減器雨后面的中頻放大器是互動的,中頻放大器補償前面的衰減值,保證信號大小不變。
2、低通濾波器
低通濾波器決定了頻譜儀的分析能力,頻譜儀上標注的頻率范圍就是由此濾波器決定。
3、混頻器
混頻器,通過本振(LO)將輸入信號下變頻到中頻。
4、中頻濾波器
中頻濾波器即頻譜儀面板上設置的RBW,是可調的,調節(jié)RBW會影響頻率選擇性,信噪比和測試速度。
5、包絡檢波器
將中頻信號轉換為基帶信號或者視頻信號。有正向檢波(顯示最大值),負向檢波(顯示最小值),采樣檢波(顯示中值)。
6、視頻濾波器
一般為一低通濾波器,此濾波器主要是為了減少噪聲的峰峰值變化,測試小信號時會用到。
頻譜儀的一般常識介紹如下:
1)輸入頻率范圍
指頻譜儀能夠正常工作的最大頻率區(qū)間,以HZ表示該范圍的上限和下限,由掃描本振的頻率范圍決定。
現(xiàn)代頻譜儀的頻率范圍通??蓮牡皖l段至射頻段,甚至微波段,如1KHz~4GHz。這里的頻率是指中心頻率,即位于顯示頻譜寬度中心的頻率。
(2)分辨力帶寬
指分辨頻譜中兩個相鄰分量之間的最小譜線間隔,單位是HZ。它表示頻譜儀能夠把兩個彼此靠得很近的等幅信號在規(guī)定低點處分辨開來的能力。
在頻譜儀屏幕上看到的被測信號的譜線實際是一個窄帶濾波器的動態(tài)幅頻特性圖形(類似鐘形曲線),因此,分辨力取決于這個幅頻生的帶寬。定義這個窄帶濾波器幅頻特性的 3dB帶寬為頻譜儀的分辨力帶寬。
(3)靈敏度
指在給定分辨力帶寬、顯示方式和其他影響因素下,頻譜儀顯示最小信號電平的能力,以dBm、dBu、dBv、V等單位表示。超外差頻譜儀的靈敏度取決于儀器的內噪聲。
當測量小信號時,信號譜線是顯示在噪聲頻譜之上的。為了易于從噪聲頻譜中看清楚信號譜線,一般信號電平應比內部噪聲電平高10dB。
另處,靈敏度還與掃頻速度有關,掃頻速度趕快,動態(tài)幅頻特性峰值越低,導致靈敏度越低,并產生幅值差。
(4)動態(tài)范圍
指能以規(guī)定的準確度測量同時出現(xiàn)在輸入端的兩個信號之間的最大差值。動態(tài)范圍的上限愛到非線性失真的制約。頻譜儀的幅值顯示方式有兩種:線性的對數(shù)。
對數(shù)顯示的優(yōu)點是在有限的屏幕有效的高度范圍內,可獲得較大的動態(tài)范圍。頻譜儀的動態(tài)范圍一般在60dB以上,有時甚至達到100dB以上。
(5)頻率掃描寬度(Span)
另有分析譜寬、掃寬、頻率量程、頻譜跨度等不同叫法。通常指頻譜儀顯示屏幕最左和最右垂直刻度線內所能顯示的響應信號的頻率范圍(頻譜寬度)。
根據(jù)測試需要自動調節(jié),或人為設置。掃描寬度表示頻譜儀在一次測量(也即一次頻率掃描)過程中所顯示的頻率范圍,可以小于或等于輸入頻率范圍。頻譜寬度通常又分為三種模式。
①全掃頻 頻譜儀一次掃描它的有效頻率范圍。
②每格掃頻 頻譜儀一次只掃描一個規(guī)定的頻率范圍。用每格表示的頻譜寬度可以改變。
③零掃頻 頻率寬度為零,頻譜儀不掃頻,變成調諧接收機。
(6)掃描時間(Sweep Time,簡作ST)
即進行一次全頻率范圍的掃描、并完成測量所需的時間,也叫分析時間。通常掃描時間越短越好,但為保證測量精度,掃描時間必須適當。
與掃描時間相關的因素主要有頻率掃描范圍、分辨率帶寬、視頻濾波。現(xiàn)代頻譜儀通常有多檔掃描時間可選擇,最小掃描時間由測量通道的電路響應時間決定。
(7)幅度測量精度
有絕對幅度精度和相對幅度精度之分,均由多方面因素決定。絕對幅度精度是針對滿刻度信號的指標,受輸入衰減、中頻增益、分辨率帶寬、刻度逼真度、頻響及校準信號本身的精度等的綜合影響;
相對幅度精度與測量方式有關,在理想情況下僅有頻響和校準信號精度兩項誤差來源,測量精度可以達到非常高。
儀器在出廠前要經過校準,各種誤差已被分別記錄下來并用于對實測數(shù)據(jù)進行修正,顯示出來的幅度精度已有所提高。
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