頻譜分析廣泛用于無線通信、電子設(shè)計(jì)、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域，能夠幫助工程師分析信號(hào)中的諧波、失真、相位噪聲、帶寬及其他性能指標(biāo)，對(duì)于了解組件、電路和系統(tǒng)的頻域特性至關(guān)重要。

然而，即便是功能強(qiáng)大的頻譜分析儀也可能無法避免操作中的錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的失真，影響產(chǎn)品性能及可靠性。

掌握頻譜分析的技巧，

有效規(guī)避常見的操作錯(cuò)誤，

有助于提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

【技巧1】

選擇適當(dāng)?shù)臋z波器

頻譜分析中會(huì)使用不同類型的檢波器，遵循一些通用的規(guī)則選擇合適的檢波器會(huì)使頻譜分析變得簡(jiǎn)單易行，選擇錯(cuò)誤的檢波器類型則會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果，導(dǎo)致無法檢測(cè)到信號(hào)的真實(shí)性能。

圖 1 寬 Span 窄 RBW時(shí)，使用采樣檢波（黃色跡線）會(huì)導(dǎo)致丟失信號(hào)；使用峰值檢波（藍(lán)色跡線）則可以檢測(cè)到這些信號(hào)

采樣檢波器

采樣檢波器為分析儀顯示的每個(gè)軌跡點(diǎn)提供單個(gè)采樣。每個(gè)軌跡點(diǎn)代表頻譜儀在頻域掃寬范圍內(nèi)均勻分布的單個(gè)樣本。采樣檢波器可以有效地測(cè)量類噪聲信號(hào)。使用采樣檢波器時(shí)，分析儀的RBW必須設(shè)置為比軌跡點(diǎn)間隔更寬。如果太窄，測(cè)量的 CW 信號(hào)幅度可能過低甚至被遺漏。當(dāng)跡線平均啟用時(shí)，頻譜分析儀將自動(dòng)選擇采樣檢波器，因此檢查是否使用了正確的檢波器進(jìn)行測(cè)量非常重要。

峰值檢波器

峰值檢波器在測(cè)量間隔內(nèi)保持最大幅度值，并在軌跡點(diǎn)顯示該值。峰值檢波器可以有效測(cè)量CW信號(hào)，而測(cè)量類噪聲信號(hào)時(shí)則可能會(huì)提供錯(cuò)誤的電平值，除非是“最大保持”類的測(cè)量，此時(shí)分析儀用于讀取其最大功率。

均值檢波器

均值檢波器對(duì)兩個(gè)軌跡點(diǎn)的功率值進(jìn)行平均處理，并以線性刻度進(jìn)行顯示。均值檢波器非常適合類噪聲信號(hào)，也能有效地顯示 CW 信號(hào)的幅度。RBW 至少需要與軌跡點(diǎn)間隔一樣寬，因?yàn)槿绻瑒t顯示的 CW 信號(hào)幅度讀數(shù)會(huì)太低。均值檢波器對(duì)軌跡點(diǎn)間隔內(nèi)的所有采樣點(diǎn)執(zhí)行 RMS 功率平均。這比僅使用軌跡點(diǎn)間隔內(nèi)的一個(gè)采樣點(diǎn)而丟棄所有其他軌跡點(diǎn)的采樣檢波器更有效，且耗時(shí)更少。

正態(tài)檢波器

正態(tài)檢波器是 X 系列信號(hào)分析儀的默認(rèn)檢波器。正態(tài)檢波器非常適合測(cè)量類噪聲信號(hào)，它顯示奇數(shù)跡線點(diǎn)期間上升和下降信號(hào)的峰值，并在偶數(shù)跡線點(diǎn)期間顯示信號(hào)的最小值。這樣類噪聲信號(hào)的峰峰值就能夠準(zhǔn)確地顯示在分析儀顯示屏上。

一般來說，除非用于某些特定測(cè)量的檢波器類型，否則最好使用頻譜分析儀選擇的默認(rèn)檢波器。峰值檢波器用于測(cè)量 CW 信號(hào)、均值檢波器用于噪聲類信號(hào)則是不錯(cuò)的選擇。

【技巧2】

使用正確的平均類型

平均有助于減少由于信號(hào)中的噪聲而引起的變化，從而使用戶能夠區(qū)分重要的頻譜分量和噪聲。大多數(shù)頻譜分析儀都提供對(duì)數(shù)視頻或功率 (RMS) 顯示平均類型的選擇。

對(duì)數(shù)視頻平均

對(duì)數(shù)視頻平均將以對(duì)數(shù)標(biāo)度進(jìn)行。對(duì)數(shù)視頻平均會(huì)導(dǎo)致類噪聲信號(hào)（例如分析儀的本底噪聲）的測(cè)量值比實(shí)際水平低。對(duì)數(shù)視頻平均不會(huì)影響 CW 信號(hào)的測(cè)量和顯示，可用于測(cè)量接近頻譜分析儀本底噪聲的 CW 信號(hào)。它降低了本底噪聲并提高了儀器的信噪比 (SNR) 性能。

功率平均

在大多數(shù)情況下，如果測(cè)量類噪聲信號(hào)時(shí)采用平均，通常會(huì)使用功率平均。平均可以是跡線平均或是由于將分析儀的VBW降低至小于RBW而引起的平均。當(dāng)進(jìn)行功率平均并且VBW降低至小于RBW時(shí)，現(xiàn)代分析儀（如X系列信號(hào)分析儀）將自動(dòng)校正以往模擬頻譜分析儀中可能存在的響應(yīng)不佳現(xiàn)象。將VBW減小到小于所選RBW帶寬的直接效應(yīng)是掃描時(shí)間會(huì)增加。

圖 2. 黃色跡線中使用對(duì)數(shù)視頻平均法對(duì)WCDMA 信號(hào)進(jìn)行平均，與藍(lán)色軌跡中使用功率（RMS）平均法正確平均的相同信號(hào)相比，產(chǎn)生 -2.5 dB 的誤差

一般來說，對(duì)數(shù)視頻平均適合 CW 信號(hào)，功率 (RMS) 平均適合類噪聲信號(hào)。

【技巧3】

避免分析儀內(nèi)部失真產(chǎn)物的影響

對(duì)于頻譜分析來說，確定所測(cè)量的是DUT失真產(chǎn)物而非分析儀的失真產(chǎn)物非常重要。

DUT的失真產(chǎn)物是由三階交調(diào) (TOI)、鄰道功率 (ACP) 或諧波信號(hào)引起的。這些失真產(chǎn)物的相對(duì)幅度與饋入 DUT 的輸入信號(hào)的電平有關(guān)。然而頻譜分析儀在處理具有足夠功率的輸入信號(hào)時(shí)也可能產(chǎn)生內(nèi)部失真產(chǎn)物。內(nèi)部失真產(chǎn)物是頻譜分析儀混頻器電平的函數(shù)。分析儀的內(nèi)部失真產(chǎn)物可能會(huì)與 DUT 的失真產(chǎn)物相加或相減，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。

可以通過增加內(nèi)部或外部衰減來降低混頻器測(cè)試信號(hào)的電平。衰減應(yīng)增加到失真產(chǎn)物的相對(duì)電平不再變化的程度。此時(shí)衰減器設(shè)置將確保僅是進(jìn)行DUT的失真測(cè)量，而不是 DUT 和分析儀的組合。隨著衰減的增加，可以降低 RBW 以提高靈敏度。隨著 RBW 的降低，掃描時(shí)間將增加。

【技巧4】

選擇正確的混頻器電平，優(yōu)化EVM測(cè)量

EVM 測(cè)量是通過使用頻譜分析儀的矢量信號(hào)分析 (VSA) 模式實(shí)現(xiàn)的。在此模式下，信號(hào)直接通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 下變頻。大多數(shù)情況下，分析儀會(huì)自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)膸挕５牵袝r(shí)信號(hào)分析儀中的測(cè)量可能未經(jīng)優(yōu)化，混頻器電平過低或過高都會(huì)降低測(cè)量性能。

為了優(yōu)化 EVM 測(cè)量，應(yīng)減小輸入衰減，直到顯示 ADC 過載，然后增加衰減，直到過載情況消失。在此衰減條件下，ADC 的整個(gè)范圍都得到了有效利用。達(dá)到最佳水平可能需要打開前置放大器或?yàn)榈碗娖叫盘?hào)添加額外增益。這可以通過在信號(hào)分析儀中選擇全旁路路徑 (FBP) 來實(shí)現(xiàn)。FBP 通常在較低功率水平下會(huì)改善 EVM 結(jié)果。X 系列分析儀嵌入式應(yīng)用軟件（如 5G NR、WLAN）具有一個(gè)“優(yōu)化 EVM”的內(nèi)置功能，它將自動(dòng)選擇最佳信號(hào)路徑、RF 衰減和 IF 增益，以實(shí)現(xiàn)最佳 EVM 結(jié)果。

【技巧5】

使用單次掃描，遠(yuǎn)程控制分析儀

在遠(yuǎn)程控制時(shí)，頻譜分析儀連續(xù)掃描模式的運(yùn)行速度會(huì)比單次掃描模式慢。發(fā)送INITIATE 命令時(shí)，儀器必須中止當(dāng)前掃描模式，然后再重新啟動(dòng)當(dāng)前請(qǐng)求的測(cè)量。在許多情況下，希望避免重新同步分析儀而導(dǎo)致較慢的測(cè)量，使用單次掃描模式并啟動(dòng)任何測(cè)量以保持速度和同步。

【技巧6】

利用OPC（操作完成）標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)測(cè)量同步

沒有準(zhǔn)確的同步，可能會(huì)對(duì)自動(dòng)進(jìn)行的信號(hào)分析測(cè)量造成影響，甚至?xí)霈F(xiàn)不正確的結(jié)果。使用OPC標(biāo)志來指示測(cè)量或掃描已完成，可以更好的保持同步。

【技巧7】

傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，關(guān)閉顯示并使用二進(jìn)制碼以提高速度

二進(jìn)制數(shù)據(jù)是 1 和 0 的組合，因此它需要最少的存儲(chǔ)，這意味著與 ASCII 碼相比，以這種形式傳輸時(shí)可以減少數(shù)據(jù)量，從而減少測(cè)量和取回結(jié)果的總時(shí)間。在儀器屏幕上顯示結(jié)果需要儀器 CPU 的計(jì)算能力。關(guān)閉顯示可以更快地返回遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，節(jié)省更多時(shí)間。

【技巧8】

避免輸入過大功率損壞頻譜分析儀

向頻譜分析儀的輸入端饋入過多的功率或高于分析儀額定值的直流電壓可能是一個(gè)非常昂貴的錯(cuò)誤。大多數(shù)頻譜分析儀的損壞電平約為1瓦或 30 dBm。當(dāng)超過損壞電平的信號(hào)輸入到頻譜分析儀的輸入端口時(shí)，它會(huì)使前端電子器件過載并損壞而導(dǎo)致需要維修。

為避免損壞頻譜分析儀，應(yīng)在輸入端口使用限幅器。這樣可以避免損壞前端電子器件而節(jié)省維修的時(shí)間和金錢。

結(jié)論

頻譜分析是一門復(fù)雜的科學(xué)，對(duì)于通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)正常工作非常重要。頻譜分析儀用于識(shí)別這些系統(tǒng)中的噪聲和潛在的雜散響應(yīng)。正確使用頻譜分析儀，有助于提高測(cè)量精度、提升分析儀的工作效率，并確保最終結(jié)果的可靠性。