作者：Wolfgang Wendler博士，羅德與施瓦茨信號(hào)與頻譜分析儀產(chǎn)品經(jīng)理

本文部分內(nèi)容已發(fā)表在《Microwave Journal》

當(dāng)前頻譜分析儀面臨多重挑戰(zhàn)：現(xiàn)代射頻應(yīng)用要求更高的數(shù)據(jù)速率、更寬的調(diào)制帶寬及更高階的調(diào)制方式。尖端元器件需要更優(yōu)的信噪比和接近物理極限的性能指標(biāo)，但現(xiàn)有設(shè)備在寬頻帶、大功率范圍測(cè)試中往往動(dòng)態(tài)范圍不足。羅德與施瓦茨全新推出的FSWX實(shí)現(xiàn)了寬帶信號(hào)分析領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新——作為首款搭載多輸入端口多路徑架構(gòu)的頻譜分析儀，其互相關(guān)技術(shù)可助力工程師突破現(xiàn)有寬帶分析局限，滿足創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展需求。

在寬帶信號(hào)分析層面，雷達(dá)、衛(wèi)星或移動(dòng)通信領(lǐng)域的新興射頻技術(shù)器件表征測(cè)試面臨諸多挑戰(zhàn)。業(yè)內(nèi)通常采用IQ平均法或互相關(guān)信號(hào)處理技術(shù)作為突破這些局限的變通方案。

IQ平均是一種常用的降噪技術(shù)，但這種方法需要信號(hào)具有重復(fù)性。通過(guò)多次平均相同的IQ數(shù)據(jù)，可以減少隨機(jī)高斯噪聲，而信號(hào)或IQ向量在所有接收過(guò)程中保持一致。這種方法能夠增強(qiáng)動(dòng)態(tài)范圍，并最小化測(cè)量?jī)x器引入的噪聲。盡管這種方法已在當(dāng)前的分析儀中得到應(yīng)用，但它仍然存在一些局限性。

在沒(méi)有重復(fù)信號(hào)的情況下，我們采用互相關(guān)技術(shù)來(lái)克服動(dòng)態(tài)范圍的限制。這種技術(shù)需要兩個(gè)信號(hào)分析儀，并且它們必須進(jìn)行時(shí)間同步，這就需要額外的信號(hào)處理來(lái)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算。遺憾的是，這不僅增加了測(cè)量的復(fù)雜性，也提高了測(cè)試成本。

其他儀器如示波器，可能為此類應(yīng)用提供兩個(gè)或更多的輸入通道。但示波器的動(dòng)態(tài)范圍有限。因?yàn)槠?a href="http://www.asorrir.com/tags/模數(shù)轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">模數(shù)轉(zhuǎn)換器針對(duì)寬帶信號(hào)的數(shù)字化進(jìn)行了優(yōu)化，這一特性即使在應(yīng)用互相關(guān)技術(shù)侯也無(wú)法改善情況。具有多個(gè)輸入通道的PXI模塊通常具有更寬的動(dòng)態(tài)范圍，當(dāng)有非期望信號(hào)出現(xiàn)在鏡像頻率或非期望混頻產(chǎn)物落入測(cè)量帶內(nèi)時(shí)，沒(méi)有預(yù)選會(huì)限制測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。

全新儀器架構(gòu)，拓展測(cè)量能力

羅德與施瓦茨創(chuàng)新設(shè)計(jì)的FSWX頻譜分析儀采用行業(yè)首創(chuàng)的多接收鏈路架構(gòu)。該架構(gòu)通過(guò)前端預(yù)選有效消減鏡頻干擾及雜散信號(hào)，其內(nèi)置互相關(guān)模式可一鍵啟動(dòng)，無(wú)需外接功分器與附加校準(zhǔn)流程。當(dāng)雙射頻端口直連接收單元時(shí)（無(wú)需內(nèi)置功分器），多接收路徑可全面支持5G、WLAN等現(xiàn)代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)及雷達(dá)應(yīng)用。如圖1所示的雙接收鏈路架構(gòu)，為性能飛躍奠定基礎(chǔ)。

圖1：FSWX頻譜分析儀創(chuàng)新多路徑架構(gòu)，開(kāi)拓全新測(cè)試能力

“互相關(guān)技術(shù)”

精準(zhǔn)提升相位噪聲測(cè)量性能

實(shí)施互相關(guān)技術(shù)對(duì)測(cè)試能力的提升不僅在動(dòng)態(tài)范圍，還可以得到傳統(tǒng)頻譜分析儀無(wú)法獲得的測(cè)量結(jié)果。這種技術(shù)已經(jīng)在專業(yè)的相位噪聲測(cè)試儀中得到應(yīng)用，例如羅德與施瓦茨的FSWP和FSPN，它們利用互相關(guān)技術(shù)在相位噪聲測(cè)量中抑制內(nèi)部本振的相位噪聲。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)楝F(xiàn)代通信應(yīng)用通常在更高頻率下運(yùn)行，其振蕩器的相位噪聲隨著頻率f按20 log(f)的比例增加。隨著頻率的增加，這種相位噪聲會(huì)直接影響到EVM（誤差矢量幅度）性能。不穩(wěn)定的相位讀數(shù)使得在星座圖中檢測(cè)正確的星座點(diǎn)變得困難。因此，系統(tǒng)可能不得不切換到更低階的調(diào)制方案，從而降低數(shù)據(jù)速率。出于這個(gè)原因，必須準(zhǔn)確測(cè)量合成器或振蕩器，以確保優(yōu)化的相位噪聲性能。因此，現(xiàn)代通信應(yīng)用通常需要昂貴的相位噪聲測(cè)試儀和良好的信號(hào)與頻譜分析儀。這是由于分析儀因內(nèi)部本振導(dǎo)致測(cè)量性能受限。而FSWX僅需單臺(tái)儀表，即可完成振蕩器與合成器的相位噪聲測(cè)量?jī)?yōu)化。

圖2展示了當(dāng)相位噪聲增加時(shí)，一個(gè)采樣率為20 MHz的QPSK信號(hào)性能如何下降。在100 kHz偏移處，相位噪聲為-95 dBc/Hz時(shí)，星座圖非常清晰。然而，隨著相位噪聲的增加，信號(hào)質(zhì)量會(huì)惡化。在-80 dBc/Hz時(shí)，從信號(hào)中解碼正確的數(shù)據(jù)變得相當(dāng)困難。系統(tǒng)必須退回到BPSK調(diào)制， 這會(huì)降低數(shù)據(jù)速率。對(duì)于QPSK，至少需要-90 dBc/Hz的相位噪聲性能，這在140 GHz的中心頻率下是非常具有挑戰(zhàn)性的。這說(shuō)明了需要具有互相關(guān)能力的儀表來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量相位噪聲，從而優(yōu)化振蕩器和合成器。

圖2：相位噪聲性能對(duì)于實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)闹匾?/p>

快速找到隱藏的雜散信號(hào)

對(duì)于現(xiàn)代雷達(dá)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，探測(cè)具有小雷達(dá)截面（RCS）的目標(biāo)，如無(wú)人機(jī)，變得越來(lái)越重要。這需要提高這些應(yīng)用的測(cè)試設(shè)備靈敏度。這項(xiàng)工作的關(guān)鍵之一是降低接收器的寬帶噪底和提高本振的相位噪聲性能。這將有助于揭示在輕微多普勒頻率偏移后不再被雜波反射淹沒(méi)的小目標(biāo)的RCS反射。

除了減少相位噪聲和抑制寬帶輸入噪聲外，檢測(cè)系統(tǒng)中的小雜散信號(hào)和干擾也至關(guān)重要。這些小信號(hào)可能被誤認(rèn)為是目標(biāo)，限制了雷達(dá)的靈敏度。目前，信號(hào)和頻譜分析儀可以檢測(cè)這些微弱的無(wú)用干擾。但要看到接近噪底的雜散信號(hào)，頻譜分析儀的分辨率帶寬（RBW）需要降低到僅僅幾赫茲。這會(huì)顯著減慢測(cè)量速度，因?yàn)?a href="http://www.asorrir.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器的穩(wěn)定時(shí)間需要延長(zhǎng)。因此，這種技術(shù)需要較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間來(lái)表征系統(tǒng)并檢測(cè)無(wú)用干擾。

FSWX的多路徑架構(gòu)通過(guò)互相關(guān)技術(shù)將分析儀本底噪聲抑制至理論極限，且無(wú)需降低分辨率帶寬 (RBW)。相較于傳統(tǒng)分析儀——后者必須采用小RBW，該技術(shù)可在極低本底噪聲下實(shí)現(xiàn)更快速的掃描。

圖3中藍(lán)色跡線為互相關(guān)檢測(cè)器測(cè)量結(jié)果，對(duì)比黃色RMS檢測(cè)器跡線可見(jiàn)：在1 MHz分辨率帶寬(RBW)條件下，RMS檢測(cè)器幾乎無(wú)法識(shí)別雜散信號(hào)——甚至完全不可見(jiàn)。

圖3：FSWX互相關(guān)技術(shù)僅需微增測(cè)量時(shí)長(zhǎng)即可顯著降低測(cè)試本底噪聲—藍(lán)色跡線成功揭示黃色跡線中隱現(xiàn)的雜散信號(hào)。

破解YIG濾波器與預(yù)選濾波器的寬帶技術(shù)困局

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)分析儀在進(jìn)行寬帶調(diào)制分析時(shí)，缺乏在微波頻率下進(jìn)行IQ分析的預(yù)選功能。在達(dá)到幾個(gè)GHz的特定頻率之前，信號(hào)被上變頻到一個(gè)較高的中頻，其鏡像頻率位于更高的頻率，因此使用低通濾波器來(lái)抑制鏡像頻率。然而，在5到10 GHz以上的頻率，根據(jù)所使用的儀器，用于鏡像抑制的上變頻會(huì)引入過(guò)多的噪聲。因此，在這些頻率下，需要使用YIG濾波器進(jìn)行預(yù)選，以抑制不需要的鏡像頻率。這些YIG濾波器的帶寬有限，最大為50 MHz，具體取決于頻率范圍。這些濾波器還會(huì)造成信號(hào)在幾dB范圍內(nèi)的較大波動(dòng)，這阻礙了它們?cè)贗Q分析中的使用。對(duì)于IQ分析，必須繞過(guò)YIG濾波器，但鏡像頻率上的噪聲或不需要的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果惡化。

為克服這一挑戰(zhàn)，F(xiàn)SWX使用濾波器組進(jìn)行預(yù)選。它們帶寬更寬且展現(xiàn)出平坦的頻率響應(yīng)，提供高電平精度，是IQ分析的理想選擇。因此，F(xiàn)SWX能夠在遠(yuǎn)超50 MHz的分析帶寬（依據(jù)所使用的中頻頻率和AD轉(zhuǎn)換器）上執(zhí)行寬帶IQ分析，同時(shí)抑制鏡像。這增加了動(dòng)態(tài)范圍并降低了由鏡像頻率干擾源引起的誤差。此外，憑借平坦的頻率響應(yīng)，連續(xù)波載波或雜散信號(hào)的電平測(cè)量絕對(duì)誤差顯著減小，因?yàn)椴辉俅嬖赮IG濾波器頻響波動(dòng)導(dǎo)致的精度惡化。因此，F(xiàn)SWX在微波范圍內(nèi)通過(guò)預(yù)選實(shí)現(xiàn)1 dB甚至更優(yōu)的電平測(cè)量不確定度，使得某些應(yīng)用中不再需要額外的功率傳感器。這使得雷達(dá)應(yīng)用的雜散電平能被準(zhǔn)確標(biāo)定。圖4直觀展示了濾波器組與YIG濾波器之間的差異。

圖4：濾波器組提供比YIG更寬的帶寬和更平坦的頻率響應(yīng)，而YIG濾波器通常具有更優(yōu)的帶外信號(hào)抑制能力

對(duì)于需要在寬頻率范圍內(nèi)掃描的頻譜分析，YIG濾波器可能相當(dāng)緩慢且不準(zhǔn)確。用于預(yù)選的濾波器組可以使分析儀在頻譜分析中的速度提高10倍到20倍，因?yàn)樗鼈兦袚Q的速度比YIG濾波器掃描的速度快得多。但其在阻帶中的信號(hào)抑制比YIG濾波器低20到40 dB以上。

結(jié)合使用將是最有效的解決方案。當(dāng)需要進(jìn)行窄帶頻譜分析以檢測(cè)最小的無(wú)用干擾時(shí)，分析儀可以使用YIG濾波器。同時(shí)分析儀可以使用濾波器組進(jìn)行IQ分析或提高測(cè)量速度。濾波器組與多路徑接收器結(jié)構(gòu)結(jié)合使用，也可以作為雜散信號(hào)搜索的有用工具。這是因?yàn)楫?dāng)使用不同的中頻接收路徑頻率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，頻譜分析儀固有的與LO相關(guān)的雜散信號(hào)可以很容易地被抑制，因?yàn)殡s散信號(hào)出現(xiàn)在不同的頻率上。一個(gè)簡(jiǎn)單的NAND與非操作就可以抑制這些固有的非期望發(fā)射信號(hào)。

簡(jiǎn)化相控陣天線測(cè)試的設(shè)置

航空航天、移動(dòng)通信和汽車?yán)走_(dá)中的波束控制應(yīng)用經(jīng)常使用相控陣天線。這些天線需要精確對(duì)齊并測(cè)試不同發(fā)射路徑之間的相位。如果在初始相位校準(zhǔn)階段，信號(hào)分析儀設(shè)置能夠測(cè)量具有多個(gè)相參路徑的場(chǎng)景會(huì)怎樣？每個(gè)通道都必須是相參的，以精確控制波束。這也有助于評(píng)估在調(diào)制條件下的相控陣天線，其中一個(gè)振子需要與第n個(gè)振子進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5：調(diào)制信號(hào)下的相控陣天線測(cè)試執(zhí)行首陣元與第n陣元的相位比對(duì)

在這種情況下可以使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），但當(dāng)需要為調(diào)制信號(hào)條件進(jìn)行帶寬拼接時(shí)，過(guò)程可能會(huì)變得緩慢。或者，可以使用示波器，但這會(huì)帶來(lái)動(dòng)態(tài)范圍受限的限制。共享相同本振的PXI模塊提供了更寬的動(dòng)態(tài)范圍，但這兩種解決方案通常都不使用預(yù)選。沒(méi)有預(yù)選，鏡像頻率上的信號(hào)可能會(huì)進(jìn)一步限制動(dòng)態(tài)范圍，克服這些限制需要的測(cè)試環(huán)境和設(shè)置可能變得相當(dāng)復(fù)雜且容易出錯(cuò)。

雷達(dá)測(cè)試：信號(hào)干擾的影響

為分析不同通信制式信號(hào)（跨頻段）、或通信與雷達(dá)信號(hào)的互擾，需配備具備超寬捕獲帶寬的全景分析儀，或配置多輸入/多接收通道的測(cè)試系統(tǒng)。傳統(tǒng)示波器或PXI架構(gòu)分析儀存在固有局限：其各信號(hào)接收路徑（如衰減器、前置放大器增益）無(wú)法獨(dú)立配置，從而嚴(yán)重限制復(fù)雜場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍——例如當(dāng)強(qiáng)移動(dòng)通信信號(hào)存在時(shí)，雷達(dá)設(shè)備微弱高次諧波的精準(zhǔn)檢測(cè)。此外，現(xiàn)有分析帶寬亦制約著可捕獲的頻譜范圍。

FSWX憑借其多輸入端口及多路徑架構(gòu)，賦予用戶獨(dú)立配置本振頻率、輸入增益及衰減參數(shù)的能力。基于此創(chuàng)新架構(gòu)，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)觸發(fā)頻率與測(cè)量頻率的完全分離——例如在2.45 GHz頻段捕獲Wi-Fi突發(fā)脈沖作為觸發(fā)源，同步監(jiān)測(cè)6 GHz雷達(dá)信號(hào)的受擾情況（詳見(jiàn)圖6示例）。

圖6：分析2.45 GHz 的 Wi-Fi信號(hào)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響

“突破效能局限”

調(diào)制器件分析新利器

FSWX的雙通道同步測(cè)量功能（支持同頻或異頻信號(hào)）為器件表征提供了高效解決方案：用戶可以比較放大器輸入和輸出的信噪比或EVM性能。對(duì)于具有不同頻率設(shè)置的上變頻器和下變頻器，也可以進(jìn)行這樣的操作。兩個(gè)信號(hào)將被同時(shí)捕獲，甚至不需要知道輸入信號(hào)的調(diào)制；用戶可以直接比較IQ數(shù)據(jù)。

測(cè)試DRFMs

可利用FSWX的上述功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備輸入/輸出端信號(hào)并分析其幅相特性。該設(shè)備能同步采集調(diào)制脈沖雷達(dá)信號(hào)在數(shù)字射頻存儲(chǔ)器（DRFM）處理前后的雙路數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)表征幅相動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而單機(jī)優(yōu)化干擾系統(tǒng)效能。

同樣，這些測(cè)量可以在VNA上進(jìn)行，但這些儀器通常具有有限的分析帶寬。示波器也可以使用，但它們的動(dòng)態(tài)范圍有限，可能無(wú)法揭示必要的相位和幅度調(diào)制細(xì)節(jié)。此外，示波器通常不提供內(nèi)部分析工具來(lái)有效地執(zhí)行此操作，需要使用外部軟件解決方案。

結(jié)語(yǔ)

應(yīng)對(duì)新興技術(shù)挑戰(zhàn)時(shí)，當(dāng)代信號(hào)與頻譜分析儀存在顯著局限。羅德與施瓦茨革命性推出的FSWX分析儀，憑借創(chuàng)新架構(gòu)突破傳統(tǒng)限制：通過(guò)集成多接收路徑、輸入預(yù)選與內(nèi)置互相關(guān)技術(shù)，該儀表可顯著拓展動(dòng)態(tài)范圍、提升測(cè)量速度，并大幅簡(jiǎn)化測(cè)試配置。

FSWX信號(hào)與頻譜分析儀：測(cè)量未至之境

羅德與施瓦茨FSWX信號(hào)與頻譜分析儀作為業(yè)界首款多通道多端口機(jī)型，開(kāi)創(chuàng)信號(hào)分析新維度。其革命性多路徑架構(gòu)搭載創(chuàng)新的互相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)突破性動(dòng)態(tài)范圍表現(xiàn)；結(jié)合超低相位噪聲（保障信號(hào)純度）、卓越無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍及頂尖殘余EVM性能，締造市場(chǎng)無(wú)可匹敵的射頻測(cè)試標(biāo)桿。該設(shè)備內(nèi)置8GHz超寬分析帶寬，可深度解析復(fù)雜調(diào)制波形；配合高速測(cè)量引擎與可定制分析工具，為前沿射頻應(yīng)用樹(shù)立性能新高度：從有源器件測(cè)試、尖端汽車?yán)走_(dá)驗(yàn)證、復(fù)雜機(jī)載場(chǎng)景，到星載通信系統(tǒng)及5G/WLAN等新一代通信技術(shù)全面挑戰(zhàn)。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測(cè)試測(cè)量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個(gè)更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來(lái)，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過(guò)發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國(guó)慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長(zhǎng)期、可持續(xù)地開(kāi)展業(yè)務(wù)。