更糟糕的是,为某项任务选择最为合适的分析仪可能是个很大的难题,当你的上司不明白这一选择过程为什么不只是对一两份制造商产品说明书上的价格和一些参数进行比较而已时,尤其是这样。对于以下情况,有所了解的工程师不多,有所了解的经理就更少:频谱分析仪说明书常常隐藏着其没有给出的数据,产品说明书上最重要的信息可能是频谱分析仪制造商没有说出的关键内容。举例来说,作为最坏的情况,有些制造商仅仅提供其竞争对手给出的典型参数值。
此外,测试条件对技术规范有极大的影响,而制造商却希望你认为技术规范与这些测试条件无关。附文《射频频谱分析仪的1dB增益压缩点》阐述了一份如此奇怪的技术规格。增益压缩可以量化一个你并不想测量其振幅和频率的干扰信号对你正在研究某个信号的已测振幅的影响。
大多数供应商都懂得,如果你没有使用过打算购买的同一型号系列中的任何一种频谱分析仪,则你对该频谱分析仪的评价至少要花两个星期的时间,也许还会长达一个月。理想的做法是,你要将两件顶级备选产品的演示设备在实验室中挨个放置整整一个月。这样,你就可以在不仅相同的,而且还与你的应用相关的条件下将两者进行比较。在实践中,有时候会需要花一个月的时间才获得必要的设备,然后进行这样的评价。现代频谱分析仪设计中简化频谱分析仪的评估和使用,有些仪器中有自动设置功能,可用来进行各个标准化组织规定的适用于各种无线通讯协议的测试。(参考文献1)
用户对一台设备难以进行评估,这对被用户选中的制造商来说是有利的。产品复杂再加上反复向客户销售,就有可能既对客户有利又对制造商有利。在付出这么多的时间评估产品、弄明白如何利用产品独特功能和学会如何处理产品的故障之后,一位对服务感到满意的客户大概会再买所选中制造商的更多的产品。客户更换制造商则又要进行很大的投资和花费很长时间才能了解另一种复杂产品的优点。
把频域变换成时域
在扫频分析仪的输入端,整个仪器输入频率范围内各个频率的信号可能同时存在,然而,在混频器的输出端,这一频率范围就大大地缩小了,因为当扫描使扫频分析仪在有关频段内调谐时,这些信号——变换成接近fIF频率——不是同时存在,而是按时间顺序出现的。因此,在第一混频器之后,扫频分析仪就不需要非常宽的带宽,从而大大简化了扫频分析仪大部分电路的设计。另一方面,现代通讯信号的存在时间极其短暂,而且占空比很小,从而要求扫频分析仪能或多或少地连续扫描很宽的频段。
现在已有这样的仪器。制造商们给它们起了各种各样的名字,其中包括信号分析仪,矢量信号分析仪,无线通讯分析仪。这类仪器全都大量采用DSP技术,而且愈来愈多的频谱分析仪都是如此。然而,一般来说,采用DSP技术的频谱分析仪和信号分析仪在规范和预计的应用上则大不相同。信号分析仪能以较快的速度捕获数据,能存储具有很长的数字化时域数据记录,能处理矢量(相位及幅度),并能对按照诸如60QAM(64级正交调幅)格式的数字调制的信号进行复杂分析。频谱分析仪通常比信号分析仪小巧、价格也低,但却具有大得多的动态范围。
大多数基于DSP技术的频谱分析仪的框图至少在表面上是与使用传统模拟信号处理技术的频谱分析仪的框图很相似。与采用传统体系结构的频谱分析仪一样,基于DSP的频谱分析仪也大量使用模拟中频信号。然而,在最后一个混频器之后,你会发现除了高速高分辨率ADC和起数字滤波作用的DSP之外就没有模拟滤波器了。采用DSP的频谱分析仪的好处是,选择性提高了(RBW较窄),而且当你减小RBW时扫描速度降低较小。然而,Agilent公司最近宣布,其PSA系列基于DSP技术的频谱分析仪具有矢量调制分析功能。这些功能对于以前仅具有标量(大小)测量能力的频谱分析仪来说是一种重大的变革。
这种普通的体系结构发生重大改革的日子也许不太远了。频谱分析仪可以不使用模拟混频器,而采用ADC作为混频器的一部分。取样率为64Ms/s(取样精度为14位)的ADC已经问世。如果在这样的ADC之前装一个合适的T/H (跟踪保持)放大器,你就可以根据需要的采样精度,故意降低取样率,对远高于ADC的32MHz奈奎斯特频率的通讯信号进行取样。假定你按这样的方式对已调制的200MHz载波进行取样。如果载波频率两侧的边带没有超过采取样频率的一半,又没有其它信号混入基带,那你就能获得这种调制的精确数字化拷贝。
当然,大多数新型数字通讯系统的载波频率范围为2.35~5.8GHz,所以一个包括有一个对已调制的200MHz载波进行放大的T/H放大器的信号分析仪仍然不得不采用混频技术。然而,如今你用不着购买带宽大于200MHz、精度与14位分辨率ADC相当的T/H放大器。这样的T/H放大器虽然还未投入生产,但据说现在是可行的。如果这样的器件投放市场,它们将使体系结构发生变革,从而可从信号分析仪和采用DSP的频谱分析仪中去掉一个或几个变频级。
信号分析仪模块化
美国国家仪器公司(NI)最近宣布的一种模块化2.7GHz信号分析仪打破了此类仪器的诸多规则。PXI-5660(图1)不是一种高档仪器,而是两个3U高度的PXI模块——一个有3个插槽的变频器和一个具有16M字(32M字节)数字转换存储器的一个插槽的14位64Ms/s数字转换器。SFDR(无寄生信号的动态范围)为80 dB,但是你可以牺牲测量速度来达到更大的动态范围。NI公司声称,SFDR为80 dB的测量速度为SFDR相当的仪器级信号分析仪的200倍。
这两个模块加起来仍远小于具有同样功能的仪器级信号分析仪,但不能组成一个完整的分析仪。两个模块可插入一个可装CPU模块、包括必要的电源和其它附加模块的PXI插件箱中。上万美元的基价包括两个模块、一个成套频谱测量软件工具包、调制分析数据和几个驱动器。虽然这个价格远低于仪器级信号分析仪的价格,但该模块化产品还要求另外购买插件箱、CPU、键盘、指针器和显示器。NI公司还建议你购买它的LabView或LabWindows CVI研发环境软件,因为你可能想开发自己的专门应用软件。
前面有关扫描频谱分析仪的RBW和扫描速度之间折衷的讨论将提醒频谱分析仪以及相关仪器的买主和用户,注意这类产品设计有一个重要特点:如果没有实现体系结构上的改革,频谱分析仪设计师一般不可能在相互不影响的情况下提高某个特性或者技术规格。幸运的是,对频谱分析仪的需求不断增长——不仅体现在无线通讯系统的开发、部署和维护方面,而且也体现在EMI(电磁干扰)的测量和控制方面——正在引发这种体系结构上的改革。
然而,频谱分析仪的制造厂商们指出,只要采取一种引人注目的改进措施,就不必改变仪器设计。用户常常可以通过仔细分析他们的应用来修改测试协议,以便在不牺牲测量精度的情况下缩短测试时间。一家制造商估计,用户提出的提高仪器测试速度的各种要求,其中几乎一半可用这样的改进措施来满足。这家制造商建议,在考虑购买附加的仪器之前,在生产测试中使用频谱分析仪的公司应拜访供应商的应用软件工程师,以调查研究这种改进的可能性。尽管制造商总是希望销售更多的仪器,但他们始终认为,帮助他们的客户更加有效地使用现有的仪器是保持用户对他们诚信度的一种重要手段。