雷达天线系统中的测量仪器（二）
本文摘要：（由ai生成）
频谱分析仪用于测量信号频谱和功率谱，广泛应用于无线通信等领域。其工作原理包括信号混频、中频处理、检波和显示等步骤，利用数字信号处理技术深入研究信号。频谱分析仪还具备自动化功能，通过快速傅里叶变换处理信号。在频谱分析中，时域和频域是重要概念，频谱分析有助于确定信号谐波分量。频谱监测确保无线业务在分配频段内运行，电磁干扰测试评估无用辐射对其他系统的影响。相位噪声和抖动是信号质量的重要参数，对无线通信和数据传输系统性能至关重要。
频谱仪
1. 时域和频域
时域是信号在时间轴随时间变化的总体概括。
频域是把时域波形的表达式做傅立叶等变化得到复频域的表达式，所画出的波形就是频谱图。是描述频率变化和幅度变化的关系。
示波器用来看时域内容，频谱仪用来看频域内容。
时域（时间域-Timedomain）——自变量是时间,即横轴是时间,纵轴是信号的变化。其动态信号x（t）是描述信号在不同时刻取值的函数。
复合时域信号
2. 什么是频谱
频谱是一组正弦波，经适当组合后，形成被考察的时域信号。假定希望看到的是正弦波，但显然图示信号并不是纯粹的正弦形，而仅靠观察又很难确定其中的原因。下图同时在时域和频域显示了这个复合信号。频域图形描绘了频谱中每个正弦波的幅度随频率的变化情况。如图所示，在这种情况下，信号频谱正好由两个正弦波组成。现在知道了为何原始信号不是纯正弦波，因为它还包含第二个正弦分量，在这种情况下是二次谐波。既然如此，时域测量是否过时了呢？答案是否定的。时域测量能够更好的适用于某些测量场合，而且有些测量也只能在时域中进行。例如纯时域测量中所包括的脉冲上升和下降时间、过冲和振铃等。
信号的时域和频域关系
谐波失真测量
频谱监测是频域测量的又一重要领域。政府管理机构对各种各样的无线业务分配不同的频段，例如广播电视、无线通信、移动通信、警务和应急通信等其他业务。保证不同业务工作在其被分配的信道带宽内是至关重要的，通常要求发射机和其他辐射设备应工作于紧邻的频段。在这些通信系统中，针对功率放大器和其他模块的一项重要测量是检测溢出到邻近信道的信号能量以及由此所引起的干扰
3. 频谱仪原理
下图是一个超外差频谱分析仪的简化框图。“外差”是指混频，即对频率进行转换，而“超”则是指超音频频率或高于音频的频率范围。从图中我们看到，输入信号先经过一个衰减器，再经低通滤波器到达混频器，然后与来自本振（LO）的信号相混频。
由于混频器是非线性器件，其输出除了包含两个原始信号之外，还包含它们的谐波以及原始信号与其谐波的和信号与差信号。若任何一个混频信号落在中频（IF）滤波器的通带内，它都会被进一步处理（被放大并可能按对数压缩）。基本的处理过程有包络检波、低通滤波器进行滤波以及显示。斜波发生器在屏幕上产生从左到右的水平移动，同时它还对本振进行调谐，使本振频率的变化与斜波电压成正比。
频谱分析仪通常使用线性刻度来表示水平轴或 x 轴上的频率，但通常使用对数刻度来表示垂直轴或 y 轴上的振幅。通过使用对数或分贝标度作为振幅标度，可以看到幅度差异较大的信号。在频谱分析仪上查看的信号可能相差 60dB、70 dB 或更多。使用对数刻度是在同一屏幕上查看这些信号的唯一方法。对于某些应用，可能需要使用线性振幅刻度，并且通常有一个开关来实现这一点。
现代频谱分析仪具有很高的功能。由于大多数使用数字技术，因此不仅使用快速傅里叶分析（FFT）的数字信号处理来完成信号处理，而且前面板控件和显示器也使用控制处理器进行控制。这使得频谱分析仪能够整合许多功能，并包括大量的自动化例程。显示器通常可以确定峰值信号，显示其频率和功率电平，或者它可以确定特定点的信号值，或第二个峰值的值等。
3.1 射频输入衰减器
分析仪的第一部分是射频衰减器。射频衰减器是射频和微波电路及系统的基本组成部分。衰减器应用于射频应用中，在接收机、发射机、测试和测量等系统中发挥着重要的作用。衰减器的主要目的是降低信号强度，譬如在信号到达敏感电路元件之前。衰减器可以使用各种技术制造，了解其各项性能可以帮助工程师选择适合其应用的最佳衰减器。最常见的射频衰减器类型之一是射频同轴衰减器，它与射频同轴系统串联使用，以降低衰减器输出处的信号电平。
衰减器只是沿着信号路径降低所需或不需要的信号强度。它们可用于在灵敏的测试和测量接收机之前降低被测设备的输出信号，以确保更符合保形的阻抗匹配，或确保精确控制发射机输出处的信号幅度。设备的衰减水平——信号功率/电压通过设备损失的量——通常用分贝（dB）或电压比来测量。
射频衰减器通常放置在反射组件/设备的输出和输入处，如滤波器、混频器等。通过这种方式，反射电压不会形成驻波，而是迅速衰减。由于射频衰减器有助于抑制不匹配端口之间反射的重要性，因此射频衰减器通常用于在不同端口阻抗之间提供一定程度的阻抗匹配。这不是一个完美的匹配场景，但射频衰减器确实缓解了与连接不匹配端口相关的一些问题，例如导致驻波更快衰减和防止驻波发展。
最常见的衰减器是宽带衰减器。但是某些衰减器类型和技术可能具有与频率相关的性能和局限性。尽管终端也会降低系统负载下的信号强度，但衰减器与终端不同，因为它们与信号路径相连。衰减器基于无源电阻器、吸收材料/技术、PIN二极管或场效应晶体管（FET）技术。此外，衰减器可以由同轴传输线、带状线、表面安装以及波导互连技术开发。这些不同技术的性能和物理特性差异很大，施工质量和成本也有助于提高性能、热性能和物理性能。
衰减器有固定衰减器和可调衰减器两种。可调节类型的衰减器可以具有离散衰减水平的开关衰减器，也可以是具有模拟调节的连续可变衰减器。这两种类型都可以设计为具有电气或机械控制。一些衰减器通过数字信号甚至软件进行编程控制。它的作用是保证信号在输入混频器时处在合适的电平上，从而防止发生过载、增益压缩和失真。由于衰减器是频谱仪的一种保护电路，所以它通常是基于基准电平值而自动设置，不过也能以10 dB、5 dB、2 dB甚至 1 dB 的步进来手动选择衰减值。下图所示是一个以 2 dB 为步进量、最大衰减值为 70 dB 的衰减器电路的例子。
参数已设定的典型频谱分析仪显示图
3.2 低通滤波器或预选器
低通滤波器的作用是阻止高频信号到达混频器。从而可以防止带外信号与本振相混频，在中频上产生多余的频率响应。微波频谱分析仪用预选器代替了低通滤波器，预选器是一种可调滤波器，能够滤掉我们所关心的频率以外的其他频率上的信号。
对于频谱测试，射频前端的预选器至关重要，这是实现准确频谱测试的重要前提！预选器实际上就是一个滤波器，实际应用中，要么是低通滤波器，要么是可调谐带通滤波器。在低频频谱测试时，频谱仪通常采用低通滤波器作为预选器；而在高频段，频谱仪通常采用YIG (Yttrium Iron Garnet，钇铁石榴石铁氧体) 滤波器作为预选器。采用YIG技术的带通滤波器，一方面可以覆盖到更高频率(高达50GHz)，另一方面在调谐中心频率时，滤波器的相对带宽变化很小，从而保证了频谱的准确测试
没有一种振荡器是绝对稳定的。虽然看不到频谱分析仪本振系统的实际频率抖动，但仍能观察到本振频率或相位不稳定性的明显表征，这就是相位噪声（有时也叫噪声边带）。
相位噪声定义为由信号中发生的短期相位波动引起的电噪声。这些随机波动是由称为抖动的时域不稳定性引起的。
抖动定义为高频信号中信号脉冲的偏差。偏差可以是幅度、相位时序或信号脉冲的宽度。
相位噪声和抖动是时钟性能相同信息的两种不同测量值。相位噪声是频域中的测量性能，抖动是时域中的测量性能。
A.相位噪声幅度：相位噪声规格的电平或幅度相对于载波以dB表示。这通常表示为 dBc，例如，-50dBc 表示与载波的电平低 50 分贝。之所以采用这种测量方法，是因为相位噪声通常随载波电平的变化而变化。当相位噪声随载波电平变化时，规范可以规定在给定载波电平下相位噪声为– n dBc。
B.与载波的偏移：相位噪声规范的一个重要部分是相位噪声达到一定水平时与载波的偏移。这是因为噪声水平根据载波的频率偏移而变化，频率偏移必须由元件供应商给出。通常，相位噪声在靠近载波时上升得更快，然后逐渐消失，直到最终达到本底噪声。1 kHz、10 kHz、100 kHz 等的偏移是通常引用的偏移。
C.测量带宽：噪声功率与带宽成正比，因此有必要说明已使用的带宽。使用的带宽越宽，通过滤波器并被测量的噪声水平就越大。最方便使用的带宽是 1 Hz，因为很容易将此电平与其他带宽相关联。因此，这种相位噪声规范格式几乎被普遍采用。频谱分析仪无法直接在1 Hz带宽内进行测量，因为这需要非常窄的滤波带宽。因此，它们在更宽的带宽下测量信号，并在数学上将电平调整为 1 Hz 带宽的电平。
频谱分析仪和示波器图上显示的相位噪声图
在某种程度上，所有信号都存在相位噪声。在大多数应用中，相位噪声水平并不是特别重要，但在其他应用中，如SONET、RF通信和蜂窝通信，它对系统的整体运行至关重要。通过正确选择振荡器及其使用位置，可以减轻相位噪声的量。为了满足所有类型无线电系统的要求，需要进行改进，相位噪声是一个越来越重要的参数。
什么是抖动
抖动是信号的周期与周期之间与其完美对称性的不一致。它可以采取多种形式：边沿或相位抖动测量为时间间隔误差和周期，或周期间抖动是相邻周期周期之间的差值。抖动可以通过两种变体来测量和定义：随机抖动或确定性抖动。随机抖动通常是不相关的，因为峰值抖动值会随着时间而增加。确定性抖动元件是相互连接的，并且不会随时间增加。下面的示波器图显示了抖动。
如何测量抖动
所有不同类型的抖动测试都包含三个要素：
1.被测设备 （DUT） – 要测量的组件。
2.参考振荡器 – 系统时钟需要具有更好的稳定性性能 DUT。
3.电源 – 清洁电源提供准确且可重复的测试。
测试应使用校准的测量设备进行，例如：
1.示波器
2.频率计数器
3.信号完整性分析仪
进行时域抖动测量
可以使用示波器进行时域抖动测量。示波器可轻松查看波形和脉冲。大多数供应商提供抖动测量测试数据包，但需要额外付费。具有高采样带宽 （10GS/s+） 的高速 （1GHz+） 示波器应该足以收集所需的数据。请记住，时域抖动测量，特别是周期和周期间的测量，是随机的，并且是多个样本的平均值。JEDEC 标准 65 要求至少 1,000 个样本，但大多数工程师似乎更喜欢 10,000 个样本率。
周期抖动
周期抖动是测量的时钟周期与理想周期之间的差值。理想周期可能难以辨别，因此将平均观测周期视为理想周期更为实用。这是计时设备制造商提供更准确规格的常见做法。测量周期抖动的标准程序包括随机测量一个时钟周期的持续时间 10,000 次，并使用记录的数据计算平均值、标准偏差和峰峰值。由于周期抖动的随机性，峰峰值可能会有很大差异。可能需要重新测试周期抖动几次才能获得真正的平均值。
循环到循环000
测量周期间抖动的过程需要测量两个完整时钟周期的持续时间 10,000 次，并取两者之间的差值。记录的数据用于计算均值和标准差值。峰值只是观察到的周期的最大差异。如前所述，在确定周期抖动时，峰峰值可能会有很大差异，因此周期到周期抖动通常需要重新测试几次才能得出平均值。
时间间隔误差 （TIE） 抖动
由信号中发生的短期相位波动引起的电相位噪声是由称为抖动的时域不稳定性引起的。抖动是高频信号中信号脉冲在许多方面的偏差。作为频率质量和定时信号完整性的指标，相位噪声和抖动始终相互关联。但是，最好记住，他们的指标通常是单独查看的。
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