突破寬帶信號分析瓶頸：全新FSWX解決現(xiàn)有頻譜分析儀局限

By Dr. Wolfgang Wendler, Product Management Signal and Spectrum Analyzer at Rohde & Schwarz

當前頻譜分析儀面臨多重挑戰(zhàn)：現(xiàn)代射頻應用要求更高的數(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，但現(xiàn)有設備在寬頻帶、大功率范圍測試中往往動態(tài)范圍不足。羅德與施瓦茨全新推出的FSWX實現(xiàn)了寬帶信號分析領(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。

在寬帶信號分析層面，雷達、衛(wèi)星或移動通信領(lǐng)域的新興射頻技術(shù)器件表征測試面臨諸多挑戰(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具有重復性。通過多次平均相同的IQ數(shù)據(jù)，可以減少隨機高斯噪聲，而信號或IQ向量在所有接收過程中保持一致。這種方法能夠增強動態(tài)范圍，并最小化測量儀器引入的噪聲。盡管這種方法已在當前的分析儀中得到應用，但它仍然存在一些局限性。

在沒有重復信號的情況下，我們采用互相關(guān)技術(shù)來克服動態(tài)范圍的限制。這種技術(shù)需要兩個信號分析儀，并且它們必須進行時間同步，這就需要額外的信號處理來進行互相關(guān)計算。遺憾的是，這不僅增加了測量的復雜性，也提高了測試成本。

其他儀器如示波器，可能為此類應用提供兩個或更多的輸入通道。但示波器的動態(tài)范圍有限。因為其模數(shù)轉(zhuǎn)換器針對寬帶信號的數(shù)字化進行了優(yōu)化，這一特性即使在應用互相關(guān)技術(shù)侯也無法改善情況。具有多個輸入通道的PXI模塊通常具有更寬的動態(tài)范圍，但缺乏預選造成帶外信號落入鏡像頻率或不混頻產(chǎn)物落入帶內(nèi)的動態(tài)范圍問題。

全新儀器架構(gòu)，拓展測量能力

羅德與施瓦茨創(chuàng)新設計的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)通過前端預選有效消減鏡頻干擾及雜散信號，其內(nèi)置互相關(guān)模式可一鍵啟動，無需外接功分器與附加校準流程。當雙射頻端口直連接收單元時（無需內(nèi)置功分器），多接收路徑可全面支持5G、WLAN等現(xiàn)代無線通信標準及雷達應用。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)，開拓全新測試能力

互相關(guān)技術(shù)—精準提升相位噪聲測量性能

實施互相關(guān)技術(shù)對測試能力的提升不僅在動態(tài)范圍，還可以得到傳統(tǒng)頻譜分析儀無法獲得的測量結(jié)果。這種技術(shù)已經(jīng)在專業(yè)的相位噪聲測試儀中得到應用，例如羅德與施瓦茨的FSWP和FSPN，它們利用互相關(guān)技術(shù)在相位噪聲測量中抑制內(nèi)部本振的相位噪聲。這一點很重要，因為現(xiàn)代通信應用通常在更高頻率下運行，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正確的星座點變得困難。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。出于這個原因，必須準確測量合成器或振蕩器，以確保優(yōu)化的相位噪聲性能。因此，現(xiàn)代通信應用通常需要昂貴的相位噪聲測試儀和良好的信號與頻譜分析儀。這是由于分析儀因內(nèi)部本振導致測量性能受限。而FSWX僅需單臺儀表，即可完成振蕩器與合成器的相位噪聲測量優(yōu)化。

當有非期望信號出現(xiàn)在鏡像頻率或非期望混頻產(chǎn)物落入測量帶內(nèi)時，沒有預選會限制測量的動態(tài)范圍。

這些濾波器還會造成在信號在幾dB范圍內(nèi)的強烈波動，這阻礙了它們在IQ分析中的使用。 因為不再存在YIG濾波器頻響波動導致的精度惡化。對于IQ分析，必須繞過YIG濾波器，鏡像頻率上的噪聲或不需要的信號會導致測量結(jié)果惡化。

因為雜散信號出現(xiàn)在不同的頻率上。一個簡單的NAND與非操作就可以抑制這些固有的非期望發(fā)射信號。

在這種情況下可以使用矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA），但當需要為調(diào)制信號條件進行帶寬拼接時，過程可能會變得緩慢

圖2展示了當相位噪聲增加時，一個采樣率為20 MHz的QPSK信號性能如何下降。在100 kHz偏移處，相位噪聲為-95 dBc/Hz時，星座圖非常清晰。然而，隨著相位噪聲的增加，信號質(zhì)量會惡化。在-80 dBc/Hz時，從信號中解碼正確的數(shù)據(jù)變得相當困難。系統(tǒng)必須退回到BPSK調(diào)制， 這會降低數(shù)據(jù)速率。對于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。這說明了需要具有互相關(guān)能力的儀表來準確測量相位噪聲，從而優(yōu)化振蕩器和合成器。

圖2：相位噪聲性能對于實現(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

對于現(xiàn)代雷達應用來說，探測具有小雷達截面（RCS）的目標，如無人機，變得越來越重要。這需要提高這些應用的測試設備靈敏度。這項工作的關(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的小目標的RCS反射。

除了減少相位噪聲和抑制寬帶輸入噪聲外，檢測系統(tǒng)中的小雜散信號和干擾也至關(guān)重要。這些小信號可能被誤認為是目標，限制了雷達的靈敏度。目前，信號和頻譜分析儀可以檢測這些微弱的無用干擾。但要看到接近噪底的雜散信號，頻譜分析儀的分辨率帶寬（RBW）需要降低到僅僅幾赫茲。這會顯著減慢測量速度，因為濾波器的穩(wěn)定時間需要延長。因此，這種技術(shù)需要較長的測量時間來表征系統(tǒng)并檢測無用干擾。

FSWX的多路徑架構(gòu)通過互相關(guān)技術(shù)將分析儀本底噪聲抑制至理論極限，且無需降低分辨率帶寬 (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現(xiàn)更快速的掃描。

圖3中藍色跡線為互相關(guān)檢測器測量結(jié)果，對比黃色RMS檢測器跡線可見：在1 MHz分辨率帶寬(RBW)條件下，RMS檢測器幾乎無法識別雜散信號——甚至完全不可見。

圖3：FSWX互相關(guān)技術(shù)僅需微增測量時長即可顯著降低測試本底噪聲—藍色跡線成功揭示黃色跡線中隱現(xiàn)的雜散信號。

破解YIG濾波器與預選濾波器的寬帶技術(shù)困局

標準信號分析儀在進行寬帶調(diào)制分析時，缺乏在微波頻率下進行IQ分析的預選功能。在達到幾個GHz的特定頻率之前，信號被上變頻到一個較高的中頻，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引入過多的噪聲。因此，在這些頻率下，需要使用YIG濾波器進行預選，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。這些濾波器還會造成在信號在幾dB范圍內(nèi)的強烈波動，這阻礙了它們在IQ分析中的使用。對于IQ分析，必須繞過YIG濾波器，鏡像頻率上的噪聲或不需要的信號會導致測量結(jié)果惡化。

為克服這一挑戰(zhàn)，F(xiàn)SWX使用濾波器組進行預選。它們帶寬更寬且展現(xiàn)出平坦的頻率響應，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，同時抑制鏡像。這增加了動態(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，連續(xù)波載波或雜散信號的電平測量絕對誤差顯著減小，因為不再存在YIG濾波器波紋導致的劣化。因此，F(xiàn)SWX在微波范圍內(nèi)通過預選實現(xiàn)1 dB甚至更優(yōu)的電平測量不確定度，使得某些應用中不再需要額外的功率傳感器。這使得雷達應用的雜散電平能被準確標定。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，而YIG濾波器通常具有更優(yōu)的帶外信號抑制能力

對于需要在寬頻率范圍內(nèi)掃描的頻譜分析，YIG濾波器可能相當緩慢且不準確。用于預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，因為它們切換的速度比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。當需要進行窄帶頻譜分析以檢測最小的無用干擾時，分析儀可以使用YIG濾波器。同時分析儀可以使用濾波器組進行IQ分析或提高測量速度。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搜索的有用工具。這是因為當使用不同的中頻接收路徑頻率進行測量時，頻譜分析儀固有的與LO相關(guān)的雜散信號可以很容易地被抑制，因為雜散信號出現(xiàn)在不同的頻率上。一個簡單的NAND操作就可以抑制這些固有的不需要的輻射。

簡化相控陣天線測試的設置

航空航天、移動通信和汽車雷達中的波束控制應用經(jīng)常使用相控陣天線。這些天線需要精確對齊并測試不同發(fā)射路徑之間的相位。如果在初始相位校準階段，信號分析儀設置能夠測量具有多個相參路徑的場景會怎樣？每個通道都必須是相參的，以精確控制波束。這也有助于評估在調(diào)制條件下的相控陣天線，其中一個振子需要與第n個振子進行比較，如圖5所示。

圖5：調(diào)制工況下相控陣天線測試需執(zhí)行首陣元與第n陣元的相位比對

在這種情況下可以使用矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA），但當需要為調(diào)制條件進行拼接時，過程可能會變得緩慢?；蛘?，可以使用示波器，但這會帶來動態(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態(tài)范圍，但這兩種解決方案通常都不使用預選。沒有預選，鏡像頻率上的信號可能會進一步限制動態(tài)范圍，克服這些限制需要的測試環(huán)境和設置可能變得相當復雜且容易出錯。

雷達測試：信號干擾的影響

為分析不同通信制式信號（跨頻段）、或通信與雷達信號的互擾，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：其各信號接收路徑（如衰減器、前置放大器增益）無法獨立配置，從而嚴重限制復雜場景的動態(tài)范圍——例如當強移動通信信號存在時，雷達設備微弱高次諧波的精準檢測。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)，賦予用戶獨立配置本振頻率、輸入增益及衰減參數(shù)的能力?；诖藙?chuàng)新架構(gòu)，該設備可實現(xiàn)觸發(fā)頻率與測量頻率的完全分離——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6 GHz雷達信號的受擾情況（詳見圖6示例）。

圖6：分析2.45 GHz Wi-Fi信號對6 GHz雷達信號的影響

突破效能局限—調(diào)制器件分析新利器

FSWX的雙通道同步測量功能（支持同頻或異頻信號）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。對于具有不同頻率設置的上變頻器和下變頻器，也可以進行這樣的操作。兩個信號將被同時捕獲，甚至不需要知道輸入信號的調(diào)制；用戶可以直接比較IQ數(shù)據(jù)。

測試DRFMs

可利用FSWX的上述功能，實時監(jiān)測設備輸入/輸出端信號并分析其幅相特性。該設備能同步采集調(diào)制脈沖雷達信號在數(shù)字射頻存儲器（DRFM）處理前后的雙路數(shù)據(jù)，精準表征幅相動態(tài)變化，進而單機優(yōu)化干擾系統(tǒng)效能。

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

結(jié)論

應對新興技術(shù)挑戰(zhàn)時，當代信號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：通過集成多接收路徑、輸入預選與內(nèi)置互相關(guān)技術(shù)，該儀表可顯著拓展動態(tài)范圍、提升測量速度，并大幅簡化測試配置。

Box:

FSWX信號與頻譜分析儀：測量未至之境

羅德與施瓦茨FSWX信號與頻譜分析儀作為業(yè)界首款多通道多端口機型，開創(chuàng)信號分析新維度。其革命性多路徑架構(gòu)搭載創(chuàng)新的互相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)突破性動態(tài)范圍表現(xiàn)；結(jié)合超低相位噪聲（保障信號純度）、卓越無雜散動態(tài)范圍及頂尖殘余EVM性能，締造市場無可匹敵的射頻測試標桿。該設備內(nèi)置8GHz超寬分析帶寬，可深度解析復雜調(diào)制波形；配合高速測量引擎與可定制分析工具，為前沿射頻應用樹立性能新高度：從有源器件測試、尖端汽車雷達驗證、復雜機載場景，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)。

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