测量通道信号中频谱分析仪的应用.docx
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测量通道信号中频谱分析仪的应用
测量通道信号中频谱分析仪的应用
摘要:
频谱分析仪作为一种测量无线信号的仪器,在与电子产品研发、生产和检验有关的行业被广泛应用,是进行信号分析的一个常用的手段。
频谱分析仪在不同的行业其应用的侧重点是有所不同的,比如在电子产品制造行业就会侧重于产品研发与质量检测方面,在广播电视台就会侧重于对信号的检测。
频谱分析仪在在这些行业中应用的工作原理只有两种,企业会根据实际情况会决定采用哪一种工作原理,无论是对信号的检测分析,还是对器件的特性分析,频谱分析仪都发挥了其应有的作用,为相关行业的进步作出了一定贡献。
本文以广播电视信号传输过程为基础,说明了频谱分析仪的工作原理及其在测量通道信号方面的应用,旨在为相关领域提供参考性意见,加强频谱分析仪在广播电视信号监测方面的应用。
关键词:
信道功率邻道泄漏占空带宽谐波失真
中图分类号:
tM935.21文献标识码:
A文章编号:
1007-9416(2015)04-0057-02
频谱分析仪通过对信号的分析完成其工作内容,在电视台的信息传输过程中,其借助的信号传输工具大部分都是卫星。
电视台利用卫星把信号输送出去以后,用频谱分析仪捕捉卫星信标,之后对信号的频谱进行分析。
在频谱分析仪的这一工作过程中,频谱分析仪同时还可以实现对地面站的实时监控,主要观测地面站的工作状态是否良好。
频谱分析仪的用途多种多样,比如对放大器和滤波器等电路系统进行测量,提供工作人员所需要的一些参数,而频谱分析仪在广播电视行业中的应用是不容忽视的。
频谱分析仪对广播电视信号参数的测量主要有调制度、信号失真度、谱纯度、频率稳定度和失调失真等,其工作原理因频谱分析仪的种类而异,目前主要有实时频谱分析仪和扫描调频频谱分析仪,因此,频谱分析仪的工作原理有两种。
其中,扫描调频频谱分析仪是当前应用比较广泛的频谱分析仪。
1频谱分析仪简介
频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器,用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量,可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数,是一种多用途的电子测量仪器。
在频谱分析仪面板上分布着许多按键,其主要功能是调整与控制系统,目前的频谱分析仪主要有两种,分别是实时频谱分析仪和扫描调谐频谱分析仪。
实时频谱分析仪可以为显示在不同领域同一时间出现的信号振幅,针对不同的频率信号,实时频率分析仪设置了与之对应的检知器和滤波器,频率信号同步到多任务扫描器上,当完成这一过程后,扫描器把信号传送到CRT屏幕上。
实时频谱分析仪能够捕捉到周期性杂散波的瞬间反应,但是价格比较昂贵,而且其性能并不稳定,影响因素比较多,比如滤波器的数目、频宽范围和最大的多任务交换时间。
扫描调谐频谱分析仪是当前最常用的频谱分析仪,在使用的过程中把所有的信息传送到CRT的垂直方向板来反馈需要了解的信息,值得注意的是,扫描调谐频谱分析仪中的振荡器是可以进行调变的。
首先由本地振荡器和扫描产生器共同产生振荡频率,然后经混波器与输入信号混波降频后的中频信号再放大,然后滤波和检波被传送到CRT的垂直方向板,在CRT的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系。
2频谱分析仪的实际应用
在实际操作过程中如何正确地使用频谱分析仪,达到频谱分析仪的最大功效,首先要充分了解RBW,从而选择正确的RBW宽度。
RBW是解析频宽的英文缩写,高斯滤波器对解析频宽的影响非常大。
解析频宽在一定条件下可以清楚地区分出两种信号,前提是两种信号不能是同样的频率。
如果频谱分析仪的解析频宽高于两种信号的频宽,那么则说明两种信号趋于一样,此时很难分辨出这两种信号。
当然,在使用频谱分析仪的时候也可以降低解析频宽的数值,这也就等于是降低了两种不同频率的信号区别的标准,可以粗略地分辨出两种信号。
但是也带来不利的影响,如果解析频宽低于信号的频率时,高频率的信号将被过滤掉,导致信号失真。
如果解析频宽高于信号频率,对于宽度信号的侦测也是极有裨益的,同时也将增加噪声底层值,使量测的灵敏度下降,在侦测低强度的信号时容易出现误差。
信号的失真值与设定的解析频宽密切相关,如何设定正确的解析频宽宽度是相关人员应该深入思考的问题。
另一影响信号量测结果的因素是视频频宽,视频频宽代表单一信号显示在屏幕所需的最低频宽,视频频宽的选择是否得当影响着信号量测结果的准确与否,这一内容也应引起相关人员的重视。
当解析频宽大于等于视频频宽时,如果对解析频宽加以调整而信号振幅的变化并不明显,此时才可以采用视频频宽。
解析频宽在量测RF视频载波的时候尤显其重要性,量测RF视频载波必须保证信号的扫描时间,因为信号经设备内部的混波器降频后再加以放大、滤波及检波显示灯流程,解析频宽滤波器将无法跟上信号的扫描流程,导致不能完全充电到信号的振幅峰值。
同时因为解析频宽的宽度与扫描时间呈正比关系,解析频宽的宽度较大,扫描时间就比较快,解析宽度较小,扫描时间也就较慢。
较宽的解析频宽与较低的解析频宽的作用在不同的方面有所显现,比如需要充分反映输入信号的波形与振幅就需要较宽的解析频宽,区别不同频率的信号就可以使用较低的解析频宽。
在使用频谱分析仪的过程中,工作人员也要认识到量测参数的可变化性,根据量测结果和现场状况适时调整视频频宽是保证量测结果准确的必备工作。
3频谱特性
频谱分析仪通过测量信号幅度或功率与频率的关系分析信号频域特性,检测信号传输是否正常。
在面对周期信号的频谱时,人们发现基波分量与各谐波分量的功率各不相同,信号幅度是通过基波和各谐波的幅度与之对应频率的对应关系共同反映的。
放大电路的电压放大倍数与频率的关系称为幅频特性,输出信号与输入信号的相位差与频率之间的关系称为相频特性。
两者统称频率特性。
3.1调幅信号的时域表示
备注:
Ω―调制波的角频率单位为rad(弧度);WC―载波的角频率单位为rad(弧度);MA―调制指数0―1之间的值。
频率图如下图1所示:
3.2脉冲信号的频谱
周期脉冲的时域表示为:
脉冲信号的时域和频域图如图2所示:
4测量通道信号中频谱分析仪的应用
4.1频谱分析仪测量信道功率
频谱分析仪测量信道功率的基础是信道宽带内的功率密度积分,最终达到获得宽带内平均功率的目的。
在使用频谱分析仪时,相关人员必须清楚地知道频谱分析仪虽具有功率测量的功能,但还是区别于专业的功率检测装置。
频谱分析仪进行信道功率测量主要包括两个方面的内容,即信号转换和信号显示。
首先频谱分析仪将射频输入信号转化为中频信号,然后通过包络检波器使信号产生视频电压,最终把视频电压显示在荧光屏上。
包络检波器与频谱分析仪一样不是功率检波器,包络检波器是检波器的一种,在运用到协助通道信号测量中,包络检波器则主要用于检测信道功率的峰值。
在使用包络检波器的时候,通常会设置一个对数放大器,对数放大器可以将频谱测量所需的动态范围压缩成视频能够处理的形式,然后在显示屏上输出。
对数放大器可以充分获得动态显示范围,是包络检波器的辅助工具,在信道功率测量中发挥着不可替代的作用。
应用频谱分析仪测量信道功率有两个必备条件,即信号源输出1000MHz和电平输出0dBm,只有具备这两个条件,频谱分析仪才能准确测量出信道功率的参数。
频谱分析仪测量信道功率的步骤有四个:
第一步将频谱中心频率设置为1000MHz,扫宽设置为1MHz,分辨宽带保证在10KHz,参考电平为0bBm;第二步利用频谱分析仪进行功率测量;第三步将窗口位置设置为1000MHz,窗口宽度设置为300kHz;第四步信道功率在屏幕上显示。
4.2频谱分析仪测量邻道泄露功率
邻道泄漏功率对通讯设备已知信道的泄露功率进行测量,以此来检验通讯设备的信号是否良好,并衡量通讯设备的性能。
根据人们以往的经验,信号泄露会导致通讯设备的性能降低,对邻道用户的通讯质量产生影响。
通过众多的模拟调频系统实验得知,通过仪器可以直接测量出邻道泄露功率,当然这个测量只能在载波是连续并且已经被人们发现的情况下进行。
目前使用广泛的数字载波系统的ACP来进行测量,随着科学技术的进步,这一测量方法的标准逐渐得到完善。
通过对邻道泄露功率的测量,可以调整通讯单元中错误或者不合理的设置,使邻道泄露功率达到标准值,保证通讯设备的性能与通信质量。
利用频谱分析仪测量邻道泄露功率的条件有三个,第一个条件是信号源输出1000MHz,电平输出为0dBm,第二个条件是RBW≤1/40×指定宽带VBW≥RBW,第三个条件则分为两种情况,当有特定的奈奎斯特滤波器的时候,则是扫宽≥2×信道空间+(1+滚降系数)×符号率,在没有特定的奈奎斯特滤波器的时候,扫宽≥2×信道空间+指定宽带。
频谱分析仪测量邻道泄漏功率有以下几个步骤:
设置频谱中心频率为1000MHz,扫宽设置为250kHz,分辨宽带为1kHz,视频宽带为3kHz,参考电平设为0dBm;在这追踪菜单下设置检测和位置,将扫描时间设置为21s,在功率测量菜单下,设置邻道泄漏功率、信道空间和宽带,并在信道空间和宽带设置中轮流输入信道空间50kHz和宽带kHz、信道空间100kHz和宽带kHz;设置奈奎斯特滤波器;把符号率设置为20kHz,滚降系数设置为0.5,同时打开奈奎斯特滤波器;按下图形显示键显示邻道泄漏功率。
4.3频谱分析仪测量占空带宽
占空宽带的测量计算可以在占空宽带的功能下进行,在这个测量过程中,通常对总功率范围中占空比率设置和初始设置都有一定的常用数值参考,而信号幅度基本上以大于等于50dB为最佳值,因为这样可以最大程度地减小误差。
频谱分析仪测量占空带宽的信号输出要保证1000MHz的信号源输出、0dBm的电平输出和300kHz的占空带宽。
测量的步骤分为四个步骤:
设置频谱中心频率为1000MHz、扫宽为1000kHz、参考电平为0bBm;追踪菜单下设置检测和位置;在功率测量下选择占空带宽,并将占空比率设置为95%;在显示屏上显示占空带宽。
4.4频谱分析仪测量谐波失真
一般情况下,传输设置和信号源都含有谐波,对此类谐波失状态进行测量,可以知道传输设置和信号源的工作状况。
使用频谱分析仪是人们常用的测量谐波失真的办法之一,同时这也是频谱分析仪最广泛的用途之一。
频谱分析仪测量的是谐波幅度与信号源频率的相关性,通过这种关系来反映谐波是否失真。
使用频谱分析仪测量谐波的前提条件是信号源输出300MHz、电平输出0dBm和谐波没有经过任何调制。
频谱分析仪测量谐波失真的程序为:
设置频谱中心频率为450MHz,扫宽为500MHz,参考电平为0dBkm,分辨宽带为10kHz,视频宽带为1kHz;然后谐波显示其失真度。
5结语
利用频谱分析仪查找故障的准度是毋庸置疑的,但是,由于频谱分析仪的价格比较昂贵和操作较为复杂,因此一般在故障维修的时候不会被使用。
相较于传统的信号分析显示结果的方式,现代频谱分析仪显示结果的方式则是数字或者模拟信号的频率波动情况,这两种结果显示的方式一目了然,更加方便人们查看。
目前,频谱分析仪分析信号的范围在逐渐变大,已经可以分析1赫以下的甚低频道亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。
实践证明,如果在频谱分析仪的内容采用数字电路和微处理器,那么频谱分析仪则会具备存储和运算功能,而给频谱分析仪配置标准接口,就有可能构成自动测试系统。
随着科技的发展,频谱分析仪在技术上还将有更大的突破。
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