1.4.2 通信系统测量的常用仪器

通信系统测量的常用仪器有频谱分析仪、矢量信号分析仪和逻辑分析仪等。

1.频谱分析仪

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，在频域可分析并显示输入信号的频谱特性。常用于分析和研究信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，还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。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。内部若采用数字电路和微处理器，就具有存储和运算功能，再配置标准接口，很容易构成自动测试系统。

1）频谱分析仪分类

频谱分析仪依据信号处理方式的不同，分为实时频谱分析仪（Real-Time Spectrum Analyzer）和扫描调谐频谱分析仪（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer）两种类型。

（1）实时频率分析仪

实时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅。其工作原理是针对不同的频率信号采用相对应的滤波器与检测器，再经由同步的多工扫描模块将信号传送到 CRT 或液晶等显示屏进行显示，其优点是能显示周期性杂散波（Periodic Random Waves）的瞬间变化，缺点是性能受限于频带范围、滤波器的数目以及最大的多工交换时间（Switching Time）。

（2）扫描调谐频谱分析仪

最常用的频谱分析仪是扫描调谐频谱分析仪，其基本结构类似于超外差式接收机。输入信号经衰减器直接输入到混频器，可变调谐的本地振荡器经与显示单元同步的扫描发生器产生的随时间作线性变化的振荡频率，经混频器与输入信号混波降频后的中频信号（IF）再放大，滤波与检波传送到显示单元的垂直输入，因此在显示单元纵轴所显示的信号振幅与频率具有对应关系。影响信号反应的重要部分为滤波器带宽，滤波器相应为高斯滤波特性。影响测量结果的是解析带宽（RBW，Resolution Bandwidth）。RBW代表两个不同频率的信号能够被清晰分辨出来的最低频宽差异，两个不同频率的信号频宽低于频谱分析仪的RBW时，两信号将产生重叠，难以分辨，较低的RBW固然有助于不同频率信号的分辨与测量，但将滤除被测信号中较高频率成份，导致信号显示时产生失真，失真值与设定的RBW密切相关，较高的RBW固然有助于宽频带信号的测量，将增加噪声系数（Noise Floor），降低量测灵敏度，在测量低电平信号时易产生较大误差，因此适当选择RBW宽度是正确使用频谱分析仪的重要环节。

现代频谱分析仪基于快速傅里叶变换（FFT），通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的效果。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模/数转换器（ADC）对输入信号取样，再经 FFT 处理后获得频谱分布图。为获得良好的线性度和分辨率，对信号进行数据采集时，ADC的取样率应满足奈奎斯特准则，即至少等于输入信号最高频率的2倍。如频率上限是100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有200MS/s的取样率。目前半导体工艺水平可制成分辨率8位和取样率4GS/s的ADC 或者分辨率12位和取样率800MS/s的ADC，或者说原理上可达到2GHz的分析带宽。为了扩展频率上限，还可在ADC前端增加下变频器，组成混合式的频谱分析仪，使之工作到更高的频段。

2）主要技术指标

频谱分析仪的主要技术指标包括：频率范围、分辨率、分析谱宽、分析时间、扫频速度、灵敏度、显示方式和假响应。

（1）频率范围

频谱分析仪进行正常工作的频率区间即为频率范围。现代频谱仪的频率范围可从低于1Hz直至300GHz。

（2）分辨力

频谱分析仪在屏显示器上能够区分最邻近的两条谱线之间频率间隔的能力，称为频谱分析仪的分辨力。它是频谱分析仪最重要的技术指标之一。分辨力的大小与滤波器型式、波形因数、带宽、本振稳定度、剩余调频和边带噪声等因素有关，扫频式频谱分析仪的分辨力还与扫描速度有关。分辨带宽越窄越好。现代频谱仪在高频段分辨力可达10～100Hz。

（3）分析谱宽

频谱分析仪在一次测量分析中所能显示的频率范围称为频率跨度。一般等于或小于分析仪的频率范围，通常可以人为进行调整。

（4）分析时间

频谱分析仪完成一次频谱分析所需的时间定义为分析时间。分析时间与分析谱宽和分辨力有密切关系。对于实时式频谱分析仪，分析时间不能小于其最窄分辨带宽的倒数。分析谱宽与分析时间之比，也就是扫频的本振频率变化速率，即扫频速度。

（5）灵敏度

频谱分析仪显示微弱信号的能力称为灵敏度。频谱分析仪的灵敏度受内部噪声的制约，通常要求灵敏度越高越好。频谱分析仪的动态范围指在显示屏上可同时观测的最强信号与最弱信号之比。现代频谱分析仪的动态范围可达80dB。

（6）显示方式

显示方式指频谱分析仪显示的幅度与输入信号幅度之间的函数关系。通常有线性显示、平方律显示和对数显示三种显示方式。

（7）假响应

显示器上出现不应有的谱线称为假响应。这对超外差系统是不可避免的，应设法抑制到最小，现代频谱分析仪假响应可抑制到小于-90dBm。

频谱分析仪是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具，应用十分广泛，因此常被称为工程师的射频万用表。

2.矢量信号分析仪

矢量信号分析仪是把时域、频域和调制域分析集于一体的专业测量仪器，具有内部的扫频频率源或可控制的外部信号源，有些还自带有数字调制信号源，使用不同的解调器可对不同制式信号进行分析。其功能是测量对输入该扫频信号的被测电路的增益与相位。

矢量信号分析仪与频谱分析仪最大的区别在于：频谱分析仪需要测量未知的和任意的输入频率，而矢量信号分析仪则只测量自身的或受控的已知频率；频谱分析仪只测量输入信号的幅度（标量），矢量信号分析仪可同时获得被测信号的幅度和相位（矢量）。

1）主要功能

矢量信号分析仪主要用于分析复杂的时变信号，这些信号包括突发信号、瞬变信号、跳频信号、脉冲信号以及模拟与数字调制信号。

（1）利用“射频示波器”功能可对复杂时变信号进行时域分析。

（2）基于快速傅里叶变换（FFT）可进行高性能频谱分析和时间选通频谱分析。

（3）可分析单次出现信号，可分析I与Q基带信号。

（4）可分析各种已调信号，包括 BPSK、QPSK、OPSK、DQPSK、QAM、MSK、VSB、FSK等非标准格式，以及GSM、CDMA、NADC、DECT等标准格式。

（5）以各种方式或表格显示被测结果，星座图、网格图、眼图以及误差矢量图是分析数字调制信号的工具。

2）矢量信号分析仪的指标及术语

（1）互调失真：当两个频率分量以上的合成信号通过非线性电路后，在其输出信号中除了原有各频率分量及其相应的各谐波分量外，还会产生各阶频率分量的和频和差频分量，这种因相互调制产生组合频率成分而引起的失真，称其为互调失真。

（2）矢量坐标图：在坐标平面（Q平面）上用相应的点表示经数字调制后的矢量信号的瞬时值称为坐标图（或状态图）。

（3）误差矢量：等于测量到的矢量与参考矢量的矢量差。

（4）误差矢量幅度：等于误差矢量的幅度，通常表示为ocrernudV对参考矢量峰值的百分比。

（5）矢量幅度误差：等于测量到的矢量的幅度与参考矢量的幅度之差。

（6）原点偏移：等于测量到的原点与参考的原点之差，通常表示为对参考矢量峰值比的对数的20倍，即分贝单位。

（7）频率偏移：等于测量到的矢量的瞬时频率与参考矢量的瞬时频率之差。测量以上参数时，矢量信号把测得的每个矢量与参考信号的对应矢量逐一比较，求出差值。

3.逻辑分析仪

逻辑分析仪是数字通信等数字系统设计与开发中必不可少的仪器，它能够检验数字电路与系统是否正常工作，帮助用户查找并排除故障。逻辑分析仪每次可捕获并显示多个信号，分析这些信号的时间关系和逻辑关系；对于那些难以捕获的、间断性故障，逻辑分析仪可以检测低频瞬态干扰，以及是否违反建立、保持时间。在软/硬件系统集成中，逻辑分析仪可以跟踪嵌入软件的执行情况，分析程序执行的效率，便于系统最后的优化。有些逻辑分析仪还可将源代码与设计中的特定硬件活动相互关联。其工作过程包括数据采集、存储、触发、显示。

由于它采用数字存储技术，可将数据采集和显示工作同时进行或分开进行，必要时，对所存储的数据可以反复进行显示，以利于对问题的分析和研究。

测试时将被测系统接入逻辑分析仪，使用逻辑分析仪的探头（逻辑分析仪的探头是将若干个探极集中起来，其触针细小，以便于探测高密度集成电路）监测被测系统的数据流，形成并行数据送至比较器，输入信号在比较器中与外部设定的门限电平进行比较，大于门限电平值的信号在相应的线上输出高电平，反之输出低电平时对输入波形进行整形。经比较整形后的信号送至采样器，在时钟脉冲控制下进行采样。被采样的信号按顺序存储在存储器中。采样信息以“先进先出”的原则组织在存储器中，得到显示命令后，按照先后顺序逐一读出信息，按设定的显示方式进行被测量的显示。

1）逻辑分析仪显示方式

逻辑分析仪将被测数据信号用数字形式写入存储器后，可以根据需要通过控制电路将内存中的全部或部分数据稳定的显示在屏幕上。通常有以下几种显示方式。

定时显示：定时显示是以逻辑电平表示的波形图的形式将存储器中的内容显示在屏幕上，显示的是一串经过整形后类似方波的波形，高电平代表“1”，低电平代表“0”。由于显示的波形不是实际波形，所以也称为“伪波形”。

状态表显示：状态表显示是以各种数值如二进制、八进制、十进制、十六进制的形式将存储器中的内容显示在屏幕上。

图解显示：图解显示是将屏幕的X方向作为时间轴，将Y方向作为数据轴进行显示的一种方式。将欲显示的数字量通过D/A变换器转变成模拟量，将此模拟量按照存储器中取出的数字量的先后顺序显示在屏幕上形成一个图像的点阵。

映像显示：映像显示是将存储器中的全部内容以点图形式一次显示出来。它将每个存储器字分为高位和低位两部分，分别经X，Y方向D/A变换器变换为模拟量，送入显示器的X与Y通道，使每个存储器字点亮屏幕上的一个点。

2）逻辑分析仪的分类

逻辑分析仪分为两大类：逻辑状态分析仪（Logic State Analyzer，LSA）和逻辑定时分析仪（Logic Timing Analyzer，LTA）。这两类分析仪的基本结构是相似的，主要区别表现在显示方式和定时方式上。

逻辑状态分析仪用字符0、1或助记符显示被检测的逻辑状态，显示直观，可以从大量数码中迅速发现错码，便于进行功能分析。逻辑状态分析仪用来对系统进行实时状态分析，检查在系统时钟作用下总线上的信息状态。它的内部没有时钟发生器，用被测系统时钟来控制记录，与被测系统同步工作，主要用来分析数字系统的软件，是跟踪、调试程序、分析软件故障的有力工具。

逻辑定时分析仪用来考察两个系统时钟之间的数字信号的传输情况和时间关系，它的内部装有时钟发生器。在内时钟控制下记录数据，与被测系统异步工作，主要用于数字设备硬件的分析、调试和维修。

3）逻辑分析仪的主要特点

逻辑分析仪的作用是利用便于观察的形式显示出数字系统的运行情况，对数字系统进行分析和故障判断。其主要特点如下：

● 有足够多的输入通道；

● 具有多种灵活的触发方式，确保对被观察的数据流准确定位（对软件而言可以跟踪系统运行中的任意程序段，对硬件而言可以检测并显示系统中存在的毛刺干扰）；

● 具有记忆功能，可以观测单次及非周期性数据信息，并可诊断随机性故障；

● 具有延迟能力，用以分析故障产生的原因；

● 具有限定功能，实现对欲获取的数据进行挑选，并删除无关数据；

● 具有多种显示方式，可用字符、助记符、汇编语言显示程序，用二进制、八进制、十进制、十六进制等显示数据，用定时图显示信息之间的时序关系；

● 具有驱动时域仪器的能力，以便复显待测信号的真实波形及有利于故障定位；

● 具有可靠的毛刺检测能力。

4）逻辑分析仪的主要技术指标

（1）通道数

在需要逻辑分析仪的地方，要对一个系统进行全面的分析，就应当把所有应当观测的信号全部引入逻辑分析仪当中，这样逻辑分析仪的通道数至少应当是：被测系统的字长（数据总线数）+被测系统的控制总线数+时钟线数。这样，对于一个8位机系统，就至少需要34个通道。现在的主流产品的通道数高达34通道。

（2）定时分辨率

在定时采样分析时，要有足够的定时分辨率，就应当有足够高的定时分析采样速率，但是并不是只有高速系统才需要高的采样速率，现在的主流产品的采样速率高达2GS/s，在这个速率下，我们可以看到0.5ns时间段的细节。

（3）状态分析速率

在状态分析时，逻辑分析仪采样基准时钟就用被测试对象的工作时钟（逻辑分析仪的外部时钟）这个时钟的最高速率就是逻辑分析仪的高状态分析速率。也就是说，该逻辑分析仪可以分析的系统最快的工作频率。现在的主流产品的定时分析速率为300MHz，最高可高达500MHz甚至更高。

（4）每通道的记录长度

逻辑分析仪的内存是用于存储它所采样的数据，以用于对比、分析、转换，如将其所捕捉到的信号转换成非二进制信号（汇编语言、C语言、C++等），在选择内存长度时的基准是：大于被观测的系统可以进行最大分割后的最大块的长度。

（5）逻辑分析仪的测试夹具

逻辑分析仪通过探头与被测器件连接，测试夹具起着很重要的作用，测试夹有很多种，如飞行头和苍蝇头等。

逻辑分析仪的基本取向近年来在计算机与仪器的不断融合中找到了解决的办法。着重解决导向和发展能力，亦即仪器如何动作和如何构建有特色的结构。导向采用微软的 Windows 接口，它非常容易驱动。改进信号发现能力必然涉及仪器结构的变动。在所有要处理的数据中着重处理与时间有关联的数据，不同类型的信息采用多窗口显示。例如，对于微处理器来说，最好能同时观察定时和状态以及反汇编源码，而且各窗口上的光标彼此跟踪相连。