突破寬帶信號分析瓶頸：全新FSWX解決現有頻譜分析儀局限

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：現代射頻應用要求更高的數據速率、更寬的調制帶寬及更高階的調制方式。尖端元器件需要更優的信噪比和接近物理極限的性能指標，但現有設備在寬頻帶、大功率范圍測試中往往動態范圍不足。羅德與施瓦茨全新推出的FSWX實現了寬帶信號分析領域的突破性創新——作為首款搭載多輸入端口多路徑架構的頻譜分析儀，其互相關技術可助力工程師突破現有寬帶分析局限，滿足創新技術發展需求。

在寬帶信號分析層面，雷達、衛星或移動通信領域的新興射頻技術器件表征測試面臨諸多挑戰。業內通常采用IQ平均法或互相關信號處理技術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，但這種方法需要信號具有重復性。通過多次平均相同的IQ數據，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，我們采用互相關技術來克服動態范圍的限制。這種技術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。但示波器的動態范圍有限。因為其模數轉換器針對寬帶信號的數字化進行了優化，這一特性即使在應用互相關技術侯也無法改善情況。具有多個輸入通道的PXI模塊通常具有更寬的動態范圍，但缺乏預選造成帶外信號落入鏡像頻率或不混頻產物落入帶內的動態范圍問題。

全新儀器架構，拓展測量能力

羅德與施瓦茨創新設計的FSWX頻譜分析儀采用行業首創的多接收鏈路架構。該架構通過前端預選有效消減鏡頻干擾及雜散信號，其內置互相關模式可一鍵啟動，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（無需內置功分器），多接收路徑可全面支持5G、WLAN等現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，為性能飛躍奠定基礎。

圖1：FSWX頻譜分析儀創新多路徑架構，開拓全新測試能力

互相關技術—精準提升相位噪聲測量性能

實施互相關技術對測試能力的提升不僅在動態范圍，還可以得到傳統頻譜分析儀無法獲得的測量結果。這種技術已經在專業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，它們利用互相關技術在相位噪聲測量中抑制內部本振的相位噪聲。這一點很重要，因為現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。不穩定的相位讀數使得在星座圖中檢測正確的星座點變得困難。因此，系統可能不得不切換到更低階的調制方案，從而降低數據速率。出于這個原因，必須準確測量合成器或振蕩器，以確保優化的相位噪聲性能。因此，現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化。

當有非期望信號出現在鏡像頻率或非期望混頻產物落入測量帶內時，沒有預選會限制測量的動態范圍。

這些濾波器還會造成在信號在幾dB范圍內的強烈波動，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果惡化。

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

在這種情況下可以使用矢量網絡分析儀（VNA），但當需要為調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，信號質量會惡化。在-80 dBc/Hz時，從信號中解碼正確的數據變得相當困難。系統必須退回到BPSK調制， 這會降低數據速率。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性的。這說明了需要具有互相關能力的儀表來準確測量相位噪聲，從而優化振蕩器和合成器。

圖2：相位噪聲性能對于實現高數據速率傳輸的重要性

快速找到隱藏的雜散信號

對于現代雷達應用來說，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，檢測系統中的小雜散信號和干擾也至關重要。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，因為濾波器的穩定時間需要延長。因此，這種技術需要較長的測量時間來表征系統并檢測無用干擾。

FSWX的多路徑架構通過互相關技術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)。相較于傳統分析儀——后者必須采用小RBW，該技術可在極低本底噪聲下實現更快速的掃描。

圖3中藍色跡線為互相關檢測器測量結果，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互相關技術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的雜散信號。

破解YIG濾波器與預選濾波器的寬帶技術困局

標準信號分析儀在進行寬帶調制分析時，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果惡化。

為克服這一挑戰，FSWX使用濾波器組進行預選。它們帶寬更寬且展現出平坦的頻率響應，提供高電平精度，是IQ分析的理想選擇。因此，FSWX能夠在遠超50 MHz的分析帶寬（依據所使用的中頻頻率和AD轉換器）上執行寬帶IQ分析，同時抑制鏡像。這增加了動態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，FSWX在微波范圍內通過預選實現1 dB甚至更優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的帶外信號抑制能力

對于需要在寬頻率范圍內掃描的頻譜分析，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構結合使用，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相關的雜散信號可以很容易地被抑制，因為雜散信號出現在不同的頻率上。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常使用相控陣天線。這些天線需要精確對齊并測試不同發射路徑之間的相位。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：調制工況下相控陣天線測試需執行首陣元與第n陣元的相位比對

在這種情況下可以使用矢量網絡分析儀（VNA），但當需要為調制條件進行拼接時，過程可能會變得緩慢。或者，可以使用示波器，但這會帶來動態范圍受限的限制。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范圍，克服這些限制需要的測試環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。傳統示波器或PXI架構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，賦予用戶獨立配置本振頻率、輸入增益及衰減參數的能力。基于此創新架構，該設備可實現觸發頻率與測量頻率的完全分離——例如在2.45 GHz頻段捕獲Wi-Fi突發脈沖作為觸發源，同步監測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制；用戶可以直接比較IQ數據。

測試DRFMs

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

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，但它們的動態范圍有限，可能無法揭示必要的相位和幅度調制細節。此外，示波器通常不提供內部分析工具來有效地執行此操作，需要使用外部軟件解決方案。

結論

應對新興技術挑戰時，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，憑借創新架構突破傳統限制：通過集成多接收路徑、輸入預選與內置互相關技術，該儀表可顯著拓展動態范圍、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界首款多通道多端口機型，開創信號分析新維度。其革命性多路徑架構搭載創新的互相關技術，實現突破性動態范圍表現；結合超低相位噪聲（保障信號純度）、卓越無雜散動態范圍及頂尖殘余EVM性能，締造市場無可匹敵的射頻測試標桿。該設備內置8GHz超寬分析帶寬，可深度解析復雜調制波形；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，到星載通信系統及5G/WLAN等新一代通信技術全面挑戰。

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