摘要：当前频谱分析仪面临多重挑战：现代射频应用要求更高的数据速率、更宽的调制带宽及更高阶的调制方式。尖端元器件需要更优的信噪比和接近物理极限的性能指标，但现有设备在宽频带、大功率范围测试中往往动态范围不足。罗德与施瓦茨全新推出的FSWX实现了宽带信号分析领域的突破性
作者： Dr. Wolfgang Wendler, Product Management Signal and Spectrum Analyzer at Rohde & Schwarz
当前频谱分析仪面临多重挑战：现代射频应用要求更高的数据速率、更宽的调制带宽及更高阶的调制方式。尖端元器件需要更优的信噪比和接近物理极限的性能指标，但现有设备在宽频带、大功率范围测试中往往动态范围不足。罗德与施瓦茨全新推出的FSWX实现了宽带信号分析领域的突破性创新——作为首款搭载多输入端口多路径架构的频谱分析仪，其互相关技术可助力工程师突破现有宽带分析局限，满足创新技术发展需求。
在宽带信号分析层面，雷达、卫星或移动通信领域的新兴射频技术器件表征测试面临诸多挑战。业内通常采用IQ平均法或互相关信号处理技术作为突破这些局限的变通方案。
IQ平均是一种常用的降噪技术，但这种方法需要信号具有重复性。通过多次平均相同的IQ数据，可以减少随机高斯噪声，而信号或IQ向量在所有接收过程中保持一致。这种方法能够增强动态范围，并最小化测量仪器引入的噪声。尽管这种方法已在当前的分析仪中得到应用，但它仍然存在一些局限性。
在没有重复信号的情况下，我们采用互相关技术来克服动态范围的限制。这种技术需要两个信号分析仪，并且它们必须进行时间同步，这就需要额外的信号处理来进行互相关计算。遗憾的是，这不仅增加了测量的复杂性，也提高了测试成本。
其他仪器如示波器，可能为此类应用提供两个或更多的输入通道。但示波器的动态范围有限。因为其模数转换器针对宽带信号的数字化进行了优化，这一特性即使在应用互相关技术侯也无法改善情况。具有多个输入通道的PXI模块通常具有更宽的动态范围，当有非期望信号出现在镜像频率或非期望混频产物落入测量带内时，没有预选会限制测量的动态范围。
01
全新仪器架构
拓展测量能力
罗德与施瓦茨创新设计的FSWX频谱分析仪采用行业首创的多接收链路架构。该架构通过前端预选有效消减镜频干扰及杂散信号，其内置互相关模式可一键启动，无需外接功分器与附加校准流程。当双射频端口直连接收单元时（无需内置功分器），多接收路径可全面支持5G、WLAN等现代无线通信标准及雷达应用。如图1所示的双接收链路架构，为性能飞跃奠定基础。
图1：FSWX频谱分析仪创新多路径架构，开拓全新测试能力
02
互相关技术—精准提升相位噪声测量性能
实施互相关技术对测试能力的提升不仅在动态范围，还可以得到传统频谱分析仪无法获得的测量结果。这种技术已经在专业的相位噪声测试仪中得到应用，例如罗德与施瓦茨的FSWP和FSPN，它们利用互相关技术在相位噪声测量中抑制内部本振的相位噪声。这一点很重要，因为现代通信应用通常在更高频率下运行，其振荡器的相位噪声随着频率f按20 log(f)的比例增加。随着频率的增加，这种相位噪声会直接影响到EVM（误差矢量幅度）性能。不稳定的相位读数使得在星座图中检测正确的星座点变得困难。因此，系统可能不得不切换到更低阶的调制方案，从而降低数据速率。出于这个原因，必须准确测量合成器或振荡器，以确保优化的相位噪声性能。因此，现代通信应用通常需要昂贵的相位噪声测试仪和良好的信号与频谱分析仪。这是由于分析仪因内部本振导致测量性能受限。而FSWX仅需单台仪表，即可完成振荡器与合成器的相位噪声测量优化。
图2展示了当相位噪声增加时，一个采样率为20 MHz的QPSK信号性能如何下降。在100 kHz偏移处，相位噪声为-95 dBc/Hz时，星座图非常清晰。然而，随着相位噪声的增加，信号质量会恶化。在-80 dBc/Hz时，从信号中解码正确的数据变得相当困难。系统必须退回到BPSK调制， 这会降低数据速率。对于QPSK，至少需要-90 dBc/Hz的相位噪声性能，这在140 GHz的中心频率下是非常具有挑战性的。这说明了需要具有互相关能力的仪表来准确测量相位噪声，从而优化振荡器和合成器。
图2：相位噪声性能 对于实现高数据速率传输的重要性
03
快速找到隐藏的杂散信号
对于现代雷达应用来说，探测具有小雷达截面（RCS）的目标，如无人机，变得越来越重要。这需要提高这些应用的测试设备灵敏度。这项工作的关键之一是降低接收器的宽带噪底和提高本振的相位噪声性能。这将有助于揭示在轻微多普勒频率偏移后不再被杂波反射淹没的小目标的RCS反射。
除了减少相位噪声和抑制宽带输入噪声外，检测系统中的小杂散信号和干扰也至关重要。这些小信号可能被误认为是目标，限制了雷达的灵敏度。目前，信号和频谱分析仪可以检测这些微弱的无用干扰。但要看到接近噪底的杂散信号，频谱分析仪的分辨率带宽（RBW）需要降低到仅仅几赫兹。这会显著减慢测量速度，因为滤波器的稳定时间需要延长。因此，这种技术需要较长的测量时间来表征系统并检测无用干扰。
FSWX的多路径架构通过互相关技术将分析仪本底噪声抑制至理论极限，且无需降低分辨率带宽 (RBW)。相较于传统分析仪——后者必须采用小RBW，该技术可在极低本底噪声下实现更快速的扫描。
图3中蓝色迹线为互相关检测器测量结果，对比黄色RMS检测器迹线可见：在1 MHz分辨率带宽(RBW)条件下，RMS检测器几乎无法识别杂散信号——甚至完全不可见。
图3：FSWX互相关技术仅需微增测量时长即可显著降低测试本底噪声—蓝色迹线成功揭示黄色迹线中隐现杂散信号
04
破解YIG滤波器与预选滤波器的宽带技术困局
标准信号分析仪在进行宽带调制分析时，缺乏在微波频率下进行IQ分析的预选功能。在达到几个GHz的特定频率之前，信号被上变频到一个较高的中频，其镜像频率位于更高的频率，因此使用低通滤波器来抑制镜像频率。然而，在5到10 GHz以上的频率，根据所使用的仪器，用于镜像抑制的上变频会引入过多的噪声。因此，在这些频率下，需要使用YIG滤波器进行预选，以抑制不需要的镜像频率。这些YIG滤波器的带宽有限，最大为50 MHz，具体取决于频率范围。这些滤波器还会造成信号在几dB范围内的较大波动，这阻碍了它们在IQ分析中的使用。对于IQ分析，必须绕过YIG滤波器，但镜像频率上的噪声或不需要的信号会导致测量结果恶化。
为克服这一挑战，FSWX使用滤波器组进行预选。它们带宽更宽且展现出平坦的频率响应，提供高电平精度，是IQ分析的理想选择。因此，FSWX能够在远超50 MHz的分析带宽（依据所使用的中频频率和AD转换器）上执行宽带IQ分析，同时抑制镜像。这增加了动态范围并降低了由镜像频率干扰源引起的误差。此外，凭借平坦的频率响应，连续波载波或杂散信号的电平测量绝对误差显著减小，因为不再存在YIG滤波器频响波动导致的精度恶化。因此，FSWX在微波范围内通过预选实现1 dB甚至更优的电平测量不确定度，使得某些应用中不再需要额外的功率传感器。这使得雷达应用的杂散电平能被准确标定。图4直观展示了滤波器组与YIG滤波器之间的差异。
图4：滤波器组提供比YIG更宽的带宽和更平坦的频率响应，而YIG滤波器通常具有更优的带外信号抑制能力
对于需要在宽频率范围内扫描的频谱分析，YIG滤波器可能相当缓慢且不准确。用于预选的滤波器组可以使分析仪在频谱分析中的速度提高10倍到20倍，因为它们切换的速度比YIG滤波器扫描的速度快得多。但其在阻带中的信号抑制比YIG滤波器低20到40 dB以上。
结合使用将是最有效的解决方案。当需要进行窄带频谱分析以检测最小的无用干扰时，分析仪可以使用YIG滤波器。同时分析仪可以使用滤波器组进行IQ分析或提高测量速度。滤波器组与多路径接收器结构结合使用，也可以作为杂散信号搜索的有用工具。这是因为当使用不同的中频接收路径频率进行测量时，频谱分析仪固有的与LO相关的杂散信号可以很容易地被抑制，因为杂散信号出现在不同的频率上。一个简单的NAND与非操作就可以抑制这些固有的非期望发射信号。
05
简化相控阵天线测试的设置
航空航天、移动通信和汽车雷达中的波束控制应用经常使用相控阵天线。这些天线需要精确对齐并测试不同发射路径之间的相位。如果在初始相位校准阶段，信号分析仪设置能够测量具有多个相参路径的场景会怎样？每个通道都必须是相参的，以精确控制波束。这也有助于评估在调制条件下的相控阵天线，其中一个振子需要与第n个振子进行比较，如图5所示。
图5：调制信号下的相控阵天线测试执行首阵元与第n阵元的相位比对
在这种情况下可以使用矢量网络分析仪（VNA），但当需要为调制信号条件进行带宽拼接时，过程可能会变得缓慢。或者，可以使用示波器，但这会带来动态范围受限的限制。共享相同本振的PXI模块提供了更宽的动态范围，但这两种解决方案通常都不使用预选。没有预选，镜像频率上的信号可能会进一步限制动态范围，克服这些限制需要的测试环境和设置可能变得相当复杂且容易出错。
06
雷达测试：信号干扰的影响
为分析不同通信制式信号（跨频段）、或通信与雷达信号的互扰，需配备具备超宽捕获带宽的全景分析仪，或配置多输入/多接收通道的测试系统。传统示波器或PXI架构分析仪存在固有局限：其各信号接收路径（如衰减器、前置放大器增益）无法独立配置，从而严重限制复杂场景的动态范围——例如当强移动通信信号存在时，雷达设备微弱高次谐波的精准检测。此外，现有分析带宽亦制约着可捕获的频谱范围。
FSWX凭借其多输入端口及多路径架构，赋予用户独立配置本振频率、输入增益及衰减参数的能力。基于此创新架构，该设备可实现触发频率与测量频率的完全分离——例如在2.45 GHz频段捕获Wi-Fi突发脉冲作为触发源，同步监测6 GHz雷达信号的受扰情况（详见图6示例）。
图6：分析2.45 GHz Wi-Fi信号对6 GHz雷达信号的影响
07
突破效能局限—调制器件分析新利器
FSWX的双通道同步测量功能（支持同频或异频信号）为器件表征提供了高效解决方案：用户可以比较放大器输入和输出的信噪比或EVM性能。对于具有不同频率设置的上变频器和下变频器，也可以进行这样的操作。两个信号将被同时捕获，甚至不需要知道输入信号的调制；用户可以直接比较IQ数据。
08
测试DRFMs
可利用FSWX的上述功能，实时监测设备输入/输出端信号并分析其幅相特性。该设备能同步采集调制脉冲雷达信号在数字射频存储器（DRFM）处理前后的双路数据，精准表征幅相动态变化，进而单机优化干扰系统效能。
同样，这些测量可以在VNA上进行，但这些仪器通常具有有限的分析带宽。示波器也可以使用，但它们的动态范围有限，可能无法揭示必要的相位和幅度调制细节。此外，示波器通常不提供内部分析工具来有效地执行此操作，需要使用外部软件解决方案。
09
结论
应对新兴技术挑战时，当代信号与频谱分析仪存在显著局限。罗德与施瓦茨革命性推出的FSWX分析仪，凭借创新架构突破传统限制：通过集成多接收路径、输入预选与内置互相关技术，该仪表可显著拓展动态范围、提升测量速度，并大幅简化测试配置。
FSWX信号与频谱分析仪：测量未至之境
罗德与施瓦茨FSWX信号与频谱分析仪作为业界首款多通道多端口机型，开创信号分析新维度。其革命性多路径架构搭载创新的互相关技术，实现突破性动态范围表现；结合超低相位噪声（保障信号纯度）、卓越无杂散动态范围及顶尖残余EVM性能，缔造市场无可匹敌的射频测试标杆。该设备内置8GHz超宽分析带宽，可深度解析复杂调制波形；配合高速测量引擎与可定制分析工具，为前沿射频应用树立性能新高度：从有源器件测试、尖端汽车雷达验证、复杂机载场景，到星载通信系统及5G/WLAN等新一代通信技术全面挑战。
来源：芯片超人
