日前業界推出一款專為便攜設計的緊湊型低功耗頻譜分析儀，可用於搭載USB3.0資料傳輸介面的筆記型電腦(NB)和個人電腦(PC)，並通過USB 3.0介面供電(<4.5瓦(W))；而其資料處理、顯示和儲存皆在PC上進行，真正實現了小體積、便於攜帶的特性。
 |
| 表1 新款頻譜分析儀基本性能指標 |
但這樣的頻譜分析儀由於尺寸和功率所限，其能夠實現的射頻(RF)性能也會受到影響，因此，本文將討論生產全功能、超小型通用頻譜分析儀(約為1"×5"×7.5")，同時又要保留大型儀器大部分的性能和易用性時須要考慮的折衷因素。
 |
| 表2 新款分析儀頻率間隔顯示的平均雜訊電平和相噪。 |
以目前測試儀器商主推的即時頻譜分析儀為例，其使用快速數位化器採集樣點，通過傅立葉轉換連續更新，即時採集頻寬中的頻譜，並透過移動儀器中的本振頻率，把大塊即時頻寬步進提高到所需的頻率範圍，以產生更寬的頻寬。表1為新款頻譜分析儀的基本性能指標。
表2清楚列出各種頻率間隔顯示的平均雜訊電平(DANL)和相噪。新款分析儀噪底非常好，類似於獨立式實驗室儀器，如儀器商太克RSA5106B，不過，這樣的中檔實驗室儀器的無雜散動態範圍和相噪會比新款分析儀好大約25dB。
資料處理位置相異 新款分析儀免除丟幀問題
與傳統即時分析儀相比，新款分析儀結構中可能最顯著的變化是在哪完成資料處理。在普通即時頻譜分析儀中，資料以數位化方式下變頻，然後塞到採集記憶體硬件中(圖1)。
 |
| 圖1 實驗室頻譜分析儀(上)和新款掌上型頻譜分析儀(下)資料處理路徑比較。 |
市面上新款分析儀的原始資料通過USB 3.0介面轉發到PC，所有資料處理在PC軟體中完成；到I-Q資料的數位下變頻、濾波、傅立葉轉換、通道校正和DPX顯示計算均在軟體中完成。這就要求必須採用現代處理器(如英特爾(Intel)四核i7或同等處理器)，以便軟體處理能力能夠跟上儀器高達224Mbit/s的資料傳送速率。
USB 3.0 SuperSpeed連接每個方向的信令速率為5.0Gbit/s。由於該資料傳輸介面採8B/10B編碼，因此數據吞吐量限於4.0Gbit/s，再加上典型協議開銷和握手包，實際資料輸送量更可能是3.2Gbit/s。新款分析儀中的14位元數位化器以112MHz頻率對IF訊號採樣，生成一條224Mbit/s的資料流程，因為每個資料樣點包在一個16位字中。
另外，資料中增加了0.2%的開銷用於時間標記和觸發資訊，因此總資訊速率為1.8Gbit/s。儘管這完全落在USB 3.0介面3.2Gbit/s的實際傳送速率範圍內，但採用微軟(Microsoft)Windows作業系統傳送的突發特點仍然可能是一個問題。幸運的是，賽普拉斯(Cypress)FX3 USB 3.0接口晶片擁有資料路徑記憶體緩衝器，來調整資料流程量。
一套四個記憶體緩衝器設置成與新款設備的幀協定長度相同，緩衝器以迴圈方式傳送資料。實際上，可以發現，通過使用快速處理器，在Windows 7或8下都不會丟幀，除非不相關的流程占用大部分處理頻寬。
可攜式頻譜分析儀內建兩大軟體
PC上運行的軟體控制著新款頻譜分析儀操作的各個方面。軟體分成兩部分：RSA306 API和SignalVu-PC。SignalVu-PC是一個使用者介面，它在多個平台(頻譜分析儀和示波器)上運行，在所有設備上用相同的格式表示控制畫面和資料畫面。軟體也可以獨立使用，不須連接到硬體平台，來播放和分析捕獲的資料。
RSA306 API軟體是一種硬體適配層，把SignalVu-PC發布的控制命令轉換成這台頻譜分析儀專用的硬體命令。應用程式介面(API)命令列表是公開的，工程師可以使用這些命令為新款分析儀編寫自己的控制和顯示軟體。
SignalVu-PC中可以同時處理和查看多個資料顯示。基本軟體中的顯示畫面包括頻率頻譜、頻率三維頻譜圖(頻譜密度與時間關係滾動圖)、時間概況、幅度與時間關係、頻率與時間關係、RF I和Q與時間關係、類比調製顯示(AM/FM/PM)和DPX頻譜/三維頻譜圖顯示。
DPX是一種顏色等級可變餘輝密度地圖，顯示了給定頻段中的訊號強度。在正常操作中，軟體中最密集的處理器操作是建立DPX資料顯示，但代碼優化可以以每秒24幀的速率即時更新螢幕。
表3為SignalVu-PC基本版中包括的測量。SignalVu-PC還為測量特定訊號類型的訊號屬性提供其他顯示畫面，這些顯示畫面做為基本顯示畫面的軟體選項提供。
 |
| 表3 SignalVu-PC基本版中的測量 |
數位調製分析包括星座圖(支援27種調製類型，包括QAM、QPSK、GMSK、FSK、APSK)、解調的I和Q與時間關係、眼圖、誤差向量幅度(EVM)與時間關係、頻率偏差與時間關係、幅度誤差與時間關係、相位誤差與時間關係、訊號品質、解碼後的符號表和格子圖。
脈衝式RF測量工具包括脈衝軌跡顯示、脈衝統計和脈衝表。正交分頻多工(OFDM)分析工具如，OFDM信道響應、OFDM星座圖、OFDM EVM測量、OFDM頻譜平坦度、OFDM幅度誤差、OFDM相位誤差、OFDM功率、OFDM訊號品質摘要和解碼後OFDM符號表。
測試儀器商為802.11a/b/g/j/n/p/ac提供了多種WLAN(Wi-Fi)分析工具，包括頻譜輻射範本測量、WLAN通道響應、WLAN星座圖、WLAN EVM、WLAN頻譜平坦度、WLAN幅度誤差、WLAN相位誤差、WLAN功率與時間關係、WLAN訊號品質摘要和WLAN 解碼後的符號表。
公共安全P25無線測量包括多個載波功率比(MCPR)測量、P25星座圖、P25眼圖、P25頻率偏差與時間關係、P25功率與時間關係、P25訊號品質摘要和P25解碼後的符號表。
最後，音訊分析工具包括音頻頻譜顯示、即時音訊解調和音訊測量摘要。如果控制電腦有全球衛星定位系統(GPS)接收機，還可為顯示和記錄訊號位置提供地圖軟體。這個代碼可以用於運行SignalVu-P的任何平台，且新型分析儀使用的SignalVu軟體還能做為40MHz頻寬訊號記錄器操作。
如果控制PC上的磁片速度足夠快(要求能夠支援300Mbit/s寫入速率的固態磁盤)，那麼資料可以無間隙地記錄到磁片中，其只會受到磁片容量的限制。資料既可以存儲為一個檔，也可以存儲為多個長度相等的檔，以備日後處理。Matlab軟體可以打開資料檔案，以進行用戶處理，並使用儀器校正實現通道平坦度。
突破USB介面供電限制 低功耗設備問世
目前市場上主打的頻譜分析儀從一開始就設計成緊湊的低耗能設備，可以單純通過USB 3.0介面供電操作。這些都是重大限制，因為連接USB的設備在連接時只允許消耗100毫安培(mA)，在USB 3.0介面供電的電壓下，在協商後最多消耗900毫安培的電流(在電纜損耗後最低可能達到4.5伏特(V))。
因此，設備在整個工作溫度範圍內的最大工作功率必須約為4瓦(W)，新頻譜分析儀的工作溫度範圍是-10℃+55℃。由於工作電流隨著溫度提高，因此室溫操作額定值必須下降約3毫安培，以便一直滿足USB 3.0工作要求。相比之下，台式頻譜分析儀的能耗一般為100～400瓦。
以市場最新推出的頻譜分析儀為例，其設計的數位部分(ADC、FPGA、USB3 I/F、時鐘源)消耗大約0.75瓦的功率，包括開關電源損耗。構成RF訊號鏈(圖2)的設計其餘部分消耗大約3.1瓦的功率。
 |
| 圖2 新型分析儀簡化的RF訊號路徑 |
RF訊號鏈由可切換輸入衰減器、可開關預放、精細步進衰減器和額外的可切換增益階段(自動配置為參考電平設置函數，以降低雜訊和失真)組成，後面是七個模擬預濾波器中的一個預濾波器，預濾波器根據RF輸入頻率進行選擇。訊號進入第一個混頻器，被轉換成兩個IF頻率之一(1,190MHz或2,440MHz)，並自動選擇頻率，以使雜散訊號達到最小。
在濾波和放大後，訊號進入第二個混頻器，在這裡，訊號被下變頻到140MHz的第二個IF頻率。IF頻率被放大，然後使用42MHz頻寬SAW濾波器進行濾波，後面是一個七階LC濾波器，然後發送到數位化器。
RF訊號路徑嚴重依賴元件的線性度來避免在放大和混頻期間產生雜散訊號。對這兩個元件，線性度一般會隨著功率提高而改善。因此嚴格選擇組件能實現良好的線性度和完美的雜訊，同時實現低能耗。
濾波功能消除不想要的雜散訊號(輸入訊號、本振和時鐘之間的諧波和混頻產物)，在RF訊號輸入範圍內可以實現大約-50dBc的無雜散動態範圍指標(SFDR)。為實現便於攜帶的低成本設計，儀器商採用擁有微型遮罩層的單塊印刷電路板(PCB)設計及單片突起外殼。
在多個頻率上，SFDR滿足了-65dBc的設計目標；但是，子電路之間可實現的RF隔離仍是限制雜散訊號性能的主要因素。設計中另一個關鍵元件選擇是IF部分使用的濾波器。
擁有寬頻寬、低紋波和優秀帶外抑制功能的低成本SAW濾波器一般也會擁有相對較高的帶內損耗。這就要求進行額外的放大，從而會消耗更多的功率，可能會引入額外的非線性失真。因此，目前儀器商在設計中選擇相噪良好、但電壓低的合成器積體電路(IC)，以保持小的尺寸及降低成本，而不是使用多個環路頻率合成器。
這些IC鎖定到超低抖動的高頻率晶振，後者也做為類比數位轉換器(ADC)時鐘使用，獲得相當好的相噪，足以實現大約1%的EVM。
由於從USB 3.0介面供電的設備擁有低功率限制，因此SFDR和相噪性能有限。但是，計算標準在不斷演變，USB 3.1在不久的將來可望實現更快的資料速率和額外的功率。
(本文作者任職於太克科技)