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频谱分析仪在地球站射频指标测量中的应用

谢宁芳陕西电视台
摘要：频谱分析仪是地球站射频指标测量的主要仪器，实际测量工作中按要求正确使用测试仪器，合理地设置各个参数，这对取得准确的测量效果具有重要意义。本文总结了频谱分析仪的使用注意事项，一以及地球站射频指标的测量中频谱分析仪关键参数的设置。
关键词：频谱分析仪 带内平坦度 三阶互调相位噪声
频谱分析仪是卫星地球站不可缺少的测试仪器，在下述领域扮演着不可缺少的角色：发射天线的极化标定、功率标定；发射机射频指标测试；高频头本振偏移情况；干扰信号的监测与排除；日常播出中观测同转发器载波相邻台的信号功率、占用带宽，以防邻频干扰；在接收卫星信号时，调整卫星接收天线极化和俯仰，确保天[来自www.Lw5U.com]线对准卫星，等等。
一、频谱仪分析仪使用和关键参数设置
1．频谱分析仪使用注意事项
(l)保证地线可靠接地
频谱分析仪的电源配置是三芯电源线。在给频谱仪加电之前，务必检查所要使用的电源插座是否为单相三孔、地线是否可靠接地，检查无误后才能将电源线插头插入该插座中。
(2)注意开机预热和定期校验
开机后，在对信号进行精确测量前，应预热三十分钟。当测试环境温度改变达到3—5C或使用超过三个月，在重要测量前应重新自校，必要时可把频谱仪送到专业机构进行校验。
(3)注意最大输入功率限制
任何频谱仪在输入端口都有一个允许输入的最大安全功率，称为最大输入电平。频谱仪的最大输入电平值通常标记在前面板靠近输入接口的地方。一般要求连续波输入信号的最大功率不能超过+30dBmW(lW)。若输入信号值超出了频谱仪所允许的最大输入电平值，则会造成频谱仪混频器过载、产生非线性失真，严重的会损坏仪器。
(4)避免输入信号含有直流成分
频谱分析仪对直流分量有要求，一般不允许有直流输入。对于不允许直流输入的频谱仪。若输入信号中含有直流成份，也会对频谱仪造成损伤。实际测量时应外接一个隔直器，阻隔输入信号的直流成分。
当对所测信号的性质不太了解时，可先采用RF功率计测量信号电平。如果没有功率计，则应在信号电缆与频谱仪的输入端之间置入一个量值相当的衰减器，也可以使用示波器、电压表等仪器来检查DC及AC信号电平。
2．频谱分析仪关键参数设置
(1)分辩率带宽（RES BW）的设置
频谱分析仪中的中频滤波器，其功能是分辨不同频率信号。它是频谱分析仪中的关键部分，它是一个中心频率固定的窄带滤波器，只有改变本地振荡的扫频信号频率才能达到选频目的。理想单载波信号在扫频式频谱仪上测试，应当显示为滤波器的频响形状。中频滤波器的频响形状通过其带宽（3dB或6dB）和矩形系数得到定义。
通常分辨率带宽(RES BW)表示中频滤波器的3dB带宽，反映了频谱仪分辨等幅信号的能力。HP/AGILENT频谱仪定义中频滤波器的3dB带宽为RES BW，有的公司定义6dB带宽为RES BW。
申频滤波器的矩形系数（中频滤波器的60dB带宽与3dB带宽之比）是决定不等幅信号分辨率的关键，矩形系数越小，对不等幅信号的分辨能力越强。用数字化技术实现的窄带带通滤波器矩形系数可达到5：1，模拟滤波器矩形系数可达到15:1或11: 1。
分辨率带宽( RES BW)的设置原则是：①一台频谱分析仪的矩形系数是固定不变的，而分辨率带宽是可变的，所以在测量微小信号时，可通过尽可能将分辨率带宽打窄，达到测量效果；②RES BW越小，分辨率越高、频谱越清晰，但同时扫描速度也越慢，所以要注意正确的设置扫描时间。
(2)视频滤波器的带宽(VBW)的设置
VBW是频谱分析仪视频滤波器的带宽。频谱仪显示的谱线是是被测信号加噪声，当被测信号电平与噪声电平接近时，附加的噪声叠加在扫描线上，导致信号很难分辨。由于噪声的随机性，使频谱仪所测得的噪底起伏较大，给测量载噪比也带来不便。因此，很多情况下需要对噪底进行平滑处理。
可以通过视频滤波器的低通处理平均噪声起伏。视频低通滤波器是对中频滤波器输出的包络曲线进行平滑，并不改变频谱分辨率，其低通带宽( VBW)决定平滑的程度。理论上，VBW小于RES BW才能起到对噪声的平滑作用，噪声的平滑效果与VBW/RBW有关，VBW越小，平滑效果越显著，推荐VBW/RBW介于0.01—0.1之间。
视频滤波器的带宽(V BW)的设置原则：①视频滤波器仅仅是对噪声显示效果的改善，并不会提高信噪比；②为了获取最佳的分辨结果和显示效果，VBW-般取RBW的0.1倍，处于自动档的频谱分析仪，一般会自动设置为该比例关系。
(3)扫描跨度( SPAN)和扫描时间 (SWEEP TIME)的设置
频谱仪的扫描跨度（SPAN）是指扫描本振的频率范围。测量谐波失真或搜索[来自wWw.Lw5u.coM]信号，要求频率范围从低于基波扩展到超过多次谐波。测量交调失真要求窄的扫描跨度，具有足够的频率分辨能力，以便观察邻近的交调失真。
扫描时间是指扫描一次整个频率量程并完成测量所需要的时间。模拟频谱仪一个完整扫描跨度( SPAN)的扫描时间(sT)由以下公式确定：

由以上公式可知，RES BW、VBW和Sweep Time相互关联，这几个参数在频谱仪上均有Auto（自动）和Man（手动）两个选项，当其中的一个或多个参数设为自动时，频谱仪会自动为其选取“合适”的数值。如果手动设置加快扫描时间，则显示出来的幅度就会降低，频率会发生漂移。
建议在监测频谱时，根据需要手动设置RES BW和VBW，而总是将Sweep Time设为自动(Auto)，此时频谱仪会自动设为不失真条件下的最快速度，只有在O SPAN模式下手动设置扫描时间。
建议尽量避免在RES BW较小时设置过大的SPAN。
二、频谱仪分析地射频指标测量中的应用
上行设备射频指标测量是地球站运行维护工作中的重要任务，定期测量上行系统射频指标，是保证卫星节目的传输质量的前提。广电总局对地球站验收要求的射频指标主要有：带内平坦度，- 3dB、- 30dB带宽测量，杂散，相位噪声和三阶互调等。上行设备射频指标测量主要使用扫频仪和频谱仪等测量仪器，频谱仪的最高工作频率必须大于本站的上行频瘁。
1带内平坦度测量
带内平坦度是描绘输入信号幅度固定，输出信号的幅度随频率变化而变化的规律。根据IESS-308/309国际通信卫星地球站IDR标准，要求的带宽=字符率×1.2，SCP C方式：带内平坦度≤0.5 p-p，MCP C方式：带内平坦度≤l.Op-p。
测量方框图和频谱测试图见图1。由扫频仪在上变频器输入口送70MHz扫频信号，扫频宽度>字符率×1.2，输出的电平为正常运行的接口电平。在高功放监测口用频谱仪测出如图1所显示的频谱测试图，从频谱仪上读取如图1所示最高点1点和最低点1R点两点电平差的绝对值即为所要测量的带内平坦度值。
频谱仪设置：①调节频谱仪的中心频率为上行频率，扫描宽度span≥1.2×符号率，Y轴分辨率设置为ldB/div;②调节Y轴参考电平、VBW和RBW，使扫描线显示在屏幕中部，同时启用频谱仪最大保持功能；③按Restart键，让频谱仪重新开始捕捉扫频信号，当频谱仪上显示的曲线变得连续平滑后，用peak search功能或手动用游标搜索图1频谱测试图的谱线上最大值点；④启用marker delta功能，用游标marker搜索图1频谱测试图的谱线上最小值点，从频谱仪上读取两点电平差的绝对值即为所要测量的带内平坦度值。
2．- 3dB、- 30dB带宽测量
- 3dB、- 30dB带宽测量主要为了检查高频系统的幅频特性。一般- 3dB带宽与上行系统所使用的字符率相近，- 30dB带宽=字符率×滚降系数。实测时一般都比理论值稍宽一些。对于SCPC传输方式- 30dB带宽一般不超过lOMHz，MCPC传输方式使用的带宽根据各省传输的节目多少确定。
-3dB、- 30dB带宽可在系统运行时测量（调制器发射正常调制载波），测量框图和测出的波形曲线见图2、图3。下面以- 3dB带宽测量方法为例说明频谱仪的设置。
频谱仪的设置：①设置频谱仪的中心频率为上行载波频率，扫描宽度span大于载波的带宽，Y轴分辨率设置为1dB/div；②调整参考电平、VBW和RBW值，使载波和噪底都落在显示范围内；③将游标marker置于中心频率处，用marker delta功能，将游标marker移至载波的上升沿比中心频率电平低3dB处如图2频谱测试图的点1（如果读数时电平差值变化较大可以使用频谱仪的平均值功能）；④按marker delta功能将标记marker移至下降沿如图2频谱测试图的1R点，使两个标记的电平差为零，这时读取两个标记的频率差即为所测得的带宽。
- 30dB带宽测量方法与此相似，只是第③步将游标marker移至载波的上升沿比中心频率电平低30dB处。
3．杂散测量
杂散是指除载波以外离散频率上的辐射，分为带内和带外杂散。以陕西地球站为例，MCPC传输方式占用带宽为12MHz，按广电总局要求12MHz带内杂散应小于- 55dBc；12MHz之外，500 MHz带内杂散应小于- 65dBc。
测量时，上行系统的调制器设置为单载波状态，测量框图和测出的波形曲线图见图4、图5。下面以带内杂散测量方法为例说明频谱仪的设置，带外杂散的测量方法与此相似。
频谱仪设置：①设置频谱仪的中心频率为高功放的上行频率，扫描宽度span略大于正常上行时的带宽；②设置合适的VBW和RBW值，调整参考电平和垂直分辨率，使单载波显示在中心位置；③用peak search功能或手动把游标marker移至单载波的最高点，如图4频谱测试图的1R点；④启用频谱仪的marker delta功能，在12MHz带宽内搜索到最大的杂散分量，将游标markei移至最大杂散分量处，如图4频谱测试图的1点，直接读出杂散分量和载波峰值的电平差即为要测量的杂散值。
测量带外杂散时，扫描宽度s pan为1GHz，测量方法同上。
4．三阶互调测量。
三阶互调是指当两个信号在一个线性系统中，由于非线性的因素存在，使一个信号的二次谐波与另一个信号的基波产生差拍（混频）后所产生的寄生信号。广电总局要求三阶互调应小于- 34dB。
测量框图和频谱测试图见图6。在地球站具体测量三阶互调时，将调制器设置为单载波，输出一个70MHz的单载波信号，且输出电平比正常工作时调低3 dB（此时75MHz信号源需接上，但将电源关上，为了使阻抗匹配）；然后再由扫频仪产生一个75MHz的单载波信号，电平值与70MHz信号电平相同。调制器和扫频仪产生的两个规定频率和电平的中频载波经合路器通过引接电路送到上变频器输入端，在高功放输出端的载波电平与它们所产生的三阶互调产物之间的电平差为三阶互调测量值，如图6频谱测试图所示。
频谱仪设置：①调整频谱仪的中心频率、扫描宽度span、VBW、RBW、参考电平和垂直分辨率，使两个单载波与两个三阶互调产物的峰值、以及噪声底都能落在显示范围内；②利用频谱仪的marker delta功能调节扫频仪输出电平与调制器的输出电平相同；③用peak search功能或手动把游标marker移至单载波的最高点如图6频谱测试图的1R点；④用频谱仪的marker delta功能，将标记marker移至二个互调产物中较大的一个如图6频谱测试图的1点，两个光标之间的电平差值即为所要测的三阶互调值。
5．相位噪声测量
相位噪声是指在某一给定偏移频率处的dBc／Hz值，其中dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。
测量相位噪声时，上行系统的调制器设置为单载波状态，测量框图和测出的波形曲线见图7。广电总局对地球站验收要求lkHz相位噪声应小于等于- 75dBc。
频谱仪设置：①设置频谱仪的中心频率为高功放输出的上行频率，扫描宽度s pan=5kHz，调整VBW、RBW参考电平和垂直分辨率，使单载波显示在中心位置；②用peak search功能或手动将屏幕上的游标marker置于单载波的峰值上；③启用marker delta功能将游标marker移到偏离单载波中心频率lkHz的地方；④启用相位噪声测量功能，直接读出所测得的相位噪声如图7频谱测试图所示。
如果频谱仪没有相位噪声测量功能，那么先读出偏离单载波中心频率1 kHz处的电平与载波峰值的电平差，再减去lOlg(VBW)就是要测量的相位噪声值，VBW为测量时的视频带宽。

-全文完-