适用于无线电信号接收、频谱分析

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频谱分析仪VS监测接收机:你的应用场景选对“耳朵”了吗?

前言:一念之差关乎任务成败



许多通信工程师都知道频谱分析仪(下简称频谱仪)和无线电监测接收机(下简称接收机),但不一定清楚其应用场景的区别。可能常凭主观直觉来选用:当想到"频谱"时,就顺手拿起频谱仪,而提到"无线电信号"时,又觉得该用接收机。

那么,这两种设备究竟该如何选择?它们之间又有怎样的联系与区别?



技术同源:相似的硬件基础

现代接收机与频谱仪的实现技术非常近似。从广义上讲,接收机可以看作是频谱仪的一个小分支。就如同我们在《SDR就是零中频接收机吗?》一文中讲到,它们大都基于软件无线电技术构建,高性能设备常采用超外差式结构,而中低性能设备则可能采用低中频或零中频等架构。无论是接收机还是频谱仪,它们都是频域接收分析设备(相对于示波器这种时域分析设备而言),都具有频谱分析功能,也都可以做信号解调分析。

图1 典型频谱分析仪架构.png



图1 典型频谱分析仪架构



质差异:应用场景决定设计哲学

虽然技术相似,但这两种设备的根本差异源于它们截然不同的应用场景。

频谱仪主要用于实验室或开阔场,对已知信号的验证和测量。这常常是一种"配合式"的、带有先验信息的射频信号测量。知道被信号就在那里,它并不会与测试者进行“对抗”,知道信号的大致特征,目的是精确测量其参数,验证其与预期的符合程度。


图2 室内测量场景.jpg


图2 室内测量场景


接收机则主要用于探测未知的空中信号。信号的时域特性、频率特性、功率特性及调制特性等都是未知的,这是一种"非配合式",甚至是“对抗式”,没有先验信息的无线电信号接收,目的是为了发现空中有什么信号,是什么信号,信号源在哪里,维护期望的无线电秩序。

图3 户外监测场景.jpg


图3 户外监测场景

性能追求:精确测量与真实捕获的权衡

应用场景的不同,决定了他们的技术侧重点不同。频谱仪重在理想的有线传导测试条件下,测得准,不需要考虑带外干扰。接收机重在最大概率地发现信号,并确保有干扰的情况下探测的真实性。

频谱仪的核心诉求


  • 高精度测量频率和电平准确度为例,频谱仪频率准确度常达到0.01ppm级别,电平精度±0.3dB以内, 而接收机常为0.1ppm级别,1.5dB左右。

  • 低相位噪声频谱仪可达-130dBc/Hz @1GHz offset 10Hz,而接收机常常为-110 dBc/Hz左右。

  • 丰富功能支持谐波分析、调制分析等专业测量。


图4 典型频谱仪 R&S FSW.jpg

图4 典型频谱仪 R&S FSW

接收机的核心诉求


  • 高发现概率面对各种挑战性极高的、非配合式信号(如每秒上万跳的数据链,脉冲宽度1us的雷达信号),要求全频段扫描速度达数百GHz/s级(RBW=25kHz时),100%POI时间达十纳秒级,而频谱仪扫描速度几乎要慢2~3个数量级。

  • 高灵敏度典型噪声系数全频段可达10dB以内,而频谱仪可达20dB。

  • 高真实性中频抑制、镜频抑制可达90~100dB以上,LO相关假信号、剩余响应等假信号可低于-115~-120dBm。而频谱仪前者可低至50~70dB,后者可高达-50~-90dBm。故频谱仪虚警率会明显高于接收机。

  • 抗干扰能力接收机常常具备复杂预选器组,对带外干扰抑制能力可达60dB以上。频谱仪滤波器配置通常更简单。


图5 典型监测接收机 R&S ESMW.png

图5 典型监测接收机 R&S ESMW

到此,我们可以推测:若用接收机来进行传导测试,可能存在测量精度不够的问题;若用频谱仪来监测空中信号,可能存在收不到时间特性较快的信号,或者是收到带外干扰,这显然不是我们想要的结果。

现身说法:两款设备对比 

对比频谱仪模块(signalhound SM200B)与接收机模块(祯仪ZY02-AH-ML)的部分指标如下表,SM200B具备非常丰富的测量与分析功能,极高的相位噪声,较低的功耗,可用于可以高精度的传导测量分析。而ZY02-AH-ML具备更大的实时带宽,更快的扫描速度、更低的各类型杂散与假信号水平,可用于更大概率、更真实地捕获未知的空中信号。


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图6 SM200B与ZY02-AH-ML 


序号

参数项

SM200B

ZY02-AH-ML

1

频率范围

100kHz~20GHz

100kHz~26.5GHz

2

中频带宽

160MHz

320MHz

3
IQ数据记录能力:
中频带宽5kHz~40MHz:无长限制;
160MHz:2秒
中频带宽320MHz及以下:无时长限制;

4

噪声系数

小于700MHz:不详

700MHz~2.7GHz:11dB      
2.7GHz~15GHz:14dB~18dB

大于18GHz:不详

100k~6GHz:10dB

6GHz~26.5GHz:11dB

5

扫描速度

1THz/sec RBW=30kHz

2.2THz/sec RBW=25kHz

6

剩余响应(如图7)

100kHz~80MHz:-110dBm 

80MHz~20GHz:-100dBm~-90dBm

全频段优于-115dBm

7

本振泄漏

100kHz~5GHz:-82dBm      
5GHz~20GHz:-55dBm~-47dBm

全频段优于-115dBm

8

预选器

具备,不详

全频段14段

9

镜频抑制

44~58dB(增强抑制功能关闭)

75dB(增强抑制功能打开,软处理,可能会减弱动态范围)

全频段优于95dB

10

相位噪声

-132dBc/Hz@1GHz offet 10kHz

-110dBc/Hz @1GHz offet 10kHz


图7-1.png

图7-2.png

图7 输入接负载,RBW=10kHz, 均值检波,两型设备自身假信号情况




结语

理解这两种设备的区别,本质上是理解无线电测量领域的两个不同维度:确定性目标的测量与不确定性目标的探测

在投入相当的情况下,接收机无法替代频谱仪的测量精度,频谱仪也无法达到接收机对未知信号的真实发现能力。下次面对选择时,只需问自己:我需要的是精密的"电子尺子",还是灵敏的"无线电耳朵"?这个问题的答案,将直接指向最适合的工具。


关于祯仪



祯仪科技,专业从事宽频段无线电信号接收,适用于无线电管理、信号侦查与分析、通用频谱分析、卫星导航监测、低空复杂电磁环境感知等。

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