入门射频测试，先要弄清楚时域和频域

时域很好理解，用时间记录事件发生的“轨迹”，在平常事件中，可能是6点起床，8点吃饭；而在电信号测试事件里，我们在时域分析信号瞬时电压随时间的变化。

在电信号世界里，时域信号和频域信号可以相互转化，傅里叶变换揭示了一个重要原理：任何时域电信号都可分解为若干个特定频率、振幅和相位的正弦波。（如图1-1）频域测量能精确反映各频率点的功率分布。 

图1-1 时域和频域

通过适当滤波处理，复杂的时域波形可分解为多个独立的正弦波（即频谱分量），这些每个独立的正弦波都可以从振幅和相位参数进行分析。当待分析信号具有周期性特征时，傅里叶理论表明其组成成分正弦波在频域中以1/T的间隔分离，其中T是信号的周期。

频域的重要指标包括频率、振幅和相位，一些测量需要完整保留信号的频率、振幅和相位信息，但也有些测量无需掌握正弦分量间的相位关系，也可以完成，比如单纯只做频谱分析，了解某个信号的频率和功率关系。 

图1-2 时域与频域分析

图1-2所示的复杂信号在时域和频域的呈现，时域上，该波形并非纯正的正弦波，我们通过时域无法知道原因是什么，而通过频域，我们可以了解到该信号其实包含一个基波和一个二次谐波（频率为基波二倍的谐波分量）。这就不难理解，频域在确定信号谐波成分方面表现更佳。

为什么要进行频域测试？

频域测试的必要性

频谱是国家重要资源，政府监管机构为各类无线电业务分配不同频段，诸如广播电视、移动通信、警用及应急通信等众多应用场景都必须在特定频段工作。

但射频器件会由于非线性原因，无法保证在规定频段工作，因此，频谱监测至关重要。比如，针对发射射频信号的发射机，必须要保证其功率放大器及其他系统组件将信号功率发射至相邻信道并引发干扰的程度，在合理范围，我们一般用邻信道功率比（Adjacent Channel Power Ratio， ACPR） 这个指标来表示。

在无线通信测试中，需要对带外辐射和杂散辐射极为关注，蜂窝无线电系统必须检测是否存在有害辐射；载波信号中也会存在干扰其他系统的谐波成分，因此，无线通信测试中也要关注调制在载波上的信息信号的失真问题；三阶互调可能造成严重干扰，因为其失真成分可能落在目标频段内，导致无法有效滤除；噪声往往是需要测量的信号，任何有源电路或设备都会产生过量噪声，噪声系数和信噪比（SNR）等测试对于表征设备性能及其对整体性能的贡献至关重要。

电磁干扰（EMI）是指有意或无意的辐射源产生的有害电磁辐射。这些辐射可能通过导线传导（如电源线或其他连接线）或直接辐射，从而影响其他系统的正常运行。因此，几乎所有设计或制造电气电子产品的人员，都必须按照政府机构或行业标准制定的法规，对辐射水平与频率进行测试。 

图1-3、图1-4、图1-5、图1-6 射频测试四种场景

当然，这并不意味着，时域测试不重要，有些测量甚至只能通过时域才能完成。例如，纯时域测量包含信号电压、脉冲上升时间、下降时间、过冲等指标，而针对时域中数字信号测试，我们一般使用示波器；频域中测试射频信号我们需要使用频谱分析仪。

三  优化本底噪声和分辨率带宽

对于射频（RF）测试而言，频谱分析仪或信号分析仪是必备的基础测量“武器”，其中有几个注意事项：

1. 从测试开始前优化测试精度。我们需要了解信号分析仪的固有精度，并识别被测设备（DUT）连接过程中的误差源。结合良好的测量规范与分析仪的实用功能，不仅能减小误差，还可能缩短测试时间。

如图1-6，当被测设备（DUT）与已校准的分析仪连接后，信号传输网络（如线缆等连接器）可能会导致目标信号衰减或失真。对这些影响进行修正或补偿是确保测量精度最大化的关键。借助分析仪的内置幅度修正功能，搭配信号源和功率计，即可便捷高效地实现这一目标。

图1-6：DUT 与分析仪的连接质量会影响测量精度和可重复性，且影响会随频率升高而加剧。

如图1-7展示了某信号传输网络的实测频率响应特性，该网络会对被测设备（DUT）的信号产生衰减。要消除这类非预期影响，首先需在目标频率范围内测量信号传输网络的频率响应。

图1-7 这条迹线显示了针对 DUT 与分析仪的连接所测得的频率响应。

信号分析仪的幅度修正功能，能够剔除这些“失真”。分析仪采用一系列频率/幅度配对，将其进行线性连接，以产生对应测量显示点的校正系数。然后再依据修正结果调整显示的幅度，如图1-8。

图1-8，信号传输网络带来的非预期衰减与增益已从测量结果中剔除。

该过程可将测量参考面从分析仪前面板转移至被测设备（DUT） 。多数信号分析仪支持存储多组不同的校正数据，分别适配不同的设备配置或分析仪参数设置，也可针对电缆与适配器的不同组合保存对应的校正值。

需要重点关注被测设备（DUT）与分析仪的连接部分，包括电缆和连接器的长度、类型及质量。对连接器的妥善维护（例如按规定扭矩紧固），有助于实现最小损耗、良好的阻抗匹配和稳定的测量重复性。

在高难度测量场景中，可通过将分析仪的有效输入端口尽量靠近被测设备（DUT）来提升测量性能。例如，测量极微弱信号时，可将外部前置放大器直接连接至被测设备（DUT），以此提高信号电平，缓解信号衰减或噪声叠加等问题。如今的智能前置放大器能自动配置分析仪，并上传自身的增益和频率响应数据，支持精准校正。

同理，智能混频器可助力超高频率下的测量。这类混频器可直接安装在被测设备（DUT）的输出端（通常为波导直接连接），其会自动完成设备识别，并下载自身的转换系数，确保测量结果的精准显示。

2. 设定分辨率带宽时“如何取舍”。分辨率带宽设置是一项基础分析参数。当测量目标为分离关键频谱成分、设定本底噪声水平（以便更清晰地将目标信号与分析仪或被测设备（DUT）产生的噪声区分开）时，这一参数尤为重要。

在执行高要求测量时，频谱分析仪需具备高精度，且需要在测量速度与高动态范围之间达到良好平衡。多数情况下，偏重其中一项会对另一项产生不利影响，而核心权衡点之一便是分辨率带宽的宽窄选择。

窄带宽设置在测量低电平信号时具有显著优势：它能降低频谱分析仪的显示平均噪声电平（DANL），进而提升动态范围并改善测量灵敏度。如图1-9所示，对于一个表观值为–103 dBm 的信号，将分辨率带宽从 100 KHz 调整至 10 KHz 后，测量结果更精准：分辨率带宽缩小 10 倍，显示平均噪声电平（DANL）可优化 10 dB。

图1-9：将分辨率带宽从 100 KHz 降至 10 KHz，可改善显示平均噪声电平（DANL），使目标信号更易识别。

但并不是所有情况都需要窄带宽设置。首先第一个缺点是，窄带宽设置会使扫描速度变慢。如图1-10和图1-11对比了使用 10 KHz 和 3 KHz 分辨率带宽分析仪测量 200 MHz 信号时的扫描时间。

图1-10，10KHz分辨率带宽的扫描时间是2.41秒。

图1-11，3KHz分辨率带宽的扫描时间是26.8秒。

第二个缺点是，对于调制信号，诸如4G/5G通信信号一般带宽在100-200KHz，毫米波信号带宽甚至高达1GHz，分析仪分辨率带宽需要设置得足够宽，才能确保包含信号的所有边带，否则，测量得到的功率值会不准确。同时，带宽较宽、且信号间隔密集的数字调制信号，可以采用积分带宽功率测量法，利用窄分辨率带宽测量多个点并积分功率，从而覆盖整个信号带宽的方法，往往是最实用的技术方案。

另外，现代信号分析仪借助数字信号处理技术 ，如快速傅里叶变换（FFT），即便使用窄分辨率带宽，也能确保测量精度并提升扫描速度。“快速扫描” 功能可使窄带宽设置下的扫描速率提升超 50 倍。

刘工洋洋洒洒，篇幅很长，还写了如何提升测试低电平信号的灵敏度、优化失真测量的动态范围……在最后写到利用实时分析功能几个字后，又迅速用笔划掉，随后甩了甩长时间用笔的手，舒了口气，离开议事堂。

四 如何发现并测量难捕捉信号

无论你从事无线通信领域还是航空航天 / 国防领域，许多信号都属于脉冲信号、突发信号，或是呈现出必须进行表征的复杂瞬态特性。在部分场景中，非预期信号或异常行为会被掩盖，因此难以检测或分离。

许多信号分析仪采用的数字化架构与高速数字信号处理（DSP）技术，通过两种方式满足上述需求：一是实时频谱分析仪（RTSA）功能，二是矢量信号分析仪中的信号录制 / 回放功能。此前，这两项功能均以独立的专用产品形式存在。

实时频谱分析仪（RTSAs）在中频（IF）处理单元中采用专用处理技术，对表征中频输入信号的连续采样数据流进行频谱计算。其频谱计算速度足够快，能够处理所有信号采样点，生成无间隙的频谱结果，确保不会遗漏任何信号或异常行为。

由于实时频谱分析仪（RTSA）的频谱生成速率极高 —— 每秒可达数千帧，人眼无法看清或解读单个频谱。因此，频谱通常以特定显示模式呈现：这类显示一般采用颜色编码，直观指示结果中特定幅值 / 频率组合的出现频次。通过调整这些频谱密度图的颜色与明暗度，可清晰呈现或重点突出高频次事件，更常见的是捕捉低频次事件（见图1-12）。

图1-12：2.4 GHz 工业、科学及医疗（ISM）频段的空中频谱密度测量结果，包含短暂的蓝牙跳频信号和持续时间更长的无线局域网（WLAN）传输信号。出现频次较高的幅值和频率组合以红色和黄色显示，低频次组合则以蓝色显示（例如蓝牙跳频信号）。

实时频谱密度图在追踪间歇性信号或异常行为时极具价值，其背后的测量数据还可用于生成触发信号，以分离特定信号或行为。频率模板可手动或自动生成，当信号违反模板设定时，便会触发一个事件（见图1-13）。

图1-13：在实时频谱分析仪（RTSA）选件中，频率模板触发功能通过频谱上方的深绿色阴影区域标识，模板中的幅值 / 频率组合由圆形标记界定。超出模板范围的信号跳变会触发一个事件。

图1-14通过频率模板触发启动采集过程，并对单次频率跳变信号进行后续解调分析。

在追踪难捕捉的信号或异常行为时，最有效的分析技术是将频率模板触发功能与矢量信号分析仪（VSA）的信号采集 / 回放功能相结合。实时频谱分析仪（RTSA）基于频率模板触发得到的测量结果仅包含功率谱，而矢量信号分析仪（VSA）的信号采集（或时域捕获）功能会记录信号的完整时域数据 —— 这是一种复矢量信号。通过对这份完整记录进行后处理，矢量信号分析仪（VSA）可执行多种类型的分析，包括频谱分析、时域分析和解调分析（见图1-14）。

如今，实时频谱分析仪（RTSA）功能，矢量信号分析仪中的信号录制 / 回放功能，已成为是德科技（Keysight）X 系列等主流信号分析仪的可选配置。