关于RIGOL DSA815-TG频谱分析仪的分析

　　
　　图1：RIGOL 的DSA815-TG频谱分析仪
　　频谱分析仪是用于测量射频信号幅度与频率之间关系的测量仪器，通常用于频域测量。而用于时域测量通常使用的仪器是示波器。频谱分析仪可以用于测量频率、功率幅度、谐波、带宽以及其他射频信号相关的参数。
　　我在ARRL实验室经常进行的一个重要测试项目是对发射机或功放进行带外辐射指标的测试。在该指标的测试过程中，会测量发射信号的所有谐波和杂散相对基波（载波）信号的电平幅度差。通常我们采用经过计量的Agilent/HP 8563E频谱分析仪进行测试，这台频谱分析仪的频率覆盖范围为9kHz～26.5GHz。HP 8563E是一台非常精确的，实验室级别的专业仪器，但它的价格会让绝大多数火腿和电子爱好者望而生畏。即便是一台二手的HP 8563E这样的实验室级别的频谱分析仪，通常还要卖到几万美金的价格，广大爱好者通常都没有能力负担这个价格区间的仪器。
　　
　　图2 在实验室里我们利用1~2个大功率衰减器和1个步进衰减器将被测发射机的信号功率衰减到测试仪器能够接受的一个安全的功率水平下（通常会调整到1mW左右的）。图中DSA815-TG被用于测试一部2m手台发射的基波信号和谐波信号。
　　结论： RIGOL的DSA815-TG是一台资深电子爱好者及现场服务工程师能负担得起的轻便型频谱分析仪，还可应用于无线电爱好者的各种无线电活动中。
　　RIGOL（北京普源精电科技有限公司）是一家近年来在测试测量领域崭露头角的中国公司，它的产品目前已经广泛的在全世界范围内进行销售。RIGOL最近推出了型号为DSA815的频谱分析仪，频率覆盖范围从9kHz～1.5GHz，在美国的定价从1295美元起。这台频谱分析仪在《QST》杂志上登过广告，也在几个火腿节上进行过展示。ARRL的许多会员向我们咨询这个仪器，他们觉得这个频谱分析仪是“难以置信的好”。作为一名测试工程师，我也很好奇究竟这是不是真的，因此我们的产品评测编辑订购了一台DSA815-TG，该型号带有工厂预装的跟踪源，价格为1495美元（不含税）。
　　概 况
　　RIGOL的DSA815是一台设计非常紧凑的仪器，主机顶部带有提手，重量大约为9.4磅（约4.25公斤），既适合于实验室使用，也适合于便携移动使用。仪器的8寸彩色液晶屏占据了前面板上的主要面积，分辨率为800×480像素。这台频谱分析仪的绝大部分控制按键都与其他更高价位的同类仪器类似，因此任何熟悉频谱分析仪使用的用户都会很容易理解基础功能的使用。
　　不需要通过大多数老式专业的频谱分析仪上常见的GPIB接口，采用DSA815上的USB主从接口并配合控制面板上专用的PRINT（打印）按钮，可以非常容易的获取屏幕显示的频谱曲线和相关仪器设置数据。（GPIB——General Purpose Interface Bus， 通用接口总线——又称为IEEE488总线。RIGOL提供了一个USB转GPIB转换器选件。）我非常喜欢它的可翻转前支撑脚设计，支撑起来以后使得仪器在台面上的操作更加符合人体工程学要求。仪器的侧面有通风孔，所选用的风扇也很安静。
　　前面板上有两个50Ω特性阻抗的N型接头，分别用于射频输入（RF INPUT）和跟踪源输出（GEN OUTPUT）。在后面板上除了交流电源插座外，还有USB和LAN接口，以及3个BNC接头，分别用于10MHz参考信号的输入、输出和触发信号输入。从外面看起来，整机设计显得非常干练和现代，不知道内部功能和性能如何呢？
　　尽管我没能把这个仪器整机进行拆解和分析（会影响校准精度），但根据RIGOL的厂家解释，“DSA815采用全数字中频技术（利用DSP技术进行数字信号处理），使得该频谱分析仪在实现更小的分辨率带宽设置的同时，减小了本底平均噪声水平。”仪器的最小分辨率滤波器带宽为100Hz。采用全数字中频技术能够极大的降低硬件电路的复杂度，同时这是整机结构十分紧凑的原因之一。仪器频率覆盖范围为9kHz～1.5GHz，适用于绝大部分业余无线电设备的测试。RIGOL也提供其他系列的频谱分析仪（DSA1000A系列），能够覆盖最高到3GHz的频率范围，并且具有更高的灵敏度和更窄的分辨率带宽。
　　在ARRL实验室当中，我们的射频屏蔽室和相关的测试仪器主要用于测试常见的业余电台设备，不具备测试其他实验室仪器的条件。为了验证DSA815仪器性能指标是否符合厂家宣称的指标水平，我将这台仪器寄到了位于马塞诸塞州Chelmsford市的Essco计量实验室，该实验室为我们实验室中的测试仪器提供年度计量服务。Essco检查了这台仪器的所有性能指标，很快就贴好计量标签并寄回到ARRL实验室。表1列出了RIGOL这台DSA815-TG的关键性能指标，Essco经过测试后也确认其测试结果符合指标“标称”。
　　表1 RIGOL生产的频谱分析仪，型号为DSA815-TG，序列号DSA8A142400036
　　以下厂家声称的性能指标经位于马塞诸塞州Chelmsford市的Essco计量实验室检定后确认为符合指标范围。
　　
　　应 用
　　DSA815或者任何其他频谱分析仪的使用者都需要非常注意输入到仪器测试输入端的功率水平。以RIGOL的产品（DSA815）为例，如果输入超过+20dBm（100mW）功率的射频信号到仪器当中，很可能会有一定的风险，如果仪器损坏的话，维修和重校准的费用十分高昂。因此在测试过程中，通常在被测设备和频谱分析仪之间要串联功率衰减器和步进衰减器。在实验室中，处于安全考虑，以及避免由于过载带来额外的测量误差，通常控制输入信号幅度不超过1mW，或者利用衰减器将信号幅度衰减到这个大小再进行测量。如欲了解更多关于我们如何使用频谱分析仪对业余电台设备进行各种测试的信息，请查看网站上的ARRL实验室操作指南相关文档。ARRL手册中在测试测量一章中也详细介绍了频谱分析仪的相关使用方法。
　　在现场进行测试
　　2012年10月份在加州圣克拉拉举办的ARRL Pacificon全国大会上，我们的DSA815-TG很快就为大会提供服务。在这个大会上，我们搭建了一个由RIGOL的频谱分析仪、功率衰减器和步进衰减器以及一个鸟牌43型功率计组成的测试系统展台（如图3所示）。利用这套系统，我测试了几百个V段和U段的手台，每个手台的主人都非常希望了解他（她）自己的电台是否符合FCC频谱纯净度的规范要求（FCC规范97.307e部分）。在整个活动过程当中RIGOL的仪器不负所望，精确测试并忠实记录了每个电台的实际性能水平，不像某些被测电台的实际性能未能符合FCC的规范要求。另外，尽管展台顶部的荧光灯非常明亮，但每个来到我这个展台的人都能够非常容易的读取这台频谱仪液晶屏上显示的内容。
　　
　　图3 图中穿白大褂的是Bob Allison，呼号WB1GCM。在2012年11月的ARRL全国大会上，Bob协助来访者检查他们手台的频谱纯度。大部分电台都符合FCC的标准要求，但也有个别例外。
　　在ARRL实验室进行测试
　　回到ARRL实验室，我全面使用了一下这台DSA815-TG，并用它进行了一些收发信机的常规性能测试。我也发现DSG815-TG的跟踪源非常实用，利用它来扫描测试功放测试过程中所用的带通滤波器性能十分简便易行。图4是一个带通滤波器的频响曲线图，测试过程中，跟踪源输出幅度为-20dBm，起始频率为0MHz，终止频率为30MHz。而后我用存储功能将该带通滤波器的频响曲线转换为CSV（Comma Separated Values， 带有逗号分隔的X轴和Y轴数据）的文件格式存储到U盘上。我用DPlot绘图软件利用这个CSV文件绘制了如图5所示的数据曲线图。仔细观察发现，我们的滤波器在4MHz的频点上有5dB的衰减，这对于75米波段顶端附近的信号会带来额外的衰减（幸好测试发现了）。由于我们原有的HP 8563E频谱分析仪没有跟踪源选件，我采用HP8563E频谱分析仪和IFR2040信号发生器搭建了一个测试系统对同一个带通滤波器在几个选定的频点上进行了测量。其测量结果与RIGOL的DSA815-TG所获得的测试结果高度一致。对于基础测量需求而言，看起来RIGOL的DSA815-TG已经能够完成任何一台更加昂贵的频谱分析仪能够完成的绝大部分任务。更贵的高端频谱分析仪能够实现更大的测试频段覆盖范围，并且当频谱扫宽在1MHz及以下的时候，高端频谱分析仪能够提供更小的分辨率带宽。也就是说，在同样的扫宽设置下，能够提供更加精细的频谱细节情况。表2是DSA815和HP 8563E在这方面的能力比较。
　　
　　图4 DSA815-TG内置的扫频源可以用于测试滤波器的性能。图示为一个80m波段带通滤波器的幅频响应曲线。
　　
　　图5 图示曲线为有图四中进行的滤波器扫频测试后，将测试结果保存为CSV格式，然后导入到DPlot处理软件后绘制得到的，测试过程中所用扫频范围为1到10MHz。
　　
　　其他功能
　　DSA815-TG前面板上有一个AUTO按钮，按下这个按钮，仪器能够自动寻找并显示未知输入信号的频率和幅度。进行手台发射状况测试（手台通过衰减器连接到频谱仪的输入端）的时候，我经常使用这个功能，并且每次使用都很方便。通过AUTO功能，手台的载波信号会自动显示到屏幕中央，并且幅度量程也自动调整到合适的范围进行显示。我也试过将一个V/U双段的地网天线（GP天线）连接到频谱仪的输入端，然后按下AUTO按钮，很好，本地调频广播电台的信号作为最强的信号自动显示在DSA815的屏幕上了。
　　大部分频谱分析仪都会有一个耳机接口，RIGOL的频谱分析仪也是这样。通过这个耳机接口，用户可以利用频谱分析仪的解调功能收听调频或者调幅的模拟广播。经过一番调整之后，我可以让RIGOL的频谱分析仪播放出一个本地调频广播电台的音乐，但很遗憾，解调出来的声音音量有点小。（译者注：这是一个已知的软件BUG，在当前发售的仪器当中已经通过软件升级解决了。）
　　我还碰到的另外一个问题是，在快速调整分辨率带宽、频率扫宽和解调时间的时候，频谱分析仪的谱线显示不刷新了。仪器通常会在我的设置调整完毕之后几秒钟时间内恢复正常，但有一回，我被迫通过开关机让仪器重启以恢复正常使用。
　　选附件
　　DSA815-TG随机配套了一个印刷版的快速指南和一张光盘，光盘内有用户手册和编程手册的电子版。你需要自行配套相应的射频电缆和衰减器等部件以进行相关的测试工作。
　　RIGOL为DSA815频谱分析仪提供了一系列的选附配件，附件包括USB到GPIB的转换适配器，机架安装套件，便携背包以及功率衰减器等；软件选件包括VSWR测试功能，EMI/准峰值检波器功能以及一个高级测量软件功能包，高级测量可以进行包括邻道功率、占用带宽，发射带宽，谐波失真及三阶互调失真等多个测量功能；配件还有一个工具套件，包括一系列的电缆、射频接头转换适配器和天线等。
　　DSA815上还有一个选件功能是我希望有的，那就是通过内置电池供电，这个功能在其他厂家的便携式的频谱分析仪和数字存储示波器上曾经见到过。如果有这个内置电池供电的功能，会让这个设计紧凑的仪器在进行野外测量的时候更加强大。
　　小结
　　频谱分析仪对于任何希望进行振荡器、放大器、滤波器、发射机及其他射频单元进行电路制作、调试或评测的爱好者来说，都是一个非常有用的工具。早先大部分爱好者能够买得起在家里使用的频谱分析仪都是很旧的、非专业的型号。这种频谱分析仪经常是已经很长时间没有校准过了，如果出现故障的话，不是无法维修就是修起来非常困难。最近也有爱好者将相对简单的硬件配合计算机的声卡和软件配套组合制造出一个相对便宜的射频频谱分析仪。但现在大家已经有了更好的选择，RIGOL的DSA815又将技术向前推进了一步，利用数字信号处理技术设计制造出了一个低成本、高集成度和高精度的测试仪器。
　　总体说来，我对DSA815-TG的性能和易用性非常满意。功能强大，体积小巧的DSA815频谱分析仪对于任何测试台来说都是可以考虑添加的下一台仪器。