作者/ Bob Allison
編譯/ 陳振宇（BG1ESR）
圖1：RIGOL 的DSA815-TG頻譜分析儀
頻譜分析儀是用于測量射頻信號幅度與頻率之間關系的測量儀器，通常用于頻域測量。而用于時域測量通常使用的儀器是示波器。頻譜分析儀可以用于測量頻率、功率幅度、諧波、帶寬以及其他射頻信號相關的參數。
我在ARRL實驗室經常進行的一個重要測試項目是對發射機或功放進行帶外輻射指標的測試。在該指標的測試過程中，會測量發射信號的所有諧波和雜散相對基波（載波）信號的電平幅度差。通常我們采用經過計量的Agilent/HP 8563E頻譜分析儀進行測試，這臺頻譜分析儀的頻率覆蓋范圍為9kHz～26.5GHz。HP 8563E是一臺非常精確的，實驗室級別的專業儀器，但它的價格會讓絕大多數火腿和電子愛好者望而生畏。即便是一臺二手的HP 8563E這樣的實驗室級別的頻譜分析儀，通常還要賣到幾萬美金的價格，廣大愛好者通常都沒有能力負擔這個價格區間的儀器。
RIGOL（北京普源精電科技有限公司）是一家近年來在測試測量領域嶄露頭角的中國公司，它的產品目前已經廣泛的在全世界范圍內進行銷售。RIGOL最近推出了型號為DSA815的頻譜分析儀，頻率覆蓋范圍從9kHz～1.5GHz，在美國的定價從1295美元起。這臺頻譜分析儀在《QST》雜志上登過廣告，也在幾個火腿節上進行過展示。ARRL的許多會員向我們咨詢這個儀器，他們覺得這個頻譜分析儀是“難以置信的好”。作為一名測試工程師，我也很好奇究竟這是不是真的，因此我們的產品評測編輯訂購了一臺DSA815-TG，該型號帶有工廠預裝的跟蹤源，價格為1495美元（不含稅）。
概 況
RIGOL的DSA815是一臺設計非常緊湊的儀器，主機頂部帶有提手，重量大約為9.4磅（約4.25公斤），既適合于實驗室使用，也適合于便攜移動使用。儀器的8寸彩色液晶屏占據了前面板上的主要面積，分辨率為800×480像素。這臺頻譜分析儀的絕大部分控制按鍵都與其他更高價位的同類儀器類似，因此任何熟悉頻譜分析儀使用的用戶都會很容易理解基礎功能的使用。
不需要通過大多數老式專業的頻譜分析儀上常見的GPIB接口，采用DSA815上的USB主從接口并配合控制面板上專用的PRINT（打印）按鈕，可以非常容易的獲取屏幕顯示的頻譜曲線和相關儀器設置數據。（GPIB——General Purpose Interface Bus, 通用接口總線——又稱為IEEE488總線。RIGOL提供了一個USB轉GPIB轉換器選件。）我非常喜歡它的可翻轉前支撐腳設計，支撐起來以后使得儀器在臺面上的操作更加符合人體工程學要求。儀器的側面有通風孔，所選用的風扇也很安靜。
前面板上有兩個50Ω特性阻抗的N型接頭，分別用于射頻輸入（RF INPUT）和跟蹤源輸出（GEN OUTPUT）。在后面板上除了交流電源插座外，還有USB和LAN接口，以及3個BNC接頭，分別用于10MHz參考信號的輸入、輸出和觸發信號輸入。從外面看起來，整機設計顯得非常干練和現代，不知道內部功能和性能如何呢？
盡管我沒能把這個儀器整機進行拆解和分析（會影響校準精度），但根據RIGOL的廠家解釋，“DSA815采用全數字中頻技術（利用DSP技術進行數字信號處理），使得該頻譜分析儀在實現更小的分辨率帶寬設置的同時，減小了本底平均噪聲水平。”儀器的最小分辨率濾波器帶寬為100Hz。采用全數字中頻技術能夠極大的降低硬件電路的復雜度，同時這是整機結構十分緊湊的原因之一。儀器頻率覆蓋范圍為9kHz～1.5GHz，適用于絕大部分業余無線電設備的測試。RIGOL也提供其他系列的頻譜分析儀(DSA1000A系列)，能夠覆蓋最高到3GHz的頻率范圍，并且具有更高的靈敏度和更窄的分辨率帶寬。
在ARRL實驗室當中，我們的射頻屏蔽室和相關的測試儀器主要用于測試常見的業余電臺設備，不具備測試其他實驗室儀器的條件。為了驗證DSA815儀器性能指標是否符合廠家宣稱的指標水平，我將這臺儀器寄到了位于馬塞諸塞州Chelmsford市的Essco計量實驗室，該實驗室為我們實驗室中的測試儀器提供年度計量服務。Essco檢查了這臺儀器的所有性能指標，很快就貼好計量標簽并寄回到ARRL實驗室。表1列出了RIGOL這臺DSA815-TG的關鍵性能指標，Essco經過測試后也確認其測試結果符合指標“標稱”。
表1 RIGOL生產的頻譜分析儀，型號為DSA815-TG，序列號DSA8A142400036
以下廠家聲稱的性能指標經位于馬塞諸塞州Chelmsford市的Essco計量實驗室檢定后確認為符合指標范圍。
應 用
DSA815或者任何其他頻譜分析儀的使用者都需要非常注意輸入到儀器測試輸入端的功率水平。以RIGOL的產品（DSA815）為例，如果輸入超過+20dBm（100mW）功率的射頻信號到儀器當中，很可能會有一定的風險，如果儀器損壞的話，維修和重校準的費用十分高昂。因此在測試過程中，通常在被測設備和頻譜分析儀之間要串聯功率衰減器和步進衰減器。在實驗室中，處于安全考慮，以及避免由于過載帶來額外的測量誤差，通常控制輸入信號幅度不超過1mW，或者利用衰減器將信號幅度衰減到這個大小再進行測量。如欲了解更多關于我們如何使用頻譜分析儀對業余電臺設備進行各種測試的信息，請查看網站上的ARRL實驗室操作指南相關文檔。ARRL手冊中在測試測量一章中也詳細介紹了頻譜分析儀的相關使用方法。
在現場進行測試
2012年10月份在加州圣克拉拉舉辦的ARRL Pacificon全國大會上，我們的DSA815-TG很快就為大會提供服務。在這個大會上，我們搭建了一個由RIGOL的頻譜分析儀、功率衰減器和步進衰減器以及一個鳥牌43型功率計組成的測試系統展臺（如圖3所示）。利用這套系統，我測試了幾百個V段和U段的手臺，每個手臺的主人都非常希望了解他（她）自己的電臺是否符合FCC頻譜純凈度的規范要求（FCC規范97.307e部分）。在整個活動過程當中RIGOL的儀器不負所望，精確測試并忠實記錄了每個電臺的實際性能水平，不像某些被測電臺的實際性能未能符合FCC的規范要求。另外，盡管展臺頂部的熒光燈非常明亮，但每個來到我這個展臺的人都能夠非常容易的讀取這臺頻譜儀液晶屏上顯示的內容。
圖3 圖中穿白大褂的是Bob Allison，呼號WB1GCM。在2012年11月的ARRL全國大會上，Bob協助來訪者檢查他們手臺的頻譜純度。大部分電臺都符合FCC的標準要求，但也有個別例外。
在ARRL實驗室進行測試
回到ARRL實驗室，我全面使用了一下這臺DSA815-TG，并用它進行了一些收發信機的常規性能測試。我也發現DSG815-TG的跟蹤源非常實用，利用它來掃描測試功放測試過程中所用的帶通濾波器性能十分簡便易行。圖4是一個帶通濾波器的頻響曲線圖，測試過程中，跟蹤源輸出幅度為-20dBm，起始頻率為0MHz，終止頻率為30MHz。而后我用存儲功能將該帶通濾波器的頻響曲線轉換為CSV（Comma Separated Values, 帶有逗號分隔的X軸和Y軸數據）的文件格式存儲到U盤上。我用DPlot繪圖軟件利用這個CSV文件繪制了如圖5所示的數據曲線圖。仔細觀察發現，我們的濾波器在4MHz的頻點上有5dB的衰減，這對于75米波段頂端附近的信號會帶來額外的衰減（幸好測試發現了）。由于我們原有的HP 8563E頻譜分析儀沒有跟蹤源選件，我采用HP8563E頻譜分析儀和IFR2040信號發生器搭建了一個測試系統對同一個帶通濾波器在幾個選定的頻點上進行了測量。其測量結果與RIGOL的DSA815-TG所獲得的測試結果高度一致。對于基礎測量需求而言，看起來RIGOL的DSA815-TG已經能夠完成任何一臺更加昂貴的頻譜分析儀能夠完成的絕大部分任務。更貴的高端頻譜分析儀能夠實現更大的測試頻段覆蓋范圍，并且當頻譜掃寬在1MHz及以下的時候，高端頻譜分析儀能夠提供更小的分辨率帶寬。也就是說，在同樣的掃寬設置下，能夠提供更加精細的頻譜細節情況。表2是DSA815和HP 8563E在這方面的能力比較。
圖4 DSA815-TG內置的掃頻源可以用于測試濾波器的性能。圖示為一個80m波段帶通濾波器的幅頻響應曲線。
圖5 圖示曲線為有圖四中進行的濾波器掃頻測試后，將測試結果保存為CSV格式，然后導入到DPlot處理軟件后繪制得到的，測試過程中所用掃頻范圍為1到10MHz。
其他功能
DSA815-TG前面板上有一個AUTO按鈕，按下這個按鈕，儀器能夠自動尋找并顯示未知輸入信號的頻率和幅度。進行手臺發射狀況測試（手臺通過衰減器連接到頻譜儀的輸入端）的時候，我經常使用這個功能，并且每次使用都很方便。通過AUTO功能，手臺的載波信號會自動顯示到屏幕中央，并且幅度量程也自動調整到合適的范圍進行顯示。我也試過將一個V/U雙段的地網天線（GP天線）連接到頻譜儀的輸入端，然后按下AUTO按鈕，很好，本地調頻廣播電臺的信號作為最強的信號自動顯示在DSA815的屏幕上了。
大部分頻譜分析儀都會有一個耳機接口，RIGOL的頻譜分析儀也是這樣。通過這個耳機接口，用戶可以利用頻譜分析儀的解調功能收聽調頻或者調幅的模擬廣播。經過一番調整之后，我可以讓RIGOL的頻譜分析儀播放出一個本地調頻廣播電臺的音樂，但很遺憾，解調出來的聲音音量有點小。（譯者注：這是一個已知的軟件BUG，在當前發售的儀器當中已經通過軟件升級解決了。）
我還碰到的另外一個問題是，在快速調整分辨率帶寬、頻率掃寬和解調時間的時候，頻譜分析儀的譜線顯示不刷新了。儀器通常會在我的設置調整完畢之后幾秒鐘時間內恢復正常，但有一回，我被迫通過開關機讓儀器重啟以恢復正常使用。
選附件
DSA815-TG隨機配套了一個印刷版的快速指南和一張光盤，光盤內有用戶手冊和編程手冊的電子版。你需要自行配套相應的射頻電纜和衰減器等部件以進行相關的測試工作。
RIGOL為DSA815頻譜分析儀提供了一系列的選附配件，附件包括USB到GPIB的轉換適配器，機架安裝套件，便攜背包以及功率衰減器等；軟件選件包括VSWR測試功能，EMI/準峰值檢波器功能以及一個高級測量軟件功能包，高級測量可以進行包括鄰道功率、占用帶寬，發射帶寬，諧波失真及三階互調失真等多個測量功能；配件還有一個工具套件，包括一系列的電纜、射頻接頭轉換適配器和天線等。
DSA815上還有一個選件功能是我希望有的，那就是通過內置電池供電，這個功能在其他廠家的便攜式的頻譜分析儀和數字存儲示波器上曾經見到過。如果有這個內置電池供電的功能，會讓這個設計緊湊的儀器在進行野外測量的時候更加強大。
小結
頻譜分析儀對于任何希望進行振蕩器、放大器、濾波器、發射機及其他射頻單元進行電路制作、調試或評測的愛好者來說，都是一個非常有用的工具。早先大部分愛好者能夠買得起在家里使用的頻譜分析儀都是很舊的、非專業的型號。這種頻譜分析儀經常是已經很長時間沒有校準過了，如果出現故障的話，不是無法維修就是修起來非常困難。最近也有愛好者將相對簡單的硬件配合計算機的聲卡和軟件配套組合制造出一個相對便宜的射頻頻譜分析儀。但現在大家已經有了更好的選擇，RIGOL的DSA815又將技術向前推進了一步，利用數字信號處理技術設計制造出了一個低成本、高集成度和高精度的測試儀器。
總體說來，我對DSA815-TG的性能和易用性非常滿意。功能強大，體積小巧的DSA815頻譜分析儀對于任何測試臺來說都是可以考慮添加的下一臺儀器。