Keysight Technologies推出的 X-Series 信號分析儀平臺,正是為了應(yīng)對這一復(fù)雜挑戰(zhàn)而生的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)級解決方案。N9010B (EXA)、N9020B (MXA)、N9030B (PXA) 和 N9040B (UXA) 這四款儀器,雖然共享著相同的多點(diǎn)觸控(Multi-touch)用戶界面和 PathWave 軟件生態(tài),但在硬件架構(gòu)、射頻前端設(shè)計(jì)、本振純度以及數(shù)字信號處理能力上,存在著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢黼A梯差異。
本文旨在為資深射頻工程師、實(shí)驗(yàn)室管理者及系統(tǒng)集成商提供一份詳盡的技術(shù)指南。我們將剝離營銷術(shù)語的表象,深入儀器內(nèi)部的信號鏈路,解析這四款設(shè)備在相位噪聲、分析帶寬、動態(tài)范圍及實(shí)時(shí)處理能力上的本質(zhì)區(qū)別,并提供基于實(shí)際應(yīng)用場景(如5G EVM 優(yōu)化、雷達(dá)脈沖捕獲)的選型策略。


1.1 從頻譜分析到矢量信號分析的范式轉(zhuǎn)移
X-Series 被定義為“信號分析儀”,其核心變革在于引入了全數(shù)字中頻(All-Digital IF)和矢量分析能力。在經(jīng)過下變頻后,模擬中頻信號被高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)直接數(shù)字化,隨后的濾波、檢波、FFT 變換以及 IQ 解調(diào)均在 FPGA 和處理器中完成。這種架構(gòu)帶來了兩個(gè)決定性的優(yōu)勢:
1.
幅度和相位信息的完整保留:使得儀器不僅能顯示頻譜,還能解調(diào)復(fù)雜的數(shù)字信號(如 QAM, OFDM),測量誤差矢量幅度(EVM)。
2.
3.
分析帶寬(Analysis Bandwidth)的概念:儀器能夠在一個(gè)瞬間“凝視”一段頻譜,捕獲其包含的所有時(shí)變信息。這對于分析 5G 的 100 MHz 載波或雷達(dá)的短脈沖至關(guān)重要。
4.
然而,算法的一致性并不代表測量結(jié)果的一致性。硬件物理層的底噪、非線性失真和時(shí)鐘抖動,決定了算法所能達(dá)到的極限精度。接下來的章節(jié),我們將深入剖析這些硬件差異。
相位噪聲(Phase Noise)是衡量信號分析儀性能的最核心指標(biāo)之一,它直接反映了本振信號的頻譜純度。在測量鄰近大信號的小信號(如雷達(dá)的多普勒旁瓣)或高階調(diào)制信號(如 1024QAM)的 EVM 時(shí),本振的相位噪聲往往是測量的限制因素。
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N9010B (EXA) 與 N9020B (MXA):基于鎖相環(huán)(PLL)的合成器
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這兩款儀器采用了高性能的寬帶鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)。通過參考晶振鎖定壓控振蕩器(VCO)來產(chǎn)生本振信號。
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MXA 的優(yōu)化:相比EXA,MXA 采用了更低噪聲的 VCO 組件和更優(yōu)化的環(huán)路濾波器設(shè)計(jì),因此在 1 GHz 載波(10 kHz 偏移)處,MXA 的典型相位噪聲為 -114 dBc/Hz,而 EXA 為 -109 dBc/Hz。這 5 dB 的差異在 5G NR 的 EVM 測量中可能意味著合格與不合格的區(qū)別。
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N9030B (PXA) 與 N9040B (UXA):直接數(shù)字合成(DDS)本振
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這是高端與中端的分水嶺。PXA 和 UXA 引入了 Keysight 專有的 DDS 本振技術(shù)(選件 EP0)。DDS 不依賴于模擬 VCO 的物理諧振,而是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器直接合成波形,從而消除了傳統(tǒng)鎖相環(huán)中的許多噪聲源。
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性能飛躍:DDS 本振使得 PXA 和 UXA 在 1 GHz 載波(10 kHz 偏移)處的相位噪聲低至 -136 dBc/Hz。這一指標(biāo)比 MXA 好了整整 22 dB。這種極致的純凈度使得 PXA/UXA 能夠測量那些被掩蓋在相噪裙邊下的微弱信號,是高性能雷達(dá)和電子戰(zhàn)測試的唯一選擇。
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微波預(yù)選器旁路(Microwave Preselector Bypass, MPB)
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原理:在 3.6 GHz 以上,為了濾除鏡像頻率,頻譜儀通常使用 YIG 調(diào)諧濾波器(YTF)作為預(yù)選器。然而,YTF 的帶寬通常只有 30-80 MHz,且存在 2-3 dB 的插入損耗。
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差異:
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UXA (N9040B):標(biāo)配 MPB。
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PXA (N9030B):標(biāo)配或作為選件提供(取決于頻率選件)。
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MXA (N9020B):需要選配。
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應(yīng)用:當(dāng)進(jìn)行帶寬超過50 MHz 的寬帶信號分析(如 5G NR 100MHz 載波)時(shí),必須啟用 MPB 旁路掉 YTF,否則信號會被濾波器“切斷”。
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低噪聲路徑(Low Noise Path, LNP)
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原理:LNP 是一條特殊的硬件路徑,它旁路掉了前端的低波段開關(guān)組件和第一級衰減器之前的保護(hù)電路,直接將信號送入混頻器。這大大降低了路徑損耗。
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差異:僅 PXA 和 UXA 支持 LNP。MXA 和 EXA 硬件上不支持此功能。
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影響:LNP 結(jié)合低噪聲前置放大器,使得 PXA/UXA 的 DANL 能夠逼近物理熱噪聲極限(-174 dBm/Hz),對于空間探測等極限靈敏度場景至關(guān)重要。
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全旁路路徑(Full Bypass Path, FBP)
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原理:FBP 結(jié)合了 MPB 和 LNP,創(chuàng)造了一條從輸入端口直達(dá)混頻器的“無障礙”高速公路,最大限度地減少了路徑損耗和非線性失真。
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獨(dú)占性:這是 UXA 的殺手锏(N9042B 標(biāo)配,N9040B/30B 需特定配置及選件),專為毫米波寬帶 EVM 優(yōu)化設(shè)計(jì)。在 FBP 模式下,UXA 能夠獲得業(yè)內(nèi)最佳的寬帶信號信噪比(SNR)。
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分析帶寬(Analysis Bandwidth):
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EXA:標(biāo)配 25 MHz,最高 40 MHz。限制了其只能用于窄帶通信或拼接式頻譜測量。
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MXA:最高160 MHz。完美覆蓋 5G FR1 和 WiFi 6 (160 MHz) 需求。
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PXA:最高 510 MHz。進(jìn)入雷達(dá)和衛(wèi)星通信領(lǐng)域。
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UXA:最高 1 GHz。支持超寬帶雷達(dá)和 5G FR2 載波聚合。
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實(shí)時(shí)頻譜分析(RTSA):
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EXA:不支持內(nèi)部硬件 RTSA。它沒有專用的 FPGA 資源來進(jìn)行實(shí)時(shí)的重疊 FFT 處理和密度顯示。所謂的 "Real-time link" 僅指將 IQ 數(shù)據(jù)流出給外部 PC。
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MXA/PXA/UXA:支持 RT1/RT2 選件,具備真正的 RTSA 功能。區(qū)別在于實(shí)時(shí)帶寬(MXA 160 MHz vs PXA/UXA 510 MHz)和截獲概率(POI)。
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N9010B EXA(Economy)是 X-Series 的入門型號,但它的“入門”是相對于同門師兄而言。在通用測試領(lǐng)域,它依然是一臺性能強(qiáng)勁的精密儀器。
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頻率范圍:10Hz 至44 GHz(同軸),可擴(kuò)展至 1.1THz(外部混頻)。
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分析帶寬:標(biāo)配 25 MHz,可選 40 MHz (Option B40)。
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DANL:-165 dBm @ 1 GHz (典型值,前放開)。
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相位噪聲:-109 dBc/Hz @ 1 GHz (10 kHz 偏移)。
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掃描速度:具備“Fast Sweep”功能,顯著提升了雜散搜索的速度。
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EXA 的設(shè)計(jì)哲學(xué)是 “夠用就好,速度至上”。在生產(chǎn)線上,每一毫秒的測試時(shí)間(Test Time)都對應(yīng)著成本。EXA 優(yōu)化了本地處理器的指令調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸效率,使得其在進(jìn)行簡單的功率測量(Channel Power)和雜散搜索(Spurious Search)時(shí),速度甚至能與更高級的型號媲美。
適用場景:
1.
消費(fèi)電子產(chǎn)線(Manufacturing):手機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)、IoT 模塊的射頻校準(zhǔn)與綜測。這些設(shè)備的信號帶寬通常不大(< 40 MHz),且對相噪要求不極端。
2.
3.
毫米波元件測試:由于支持外部混頻,EXA 是搭建低成本 60 GHz 或 77 GHz 元件測試系統(tǒng)的理想載體。用戶只需購買昂貴的混頻器,而無需為 50 GHz 的主機(jī)買單。
4.
5.
EMC 預(yù)兼容測試:配合 N6141C EMI 測量應(yīng)用軟件,EXA 可作為高性價(jià)比的 EMI 接收機(jī)使用。
6.
7.
不適用場景:
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需要分析100 MHz 5G NR 信號 EVM 的場景(帶寬不足)。
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捕捉瞬態(tài)干擾(無RTSA 功能)。
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高性能基站研發(fā)(相噪和動態(tài)范圍不足)。
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頻率范圍:最高 50 GHz。
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分析帶寬:最高 160 MHz。這一指標(biāo)精準(zhǔn)卡位了 5G FR1 的最大單載波帶寬(100 MHz)和 Wi-Fi 6 的最大帶寬(160 MHz)。
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相位噪聲:-114 dBc/Hz @ 1 GHz (10 kHz 偏移)。比 EXA 改善了 5 dB,這 5 dB 對于 256QAM 甚至 1024QAM 的解調(diào)至關(guān)重要。
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EVM 性能:在5G NR 測試中,MXA 的殘余 EVM 可低至 0.3% (-50 dB),完全滿足 3GPP TS 38.141 對基站測試儀表的要求 。
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MXA 之所以成功,是因?yàn)樗谛阅芎蛢r(jià)格之間找到了完美的平衡點(diǎn)——“甜點(diǎn)”(Sweet Spot)。對于 90% 的無線通信研發(fā)和生產(chǎn)需求,MXA 提供了不僅僅是“夠用”,而是“優(yōu)異”的性能,同時(shí)避免了 PXA/UXA 昂貴的 DDS 本振和超寬帶硬件成本。
選件B1X (160 MHz 帶寬) 的重要性:
在選購MXA 時(shí),B1X 幾乎是必選項(xiàng)。它不僅開啟了寬帶解調(diào)能力,還意味著儀器內(nèi)部采用了更高速的 ADC 和更寬的中頻濾波器。如果只選擇 B25 (25 MHz),這臺 MXA 在面對現(xiàn)代通信標(biāo)準(zhǔn)時(shí)將不僅是“跛腳”,而是幾乎無法工作。
適用場景:
1.
5G 基站與終端研發(fā)驗(yàn)證(DVT):它是 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)符合性測試的主力。
2.
3.
Wi-Fi 6/6E 測試:160 MHz 帶寬完美適配。
4.
5.
無線模塊大規(guī)模生產(chǎn):兼顧了速度與矢量分析能力。
6.
7.

當(dāng)信號進(jìn)入航空航天與國防(A&D)領(lǐng)域,或者需要對無線通信進(jìn)行極限物理層分析時(shí),N9030B PXA(Performance)便登場了。
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分析帶寬:最高510 MHz。這使得 PXA 能夠捕獲寬帶線性調(diào)頻(Chirp)雷達(dá)信號的完整脈沖。
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DDS 本振(Option EP0):這是 PXA 的靈魂。它將近端相噪(< 1 kHz 偏移)和遠(yuǎn)端相噪都壓低到了物理極限。
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動態(tài)范圍:TOI @ 1 GHz 高達(dá) +22 dBm,DANL 低至 -174 dBm(帶前放和 NFE)。這就構(gòu)成了極大的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。
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在多普勒雷達(dá)系統(tǒng)中,目標(biāo)的速度通過回波的頻率偏移來測量。如果目標(biāo)的移動速度很慢(如地面上的車輛或行人),其多普勒頻移非常?。赡苤挥袔装貶z),且回波功率極低。如果分析儀的本振相位噪聲很差,其“裙邊”就會淹沒這個(gè)微弱的近端回波信號。
PXA 的 DDS 本振提供了極陡峭的相噪曲線,能夠清晰地將近端微弱信號從載波的“裙邊”中分離出來。這是 EXA 和 MXA 物理上無法做到的。
適用場景:
1.
高性能雷達(dá)系統(tǒng)測試:脈沖壓縮、旁瓣分析。
2.
3.
電子戰(zhàn)(EW)信號偵測:在強(qiáng)干擾下搜索微弱信號。
4.
5.
衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器測試:寬帶群時(shí)延和線性度測量。
6.
7.
5G 毫米波 OTA 測試:雖然 MXA 也能做,但在 Path Loss 極大的 OTA 環(huán)境中,PXA 的高靈敏度(LNP)能提供更準(zhǔn)確的結(jié)果。
8.
9.

N9040B UXA(Ultimate)不僅是儀器,更是通向未來的窗口。它的設(shè)計(jì)初衷是解決那些“尚未被定義”的挑戰(zhàn)。
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頻率范圍:同軸 50 GHz,N9041B 版本通過特殊設(shè)計(jì)可達(dá) 110 GHz 連續(xù)掃描。
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分析帶寬:1 GHz。這是目前臺式分析儀的頂峰之一。
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顯示界面:14.1 英寸電容大屏,能夠同屏顯示時(shí)域、頻域、調(diào)制域等多個(gè)視窗,便于從多維度洞察信號。
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全集成:許多在 PXA 上需要選配的功能(如 LNP, MPB, NFE)在 UXA 上是標(biāo)準(zhǔn)集成的,確保了出廠即巔峰的一致性。
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設(shè)計(jì)寬帶儀器最難的不是“做寬”,而是“做寬的同時(shí)保持干凈”。通常,帶寬越寬,引入的噪聲和雜散就越多。UXA 的偉大之處在于,在 1 GHz 的全帶寬下,依然保持了 > 78dBc 的 SFDR。這意味著,當(dāng)你在 1 GHz 的視窗里看到一個(gè)雜散信號時(shí),你可以確信它是來自被測件(DUT),而不是儀器自己產(chǎn)生的。這對于寬帶電子戰(zhàn)接收機(jī)的驗(yàn)證至關(guān)重要。
適用場景:
1.
6G 前沿研究:探索 Sub-THz 頻段和超寬帶波形。
2.
3.
復(fù)雜電磁環(huán)境復(fù)現(xiàn):配合寬帶記錄儀,長時(shí)間記錄 1 GHz 帶寬內(nèi)的電磁環(huán)境,并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)回放。
4.
5.
高端衛(wèi)星通信:Ka/Ku 波段的大容量轉(zhuǎn)發(fā)器測試。
6.
7.

(注:從-114 到 -136 的 22 dB 差異是巨大的。在對數(shù)刻度下,這意味著 PXA 的噪聲功率只有 MXA 的 0.6%。)


選對型號只是第一步,正確的選件配置決定了儀器能否真正工作。以下是一份標(biāo)準(zhǔn)化的選型邏輯流。
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原則:必須覆蓋被測信號的最高次諧波(通常是基波的 3 倍或 5 倍)。
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選項(xiàng):
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o
3.6 GHz / 7 GHz:適合 IoT、Sub-6G 通信。
o
o
13.6 GHz / 26.5 GHz:適合 Ku/K 波段雷達(dá)、微波鏈路。
o
o
32 GHz / 44 GHz / 50 GHz:適合 5G FR2 毫米波、Ka 波段衛(wèi)星。
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注意:頻率選件通常是硬件固定的,后期升級需要返廠,成本高昂,建議一次性規(guī)劃到位。
o
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這是最容易配錯(cuò)的地方。
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通用監(jiān)測/雜散:標(biāo)配 25 MHz 足矣。
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5G FR1 / Wi-Fi:必須選配 B1X(160 MHz) 或至少 B85 (85 MHz)。切記:EXA 無法滿足此需求。
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毫米波5G / 寬帶雷達(dá):必須選配 B2X(255 MHz) 或 B5X(510 MHz),僅 PXA/UXA 支持。
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前置放大器(Preamplifier):
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Pxx 選件:建議全頻段配齊。例如選了 26.5 GHz 的主機(jī),就配 P26 前放。這對于 OTA 測試和微弱信號搜索是必須的。
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衰減器(Attenuator):
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機(jī)械衰減器:標(biāo)配,步進(jìn) 2 dB(EXA/MXA/PXA)。
o
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電子衰減器(EA3):強(qiáng)烈推薦。電子衰減器壽命幾乎無限,適合產(chǎn)線高頻次切換,且步進(jìn)可達(dá) 1 dB,能更精細(xì)地優(yōu)化混頻器電平。
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微調(diào)步進(jìn)衰減器(FSA):在 PXA/UXA 上,用于精細(xì)控制機(jī)械衰減。
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MPB (微波預(yù)選器旁路):如果你配置了 > 40 MHz 的帶寬選件并在 3.6 GHz 以上使用,必須確認(rèn)配置了 MPB,否則帶寬會被濾波器切斷。在 UXA 上是標(biāo)配,在 MXA/PXA 上務(wù)必檢查。
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LNP (低噪聲路徑):如果預(yù)算允許且選擇了 PXA,強(qiáng)烈建議選配 LNP,它對毫米波靈敏度的提升是前放無法完全替代的。
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NFE (噪聲基底擴(kuò)展):現(xiàn)在通常作為標(biāo)準(zhǔn)功能或通過 License 開啟,務(wù)必激活以獲得最佳 DANL。
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硬件只是軀殼,軟件才是靈魂。
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N9085EM0E (5G NR 應(yīng)用):提供一鍵式的 5G EVM、功率、頻譜測量。
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N9067EM0E (脈沖分析應(yīng)用):自動測量雷達(dá)脈沖的上升時(shí)間、脈寬、PRI 等參數(shù)。
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89600 VSA 軟件:如果內(nèi)置應(yīng)用不夠用,或者需要極度靈活的自定義解調(diào),VSA 軟件是連接分析儀的終極工具。
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License 類型:推薦 Transportable License(可移動許可),允許在不同儀器間通過服務(wù)器流轉(zhuǎn)許可,保護(hù)資產(chǎn)投資。
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(上表匯總X 系列分析儀的主要技術(shù)指標(biāo):頻率范圍、最大分析帶寬、噪聲基底、相位噪聲、實(shí)時(shí)分析能力等,對照自己的實(shí)際需求和應(yīng)用,可以很清楚的知道哪款最適合。)
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N9010B EXA是 “效率的衛(wèi)士”。它摒棄了過剩的性能,以極致的速度和性價(jià)比守護(hù)著大規(guī)模制造的防線。
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N9020B MXA是 “通信的基石”。它在性能與成本之間劃出了完美的平衡線,支撐起全球無線通信產(chǎn)業(yè)的研發(fā)與迭代。
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N9030B PXA是 “精密的標(biāo)尺”。憑借DDS 本振和極致的射頻前端,它為雷達(dá)與國防電子提供了洞察微毫的物理層視野。
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N9040B UXA是 “未來的先鋒”。它以超寬帶和全集成架構(gòu),為6G 和未知電磁頻譜的探索鋪平了道路。
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·
對于工程師而言,選型不僅僅是比對Datasheet 上的數(shù)字,更是對測試任務(wù)物理本質(zhì)的深刻理解。希望本文能為您在復(fù)雜的射頻測試世界中,提供一份清晰的導(dǎo)航。
【注:本文基于Keysight 官方技術(shù)文檔及行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐編寫,核心指標(biāo)可能隨固件版本及硬件批次有所更新,具體請以官方最新數(shù)據(jù)表為準(zhǔn)。如您有測量儀器需求或有技術(shù)問題需要咨詢,歡迎線下聯(lián)絡(luò)我們。】
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