頻譜分析儀(以下稱頻譜儀)是射頻領(lǐng)域進(jìn)行信號測試分析的基礎(chǔ)儀器，幫助射頻工程師完成信號頻率與功率的測量。頻譜儀發(fā)展至今，衍生出如:超外差式頻譜儀，信號分析儀，實(shí)時(shí)頻譜儀等多種名稱，雖然叫法不同，但主要功能都還是進(jìn)行射頻/微波信號的測量，只是在處理/分析信號及擴(kuò)展性上各有側(cè)重。隨著各儀器廠家技術(shù)的進(jìn)步，頻譜儀的精度越來越高，分析功能越來越多，價(jià)格也越來越高，對于廣大中小企業(yè)而言，頻譜儀的投入往往是一件大事，那么，是否有一種可能選擇到性價(jià)比高的產(chǎn)品的同時(shí)也兼顧到信號測量的精度呢?今天我們就來談?wù)勅绾卧谑褂妙l譜儀測量時(shí)進(jìn)行必要的優(yōu)化。

1.     優(yōu)化低電平測量的靈敏度

頻譜儀對低電平信號的測量能力受限于頻譜儀的內(nèi)部噪聲。頻譜儀內(nèi)部混頻器及各級放大器會產(chǎn)生噪聲，通過檢波器會反映為顯示平均噪聲電平(DANL)。當(dāng)我們測量小信號的時(shí)候，信號幅度會接近頻譜儀內(nèi)部噪聲，被測信號信噪比越低，帶來的測量誤差也就越大。

       合理進(jìn)行參數(shù)設(shè)置可以改善本底噪聲，如圖1顯示了一個(gè)被頻譜儀DANL淹沒的信號，為了正確測量這一低功率信號，必須通過最小化輸入衰減，減小分辨率帶寬(RBW)，和開啟前置放大器這些方法來降低頻譜儀的DANL，從而讓小信號凸顯出來。

圖1

       首先，頻譜儀的輸入衰減器的設(shè)置會改變DANL，輸入衰減器用來保護(hù)頻譜儀的內(nèi)部電路不被大功率信號燒壞，輸入衰減器增大可以減小到達(dá)輸入混頻器的信號功率。由于頻譜儀的噪聲產(chǎn)生在輸入衰減器之后，大的輸入衰減設(shè)置會減小信噪比，在多數(shù)情況下，輸入衰減器的設(shè)置處于自動(dòng)（AUTO）狀態(tài)，即頻譜儀自動(dòng)設(shè)置（如DSA800E系列為10 dB），但在某些測試小功率信號的情況下，需要更小的輸入衰減器設(shè)置來降低頻譜儀的本底噪聲，此時(shí)應(yīng)把衰減器設(shè)置為0 dB。

       混頻器輸出后的放大器會放大被衰減的信號，除了放大輸入信號外，噪聲也同樣被放大，從而造成頻譜儀的DANL上升。然后信號通過RBW中頻濾波器，所以減小RBW可以使較低的噪聲能量到達(dá)頻譜儀的檢波器，可以降低頻譜儀的DANL。

圖2中的例子顯示出隨著頻譜儀設(shè)置的不同，DANL逐步降低。

 
圖2

        當(dāng)需要進(jìn)一步提高測量靈敏度時(shí)，應(yīng)該使用具有低噪聲和高增益的前置放大器。現(xiàn)在頻譜儀一般都具有內(nèi)部的前置放大器（預(yù)放），可以改善信噪比20dB左右（如DSA800系列為17dB）。這對一些小信號的測量（如雜散信號測量，-110 dBm以下信號功率測量）是非常有用的。頻譜儀內(nèi)部的預(yù)放默認(rèn)狀態(tài)是關(guān)閉的，使用時(shí)需要手動(dòng)打開。同時(shí)打開預(yù)放時(shí)要注意此時(shí)的輸入信號電平，避免損壞預(yù)放。

       當(dāng)進(jìn)行雜散信號測量時(shí)，要求雜散信號應(yīng)低于某個(gè)限值，DSA800E系列頻譜儀可以提供一個(gè)模板判定功能，如圖3所示，該功能把測得的軌跡數(shù)據(jù)與一組幅度和頻率限值線相比較。如果被測信號落在限值線內(nèi)，屏幕顯示PASS，如果信號超出限值線，屏幕顯示FAIL。該功能同樣能夠用于EMI預(yù)測試方向。

圖3

2.     識別內(nèi)部失真成分

在進(jìn)行諧波，雜散等項(xiàng)目測試時(shí)，需要對輸入信號載波之外的失真成分進(jìn)行測量分析。但需要注意的是，有時(shí)輸入信號較大并且輸入衰減設(shè)置不夠時(shí)，會造成頻譜儀內(nèi)部產(chǎn)生失真。這時(shí)，失真成分會對測量結(jié)果造成影響，甚至?xí)⑹д娈a(chǎn)物誤判為被測信號。如何判別失真是頻譜儀內(nèi)部產(chǎn)生的還是被測信號本身的失真？使用頻譜儀的輸入衰減器就可以簡單的作出判定。

圖4的為某信號的二次諧波，首先把頻譜儀的輸入衰減設(shè)為0 dB，然后開啟第二條軌跡，將輸入衰減設(shè)為10 dB，此時(shí)觀察頻譜儀顯示的測量軌跡是否有變化，如果沒有（如圖5），則內(nèi)部產(chǎn)生的失真對測量沒有影響，如果軌跡發(fā)生了變化，則說明頻譜儀的混頻器產(chǎn)生了內(nèi)部失真。此方法也能夠有效的鑒別偽信號。

圖4

圖5

3.    選擇合適的檢波方式

現(xiàn)代頻譜儀采用數(shù)字信號處理技術(shù)，在混頻，濾波后對信號作數(shù)字化處理，如圖6，頻譜儀顯示的頻譜為離散測試點(diǎn)的組合，離散點(diǎn)測試取值的方式取決于不同的檢波方式。不同性質(zhì)信號功率的測試結(jié)果與檢波器的選擇有關(guān)。

頻譜儀使用跡線將掃描的信號顯示在屏幕上。對于跡線上的每一點(diǎn)，頻譜儀總是捕獲一個(gè)特定時(shí)間間隔內(nèi)的全部數(shù)據(jù)。然后，使用當(dāng)前選中類型的檢波器對捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（取峰值、平均值等），將處理后的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上（一個(gè)點(diǎn)）。

圖6

選擇什么樣的檢波方式將直接影響到最終的測量結(jié)果。不同廠家的頻譜儀的檢波方式可能名稱不完全相同，下面以RIGOL公司的DSA800為例進(jìn)行介紹：

1. 正峰值：對于跡線上的每一個(gè)點(diǎn)，正峰值檢波顯示對應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)中的最大值。適用于CW信號及信號搜索測試。

2. 負(fù)峰值：對于跡線上的每一個(gè)點(diǎn)，負(fù)峰值檢波顯示對應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)中的最小值。適用于小信號測試。

3. 抽樣檢波：對于跡線上的每一個(gè)點(diǎn)，抽樣檢波顯示對應(yīng)時(shí)間間隔中心時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的瞬態(tài)電平。適用于噪聲或類似噪聲信號測試。

4. 標(biāo)準(zhǔn)檢波：標(biāo)準(zhǔn)檢波（也稱正態(tài)檢波或rosenfell檢波）依次選取采樣數(shù)據(jù)段中的最大值和最小值顯示，即對于跡線上每一個(gè)奇數(shù)號點(diǎn)，顯示采樣數(shù)據(jù)的最大值，對于跡線上每一個(gè)偶數(shù)號點(diǎn)，顯示采樣數(shù)據(jù)的最小值。使用標(biāo)準(zhǔn)檢波可直觀地觀察信號的幅度變化范圍。適用于正弦和噪聲成分的信號分析。

5. 有效值平均：對于每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，檢波器對相應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)做均方根計(jì)算。有效值平均檢波可以抑制噪聲，觀察弱信號。

6. 電壓平均：對于每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，檢波器對相應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)做算術(shù)平均。電壓平均處理后轉(zhuǎn)化為功率，適用于脈沖信號上升/下降時(shí)間測量。

7. 準(zhǔn)峰值（DSA800選件）：準(zhǔn)峰值檢波是峰值檢波的一種加權(quán)形式。對于每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，檢波器在對應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)檢測峰值，使用帶有特定的充電、放電結(jié)構(gòu)的電路和由CISPR Publication 16標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的顯示時(shí)間常數(shù)做為權(quán)值對已檢測的峰值進(jìn)行加權(quán)處理，顯示加權(quán)結(jié)果。特別適用于EMI測試。

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