頻譜分析儀(以下稱(chēng)頻譜儀)是射頻領(lǐng)域進(jìn)行信號(hào)測(cè)試分析的基礎(chǔ)儀器，幫助射頻工程師完成信號(hào)頻率與功率的測(cè)量。頻譜儀發(fā)展至今，衍生出如：超外差式頻譜儀、信號(hào)分析儀、實(shí)時(shí)頻譜儀等多種名稱(chēng)，雖然叫法不同，但主要功能都還是進(jìn)行射頻/微波信號(hào)的測(cè)量，只是在處理/分析信號(hào)及擴(kuò)展性上各有側(cè)重。

隨著各儀器廠(chǎng)家技術(shù)的進(jìn)步，頻譜儀的精度越來(lái)越高，分析功能越來(lái)越多，價(jià)格也越來(lái)越高，對(duì)于廣大中小企業(yè)而言，頻譜儀的投入往往是一件大事，是否有一種可能選擇到性?xún)r(jià)比高的產(chǎn)品的同時(shí)也兼顧到信號(hào)測(cè)量的精度呢?

我們今天來(lái)談?wù)勅绾卧谑褂妙l譜儀測(cè)量時(shí)進(jìn)行必要的優(yōu)化。

Chrent優(yōu)化低電平測(cè)量的靈敏度

頻譜儀對(duì)低電平信號(hào)的測(cè)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(jí)放大器會(huì)產(chǎn)生噪聲，通過(guò)檢波器會(huì)反映為顯示平均噪聲電平(DANL)。當(dāng)我們測(cè)量小信號(hào)的時(shí)候，信號(hào)幅度會(huì)接近頻譜儀內(nèi)部噪聲，被測(cè)信號(hào)信噪比越低，帶來(lái)的測(cè)量誤差也就越大。

合理進(jìn)行參數(shù)設(shè)置可改善本底噪聲，如圖1顯示一個(gè)被頻譜儀DANL淹沒(méi)的信號(hào)，為了正確測(cè)量這一低功率信號(hào)，必須通過(guò)最小化輸入衰減，減小分辨率帶寬(RBW)，和開(kāi)啟前置放大器等方法來(lái)降低頻譜儀的DANL，從而讓小信號(hào)凸顯出來(lái)。

圖1

首先，頻譜儀的輸入衰減器的設(shè)置會(huì)改變DANL，輸入衰減器用來(lái)保護(hù)頻譜儀的內(nèi)部電路不被大功率信號(hào)燒壞，輸入衰減器增大可以減小到達(dá)輸入混頻器的信號(hào)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(huì)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10dB)，但在某些測(cè)試小功率信號(hào)的情況下，需要更小的輸入衰減器設(shè)置來(lái)降低頻譜儀的本底噪聲，此時(shí)應(yīng)把衰減器設(shè)置為0dB。

混頻器輸出后的放大器會(huì)放大被衰減的信號(hào)，除了放大輸入信號(hào)外，噪聲也同樣被放大，從而造成頻譜儀的DANL上升。然后信號(hào)通過(guò)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(cè)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(duì)一些小信號(hào)的測(cè)量（如雜散信號(hào)測(cè)量，-110 dBm以下信號(hào)功率測(cè)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(kāi)。同時(shí)打開(kāi)預(yù)放時(shí)要注意此時(shí)的輸入信號(hào)電平，避免損壞預(yù)放。

當(dāng)進(jìn)行雜散信號(hào)測(cè)量時(shí)，要求雜散信號(hào)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(cè)得的軌跡數(shù)據(jù)與一組幅度和頻率限值線(xiàn)相比較。如果被測(cè)信號(hào)落在限值線(xiàn)內(nèi)，屏幕顯示PASS，如果信號(hào)超出限值線(xiàn)，屏幕顯示FAIL。該功能同樣能夠用于EMI預(yù)測(cè)試方向。

圖3

Chrent識(shí)別內(nèi)部失真成分

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

圖4為某信號(hào)的二次諧波，首先把頻譜儀的輸入衰減設(shè)為0 dB，然后開(kāi)啟第二條軌跡，將輸入衰減設(shè)為10 dB，此時(shí)觀(guān)察頻譜儀顯示的測(cè)量軌跡是否有變化，如果沒(méi)有（如圖5），則內(nèi)部產(chǎn)生的失真對(duì)測(cè)量沒(méi)有影響，如果軌跡發(fā)生了變化，則說(shuō)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(hào)。

圖4

圖5

Chrent選擇合適的檢波方式

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

頻譜儀使用跡線(xiàn)將掃描的信號(hào)顯示在屏幕上。對(duì)于跡線(xiàn)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(lèi)型的檢波器對(duì)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(cè)量結(jié)果。不同廠(chǎng)家的頻譜儀的檢波方式可能名稱(chēng)不完全相同，下面以RIGOL公司的DSA800為例進(jìn)行介紹：

正峰值：對(duì)于跡線(xiàn)上的每一個(gè)點(diǎn)，正峰值檢波顯示對(duì)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(hào)及信號(hào)搜索測(cè)試。

負(fù)峰值：對(duì)于跡線(xiàn)上的每一個(gè)點(diǎn)，負(fù)峰值檢波顯示對(duì)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(hào)測(cè)試。

抽樣檢波：對(duì)于跡線(xiàn)上的每一個(gè)點(diǎn)，抽樣檢波顯示對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔中心時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)電平。適用于噪聲或類(lèi)似噪聲信號(hào)測(cè)試。

標(biāo)準(zhǔn)檢波：標(biāo)準(zhǔn)檢波（也稱(chēng)正態(tài)檢波或rosenfell檢波）依次選取采樣數(shù)據(jù)段中最大值和最小值顯示，即對(duì)于跡線(xiàn)上每一個(gè)奇數(shù)號(hào)點(diǎn)，顯示采樣數(shù)據(jù)的最大值，對(duì)于跡線(xiàn)上每一個(gè)偶數(shù)號(hào)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(guān)地觀(guān)察信號(hào)的幅度變化范圍。適用正弦和噪聲成分的信號(hào)分析。

有效值平均：對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，檢波器對(duì)相應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)做均方根計(jì)算。有效值平均檢波可抑制噪聲，觀(guān)察弱信號(hào)。

電壓平均：對(duì)于每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，檢波器對(duì)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(hào)上升/下降時(shí)間測(cè)量。

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(duì)于每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，檢波器在對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)檢測(cè)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(duì)已檢測(cè)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(cè)試。