蔡昊迪，劉建龍

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇蘇州215011）

CAI Haodi，LIU Jianlong

（CEPREI-EAST，Suzhou 215011，China）

頻譜儀測(cè)量小信號(hào)時(shí)的參數(shù)設(shè)置問(wèn)題

蔡昊迪，劉建龍

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇蘇州215011）

闡述了與頻譜分析儀相關(guān)的參數(shù)的定義，重點(diǎn)介紹了通過(guò)改變掃頻寬度、輸入衰減和分辨力帶寬等參數(shù)的設(shè)置來(lái)提高小信號(hào)功率測(cè)量精度的方法。

掃頻寬度；輸入衰減；分辨力帶寬；視頻帶寬；噪聲電平；前置放大器

0 引言

頻譜分析儀是研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，其能夠?qū)⒁粋€(gè)由許多頻率分量組成的復(fù)雜信號(hào)分解成各個(gè)頻率分量。通過(guò)觀(guān)測(cè)信號(hào)的幅度能量與頻率之間的關(guān)系，便可以測(cè)量出各種信號(hào)的特性，例如:頻率、功率、失真、噪聲、增益和調(diào)制等[1]。頻譜分析儀是射頻測(cè)試領(lǐng)域里不可缺少的重要設(shè)備之一，也是無(wú)線(xiàn)電計(jì)量工作中量值傳遞和溯源的重要標(biāo)準(zhǔn)，為了更好地發(fā)揮其作用，工程師不僅需要熟悉其原理和特性，還需要能夠合理地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以減小測(cè)量誤差等。尤其是在測(cè)量功率很小的信號(hào)時(shí)，為了更加準(zhǔn)確地得到發(fā)射信號(hào)的功率，使其不被本機(jī)噪聲干擾淹沒(méi)，我們就必須要優(yōu)化參數(shù)的設(shè)置，以便得到最佳測(cè)試結(jié)果。本文主要討論如何通過(guò)改變頻譜分析儀的參數(shù)設(shè)置來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)出小信號(hào)的功率值的方法。

1 部分重要參數(shù)的定義

a）掃頻寬度（SPAN）

掃頻寬度是指在頻譜范圍內(nèi)所測(cè)量的頻率的跨度，即頻譜分析儀在一次接收信號(hào)中顯示的頻率范圍，它的設(shè)置與中心頻率相關(guān)。

b）掃頻時(shí)間（SWEEP TIME）

掃描時(shí)間是指在掃頻寬度內(nèi)完成一次掃描所需的時(shí)間，分辨帶寬和視頻帶寬設(shè)置將會(huì)對(duì)掃頻時(shí)間產(chǎn)生影響。

c）分辨力帶寬（RBW）

分辨力帶寬指兩個(gè)相鄰頻率的信號(hào)能夠被清楚地分辨出來(lái)的最低頻寬差。通過(guò)對(duì)它的設(shè)置，可以區(qū)分出兩個(gè)頻率相近的信號(hào)，分辨力帶寬的設(shè)置將會(huì)影響讀數(shù)的準(zhǔn)確性與頻譜的掃描速度。

d）視頻帶寬（VBW）

視頻帶寬指單一信號(hào)顯示在屏幕上所需的最低頻濾。它可以減少檢波器輸出的噪聲變化，對(duì)噪聲進(jìn)行平滑處理，將微弱信號(hào)從噪聲中分辨出來(lái)。

e）輸入衰減（ATTEN）

輸入衰減器主要用來(lái)擴(kuò)大頻譜分析儀的幅度測(cè)量上限，衰減較大信號(hào)的幅度，保證混頻器相對(duì)于輸入信號(hào)而言處于線(xiàn)性工作區(qū)內(nèi)。

f）前置放大器（PREAMPLIFIER）

前置放大器是指用來(lái)放大微小信號(hào)的裝置，其一般會(huì)將高頻的噪音信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾后，再將信號(hào)放大。

g）信噪比（SNR）

信噪比是指發(fā)射的載波信號(hào)本身的功率與其伴隨噪聲功率的比值，在本文中，指經(jīng)過(guò)放大器產(chǎn)生的信號(hào)電壓與噪聲電壓的比值。

2 小信號(hào)功率測(cè)量

由于頻譜分析儀自身的底噪關(guān)系，我們?cè)跍y(cè)量小信號(hào)的時(shí)候會(huì)受其影響，因此想要提高功率測(cè)得的準(zhǔn)確度，就需要通過(guò)調(diào)整掃頻帶寬，降低輸入衰減、分辨力帶寬，以及增加前置放大器等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。這里主要以用安捷倫頻譜儀E4440A監(jiān)測(cè)一個(gè)頻率為1 GHz、功率為-100 dBm的射頻信號(hào)為例，進(jìn)行詳細(xì)的研究分析。

2.1 改變SPAN

因?yàn)楸粶y(cè)信號(hào)的占用帶寬是固定的，如果SPAN值過(guò)大，頻譜分析儀對(duì)信號(hào)的分辨能力就會(huì)下降，被測(cè)的頻譜顯示會(huì)很集中，以致于看不清頻譜的形狀，從而得不到準(zhǔn)確的功率值。為了能夠準(zhǔn)確地區(qū)別不同的SPAN設(shè)置所得到的測(cè)量結(jié)果，打開(kāi)視頻平均測(cè)量功能，采樣值默認(rèn)為100。將SPAN值分別設(shè)置為100 kHz和10 kHz，所得到的頻譜圖如圖1-2所示。對(duì)比圖1和圖2可以看出，同樣設(shè)置下的兩個(gè)信號(hào)，將SPAN值由100 kHz變?yōu)?0 kHz后，頻譜分析儀測(cè)得的功率值精度提高了。

圖1 將SPAN設(shè)置為100 kHz時(shí)的頻譜圖

圖2 將SPAN設(shè)置為10 kHz時(shí)的頻譜圖

2.2 降低ATTEN

增加輸入衰減器會(huì)減小進(jìn)入混頻器的信號(hào)，但是頻譜分析儀的噪聲的產(chǎn)生是在信號(hào)進(jìn)入輸入衰減器之后，因此衰減器的設(shè)置會(huì)影響SNR。此時(shí)進(jìn)行放大補(bǔ)償衰減值，可以保持顯示信號(hào)不變，但是顯示噪聲電平會(huì)隨中頻增益而變化，它反映了輸入衰減器設(shè)置的變化而引起的SNR的變化。因此，要想降低顯示噪聲電平，就必須把輸入衰減降低，把信號(hào)從噪聲中揭示出來(lái)[3]。將頻譜儀的ATTEN分別設(shè)為10 dB和最小值0 dB，所得到的頻譜圖如圖3-4所示，通過(guò)對(duì)比圖3和圖4可以看出，把ATTEN減到最小可以增加頻譜儀的靈敏度。

圖3 將ATTEN設(shè)為10 dB時(shí)測(cè)得的頻譜圖

圖4 將ATTEN設(shè)為0 dB時(shí)測(cè)得的頻譜圖

圖5 將RBW設(shè)為1 kHz時(shí)得到的頻譜圖

圖6 將RBW設(shè)為100 Hz時(shí)得到的頻譜圖

2.3 改變RBW

信號(hào)和噪聲經(jīng)放大后進(jìn)入到RBW濾波器。收窄RBW能夠使較低的噪聲到達(dá)分析儀的檢波器，從而降低分析儀的顯示平均噪聲電平，增加顯示動(dòng)態(tài)范圍。但是，RBW并不是越窄越好，因?yàn)檫^(guò)窄的RBW可能會(huì)使信號(hào)達(dá)不到峰值從而導(dǎo)致測(cè)量值不準(zhǔn)確[4]。對(duì)于調(diào)制信號(hào)，RBW帶寬過(guò)窄也會(huì)導(dǎo)致不能將信號(hào)邊帶包括在內(nèi)，從而影響測(cè)量結(jié)果。需要注意的是，收窄RBW帶寬雖然降低了噪聲，但是延長(zhǎng)了掃描時(shí)間，大大地降低了掃描速度。將RBW分別設(shè)置為1 kHz和100 Hz，所得到的頻譜圖如圖5-6所示。對(duì)比圖5和圖6可以看出，將RBW設(shè)置為1 kHz時(shí)，頻譜分析儀能夠更好地分辨出-100 dBM的信號(hào)，但是將RBW設(shè)置為1 kHz時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的掃頻。

2.4 改變VBW

通常，VBW的設(shè)置處在默認(rèn)值的狀態(tài)下，和RBW相同，它的設(shè)置不會(huì)影響后者，但后者的變化會(huì)影響前者。VBW處在RBW之后，雖然不能降低噪聲，但可以平滑噪聲譜線(xiàn)[5]。所以，當(dāng)測(cè)試的低功率信號(hào)接近分析儀的底噪時(shí)，可以在保持分辨力帶寬不變的情況下，通過(guò)單獨(dú)地降低視頻帶寬的方式來(lái)提高功率信號(hào)的可見(jiàn)度。將VBW分別設(shè)置為100 Hz和10 Hz，得到的頻譜圖如圖7-8所示。對(duì)比圖7和圖8可以看出，將VBW設(shè)置為10 Hz時(shí)，得到的噪聲譜線(xiàn)更加平滑。

圖7 將VBW設(shè)為100 Hz時(shí)得到的頻譜圖

圖8 將VBW設(shè)為10 Hz時(shí)得到的頻譜圖

圖9 未接入放大器時(shí)得到的頻譜圖

圖10 接入8449B后得到的頻譜圖

2.5 接入PREAMPLIFIER

使用底噪較低的PREAMPLIFIER可以將小信號(hào)放大從而便于觀(guān)測(cè)。在無(wú)線(xiàn)電計(jì)量工作中，經(jīng)常需要校準(zhǔn)GPS-101型信號(hào)發(fā)生器，該發(fā)生器的最低輸出功率為-145 dBm?，F(xiàn)在使用E4440A對(duì)其發(fā)射的-140 dBm的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，打開(kāi)視頻平均測(cè)量功能，采樣值默認(rèn)為100。未接入放大器前，測(cè)得的頻譜圖如圖9所示，從圖9中可以看出，噪聲干擾把信號(hào)完全覆蓋了。接入在該頻點(diǎn)30 dB增益的前置放大器8449B，將RBW和VBW等參數(shù)設(shè)置到最佳，然后重新測(cè)量，所得的結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出，信號(hào)經(jīng)放大后從噪聲電平中被提取出來(lái)，此時(shí)將增益值進(jìn)行作差補(bǔ)償，便可以得到原信號(hào)功率。

3 結(jié)束語(yǔ)

頻譜儀在無(wú)線(xiàn)電測(cè)量領(lǐng)域中使用非常頻繁，其功能強(qiáng)大且多樣化，在實(shí)際工作中，我們不僅需要知道常規(guī)的操作方法，還要通過(guò)準(zhǔn)確的設(shè)置和操作取得理想的測(cè)量結(jié)果和效果，在測(cè)量低功率信號(hào)時(shí)，合理地調(diào)整參數(shù)的設(shè)置將有利于提高測(cè)量結(jié)果的精確程度。

[1]王志田.無(wú)線(xiàn)電電子學(xué)計(jì)量[M].北京:原子能出版社，2002.

[2]汪惟平.頻譜分析儀的基本原理[J].現(xiàn)代電視技術(shù)，2000（1）:33-47.

[3]陳峰.用頻譜儀進(jìn)行準(zhǔn)確的信號(hào)功率測(cè)量[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2009（8）:81-83.

[4]蘇亞璇.頻譜測(cè)量中分辨力帶寬和視頻濾波帶寬的選擇[J].計(jì)量技術(shù)，2002，45（10）:23-25.

[5]張美霞.使用頻譜分析儀的視頻濾波功能[J].國(guó)外電子計(jì)量技術(shù)，2000（4）:21；30.

Parameter Setting of Spectrum Analyzer for Small Signal Measurement

The definition of parameters related to spectrum analyzer is described.And the method of improving the measurement accuracy of small signal power by changing the parameters such as sweep width，input attenuation and resolution bandwidth is introduced emphatically.

SPAN；ATTEN；RBW；VBW；noise level；preamplifier

TM 935.21

A

：1672-5468（2017）02-0045-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.02.010

CAI Haodi，LIU Jianlong

（CEPREI-EAST，Suzhou 215011，China）

2016-09-13

蔡昊迪（1986-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所工程師，主要從事無(wú)線(xiàn)電電子學(xué)計(jì)量工作。