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如何提高频谱分析仪测试性能的方法研究

频谱分析仪是现代微波测量的重要工具,不仅用于测量各种信号的频谱,还可测量功率、失真、增益和噪声特性等。但是由于被测信号不尽相同,因此在不同的测试环境和测试要求下,需要对频谱分析仪进行最佳的设置才能充分发挥其性能,从而获得最佳的测试数据。频谱分析仪的最佳工作状态是由诸多因素、参数决定的,而且各种参数之间相互关联,不能片面追求某一项指标,而需要统筹考虑。笔者通过分析频谱分析仪基本工作原理,结合实际测试工作中的经验,总结了优化频谱分析仪设置、提高频谱分析仪测试性能的几点体会。

一、频谱分析仪工作原理

在频谱分析仪中,为防止信号幅度过载,输入信号首先要通过衰减器,然后通过低通滤波器去除不需要的频率成分。在通过滤波器后,输入信号就与本地振荡器(LO)产生的本振信号混频。混频信号由分辨力带宽滤波器(IF滤波器)过滤,并以对数刻度放大或压缩。然后用检波器对通过IF滤波器的信号进行整流,从而得到驱动显示垂直部分的直流电压,频谱分析仪的显示部分就会显示信号的频谱成分。频谱分析仪的工作原理如图1所示。

 

缺插图!

 

 

<CTSM>图1频谱分析仪工作原理图</CTSM>

 

二、提高频谱分析仪测试性能的方法

1.提高低电平测量的灵敏度

灵敏度是频谱分析仪辨别低电平信号的能力,当被测信号电平很低时,会被频谱分析仪内部产生的本底噪声所淹没,导致无法准确测量。为了降低频谱分析仪的显示平均噪声电平(DANL)、提高频谱分析仪的测量灵敏度,可以利用以下两种方法来实现:

(1)最小化输入衰减

当频谱分析仪的输入衰减器对输入信号进行了一定程度的衰减之后,中频增益放大器必然会将混频信号放大相应的倍数,以保持输入信号不变。但是在放大过程中不仅放大了被测的输入信号,同时也放大了频谱分析仪自身产生的噪声,从而造成频谱分析仪DANL的提升。因此,可以通过最小化输入衰减器来降低频谱分析仪的DANL,从而达到提高测量灵敏度的目的。

(2)压窄分辨力带宽(RBW)

由于混频信号输出后进入RBW滤波器,因此可以压窄RBW滤波器,使得较低的噪声能量到达频谱分析仪的包络检波器,从而提高频谱分析仪低电平信号的测量灵敏度。当把RBW从100kHz降为10kHz以后(靠上谱线的RBW为10kHz,靠下谱线的RBW为100kHz),频谱分析仪能更加清晰地分辨-95dB的被测信号,使得对低电平信号的测量更加准确。

但RBW也不是越窄越好,当RBW变窄时,扫频速度将下降,即增加了扫描时间。因此,应该根据实际的测试要求,来权衡测量准确度与扫描时间的关系,从而获得最佳测试效果。

2.识别内部失真成分

高电平输入信号会造成频谱分析仪的内部失真,从而掩盖输入信号失真。因此,准确判断频谱分析仪内部失真成分并消除,对于提高测量准确度有很大的帮助,使用双迹线和频谱分析仪的RF衰减器就能确定并去除内部失真成分。

首先设置输入衰减器,使输入信号电平减去衰减量约等于-30dB。为识别内部失真产物,调谐到输入信号的2次谐波,把输入衰减器设置到0dB,然后保存迹线B的屏幕数据,把迹线A作为有效迹线,并激活标记Δ。此时,频谱分析仪用迹线B显示保存数据,用迹线A显示测量数据,标记Δ显示出两条迹线的幅度和频率差。最后把RF衰减增加10dB,比较迹线A与B的响应。如果迹线A和迹线B的响应不同,那么频谱分析仪的混频器就会因为高电平的输入信号而产生内部失真,此时应加大频谱分析仪的输入衰减,直到信号电平没有任何变化,说明内部产生的失真对测量没有影响,此时所显示的是输入信号存在的失真。

3.提高幅度、频率测量准确度

在测试过程中,可以通过以下几种方法提高频谱分析仪的幅度、频率测量准确度。

(1)频谱分析仪自校准

利用频谱分析仪的自校准功能,获得误差校准系数。在自校准完成后,频谱分析仪会自动对测试结果进行修正,从而得到更加准确的测量结果。

(2)测量传输网络的误差系数

测量传输网络的误差系数,可以修正测试数据,获得更加准确的测量结果。当DUT与频谱分析仪相连时,传输网络(包括传输电缆、衰减器、适配器等)就会产生衰减,削弱被测信号。为了避免上述问题,可以在测试前用一个信号源和功率计对测试传输网络的衰减或增益进行测试,频谱分析仪通过记录这些数据,可以将这些测试频点连成曲线,形成一个校准系数的曲线图,每一点都对应相应的频率和幅度,而且可以直接存储不同的适配器、电缆、衰减器等的误差校准系数,这样就不必在每个测试过程中重新测试传输网络的修正系数,即可直接调取存储的误差系数用于对传输网络的损耗进行修正,这样能更加准确地对被测信号进行测量。

4.选择合适的显示模式

频谱分析仪对被测信号进行一系列的分析处理后,经模数转换器,在显示探测器上显示,此时被测信号的频谱信息分别存储在各个数据段中,可以通过选择不同的显示探测模式来提取不同数据段中的信息,以满足不同的测试需求。频谱分析仪的显示探测模式可分为正峰值探测、负峰值探测和采样探测等多种模式。

峰值探测模式探测各数据段中的最高电平,它适用于分析正弦波,是最快的探测模式,但对噪声存在过响应。采样探测模式显示各数据段的中心点,其适用于噪声测量,它能精确显示噪声的真正随机性,但采样探测对于具有窄分辨力带宽的连续波(CW)的测量是不精确的,并有可能丢失未落在各数据段同一点上的信号。负峰值探测模式显示各数据段中的最低功率,该模式适用于AM或FM解调以及辨别随机噪声和冲击噪声,负峰值噪声虽然可能表现出更小的本底噪声,但并不能提高频谱分析仪的测试灵敏度。更高性能的频谱分析仪还有一种正态探测的探测模式,这种采样模式把数据点动态分类为噪声或信号,它提供比峰值探测更好的随机噪声显示,并避免了采样探测的信号丢失问题。因此,在实际的测试过程中要根据不同的测试需求,选择最合适的显示探测模式,已达到理想的测试效果。

三、结束语

通过研究频谱分析仪各参数设置之间的相互关系和对测试结果的影响,提出了优化频谱分析仪设置的方法,从而达到充分发挥频谱分析仪性能,获得最佳的测试效果的目的。


【关键词】频谱分析仪, 微波,奥科官网 

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