頻譜儀測量小信號時的參數(shù)設置問題

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）

CAI Haodi，LIU Jianlong

（CEPREI-EAST，Suzhou 215011，China）

頻譜儀測量小信號時的參數(shù)設置問題

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的參數(shù)的定義，重點介紹了通過改變掃頻寬度、輸入衰減和分辨力帶寬等參數(shù)的設置來提高小信號功率測量精度的方法。

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頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，其能夠?qū)⒁粋€由許多頻率分量組成的復雜信號分解成各個頻率分量。通過觀測信號的幅度能量與頻率之間的關系，便可以測量出各種信號的特性，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試領域里不可缺少的重要設備之一，也是無線電計量工作中量值傳遞和溯源的重要標準，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行參數(shù)設置，以減小測量誤差等。尤其是在測量功率很小的信號時，為了更加準確地得到發(fā)射信號的功率，使其不被本機噪聲干擾淹沒，我們就必須要優(yōu)化參數(shù)的設置，以便得到最佳測試結(jié)果。本文主要討論如何通過改變頻譜分析儀的參數(shù)設置來準確地測出小信號的功率值的方法。

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)所測量的頻率的跨度，即頻譜分析儀在一次接收信號中顯示的頻率范圍，它的設置與中心頻率相關。

b）掃頻時間（SWEEP TIME）

掃描時間是指在掃頻寬度內(nèi)完成一次掃描所需的時間，分辨帶寬和視頻帶寬設置將會對掃頻時間產(chǎn)生影響。

c）分辨力帶寬（RBW）

分辨力帶寬指兩個相鄰頻率的信號能夠被清楚地分辨出來的最低頻寬差。通過對它的設置，可以區(qū)分出兩個頻率相近的信號，分辨力帶寬的設置將會影響讀數(shù)的準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，對噪聲進行平滑處理，將微弱信號從噪聲中分辨出來。

e）輸入衰減（ATTEN）

輸入衰減器主要用來擴大頻譜分析儀的幅度測量上限，衰減較大信號的幅度，保證混頻器相對于輸入信號而言處于線性工作區(qū)內(nèi)。

f）前置放大器（PREAMPLIFIER）

前置放大器是指用來放大微小信號的裝置，其一般會將高頻的噪音信號進行過濾后，再將信號放大。

g）信噪比（SNR）

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

2 小信號功率測量

由于頻譜分析儀自身的底噪關系，我們在測量小信號的時候會受其影響，因此想要提高功率測得的準確度，就需要通過調(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實現(xiàn)[2]。這里主要以用安捷倫頻譜儀E4440A監(jiān)測一個頻率為1 GHz、功率為-100 dBm的射頻信號為例，進行詳細的研究分析。

2.1 改變SPAN

因為被測信號的占用帶寬是固定的，如果SPAN值過大，頻譜分析儀對信號的分辨能力就會下降，被測的頻譜顯示會很集中，以致于看不清頻譜的形狀，從而得不到準確的功率值。為了能夠準確地區(qū)別不同的SPAN設置所得到的測量結(jié)果，打開視頻平均測量功能，采樣值默認為100。將SPAN值分別設置為100 kHz和10 kHz，所得到的頻譜圖如圖1-2所示。對比圖1和圖2可以看出，同樣設置下的兩個信號，將SPAN值由100 kHz變?yōu)?0 kHz后，頻譜分析儀測得的功率值精度提高了。

圖1 將SPAN設置為100 kHz時的頻譜圖

圖2 將SPAN設置為10 kHz時的頻譜圖

2.2 降低ATTEN

增加輸入衰減器會減小進入混頻器的信號，但是頻譜分析儀的噪聲的產(chǎn)生是在信號進入輸入衰減器之后，因此衰減器的設置會影響SNR。此時進行放大補償衰減值，可以保持顯示信號不變，但是顯示噪聲電平會隨中頻增益而變化，它反映了輸入衰減器設置的變化而引起的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，把信號從噪聲中揭示出來[3]。將頻譜儀的ATTEN分別設為10 dB和最小值0 dB，所得到的頻譜圖如圖3-4所示，通過對比圖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設為10 dB時測得的頻譜圖

圖4 將ATTEN設為0 dB時測得的頻譜圖

圖5 將RBW設為1 kHz時得到的頻譜圖

圖6 將RBW設為100 Hz時得到的頻譜圖

2.3 改變RBW

信號和噪聲經(jīng)放大后進入到RBW濾波器。收窄RBW能夠使較低的噪聲到達分析儀的檢波器，從而降低分析儀的顯示平均噪聲電平，增加顯示動態(tài)范圍。但是，RBW并不是越窄越好，因為過窄的RBW可能會使信號達不到峰值從而導致測量值不準確[4]。對于調(diào)制信號，RBW帶寬過窄也會導致不能將信號邊帶包括在內(nèi)，從而影響測量結(jié)果。需要注意的是，收窄RBW帶寬雖然降低了噪聲，但是延長了掃描時間，大大地降低了掃描速度。將RBW分別設置為1 kHz和100 Hz，所得到的頻譜圖如圖5-6所示。對比圖5和圖6可以看出，將RBW設置為1 kHz時，頻譜分析儀能夠更好地分辨出-100 dBM的信號，但是將RBW設置為1 kHz時，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的掃頻。

2.4 改變VBW

通常，VBW的設置處在默認值的狀態(tài)下，和RBW相同，它的設置不會影響后者，但后者的變化會影響前者。VBW處在RBW之后，雖然不能降低噪聲，但可以平滑噪聲譜線[5]。所以，當測試的低功率信號接近分析儀的底噪時，可以在保持分辨力帶寬不變的情況下，通過單獨地降低視頻帶寬的方式來提高功率信號的可見度。將VBW分別設置為100 Hz和10 Hz，得到的頻譜圖如圖7-8所示。對比圖7和圖8可以看出，將VBW設置為10 Hz時，得到的噪聲譜線更加平滑。

圖7 將VBW設為100 Hz時得到的頻譜圖

圖8 將VBW設為10 Hz時得到的頻譜圖

圖9 未接入放大器時得到的頻譜圖

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可以將小信號放大從而便于觀測。在無線電計量工作中，經(jīng)常需要校準GPS-101型信號發(fā)生器，該發(fā)生器的最低輸出功率為-145 dBm。現(xiàn)在使用E4440A對其發(fā)射的-140 dBm的信號進行監(jiān)測，打開視頻平均測量功能，采樣值默認為100。未接入放大器前，測得的頻譜圖如圖9所示，從圖9中可以看出，噪聲干擾把信號完全覆蓋了。接入在該頻點30 dB增益的前置放大器8449B，將RBW和VBW等參數(shù)設置到最佳，然后重新測量，所得的結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出，信號經(jīng)放大后從噪聲電平中被提取出來，此時將增益值進行作差補償，便可以得到原信號功率。

3 結(jié)束語

頻譜儀在無線電測量領域中使用非常頻繁，其功能強大且多樣化，在實際工作中，我們不僅需要知道常規(guī)的操作方法，還要通過準確的設置和操作取得理想的測量結(jié)果和效果，在測量低功率信號時，合理地調(diào)整參數(shù)的設置將有利于提高測量結(jié)果的精確程度。

[1]王志田.無線電電子學計量[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.用頻譜儀進行準確的信號功率測量[J].電子設計應用，2009（8）:81-83.

[4]蘇亞璇.頻譜測量中分辨力帶寬和視頻濾波帶寬的選擇[J].計量技術(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].國外電子計量技術(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，主要從事無線電電子學計量工作。