頻譜儀在信號(hào)功率測(cè)量中的應(yīng)用

頻譜儀功率測(cè)試原理

根據(jù)現(xiàn)代超外差式頻譜分析儀原理(見(jiàn)圖2)，進(jìn)入頻譜儀的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器變?yōu)橹蓄l，中頻濾波器對(duì)此信號(hào)的帶寬進(jìn)行限制(RBW)，再經(jīng)電壓包絡(luò)進(jìn)行檢波，然后經(jīng)視頻濾波器，最后通過(guò)數(shù)字檢波器的計(jì)算得到測(cè)試頻譜。

圖2 現(xiàn)代超外差式頻譜分析儀原理框圖

可以明確：對(duì)于正弦連續(xù)波的功率測(cè)試，只要信噪比足夠高，頻譜儀的測(cè)試設(shè)置相對(duì)簡(jiǎn)單，本文不做過(guò)多敘述。本文主要針對(duì)模擬和數(shù)字調(diào)制信號(hào)以及噪聲信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確功率測(cè)試的原理分析及儀器設(shè)置，并對(duì)其帶來(lái)的誤差項(xiàng)進(jìn)行評(píng)估。

檢波器的作用及類型

現(xiàn)代頻譜儀的檢波器通常是數(shù)字的，是一些加權(quán)算法，是對(duì)視頻信號(hào)的處理和計(jì)算。對(duì)應(yīng)頻譜上每一個(gè)顯示像素點(diǎn)，都有N個(gè)采樣值，如圖3所示。

圖3 中頻信號(hào)經(jīng)包絡(luò)檢波器和視頻濾波器輸出視頻信號(hào)及其采樣

檢波器有多種，包括自動(dòng)峰值檢波器、最大(小)峰值檢波器、平均值檢波、均方根檢波器(RMS)等。

RMS檢波器中計(jì)算對(duì)應(yīng)于每個(gè)像素點(diǎn)的所有采樣值的均方根。結(jié)果為像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻寬內(nèi)的信號(hào)功率。在RMS計(jì)算時(shí)，包絡(luò)的采樣值要求采用線性刻度，且：

檢波器和平均功率

現(xiàn)代頻譜儀的檢波器包括兩部分：包絡(luò)檢波器獲得正弦波的均方根值(峰值電壓的0.707倍);數(shù)字檢波器為取值加權(quán)算法。頻譜儀內(nèi)的檢波器是電壓檢波器，頻譜儀顯示功率測(cè)試值的方法是：Pi=Vi2/R，頻譜儀通常是50歐姆阻抗，因此：

其中pi是頻譜功率顯示點(diǎn)，Vi是電壓采樣點(diǎn)，R是頻譜儀阻抗。

根據(jù)以上推論，要通過(guò)頻譜儀獲得平均功率，必須選擇真正的RMS檢波器。

為什么要平均

對(duì)于噪聲和類噪聲信號(hào)的頻譜，需要對(duì)蹤跡進(jìn)行平滑以獲得穩(wěn)定的讀數(shù)，也就是頻譜儀對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行平均。平均的結(jié)果是對(duì)噪聲和類噪聲信號(hào)進(jìn)行平滑，即去除頻譜“毛刺”，對(duì)于單頻點(diǎn)連續(xù)波信號(hào)的測(cè)試值來(lái)說(shuō)，結(jié)果沒(méi)有改變。

由于頻譜儀進(jìn)行功率測(cè)試時(shí)，功率值是通過(guò)電壓采樣和檢波值計(jì)算而得，因此，測(cè)試人員必須清楚由于平均對(duì)測(cè)試值帶來(lái)的影響，否則就會(huì)得到錯(cuò)誤結(jié)論。

根據(jù)概率論，帶內(nèi)高斯噪聲分布為瑞利分布。對(duì)于瑞利分布的噪聲，當(dāng)采樣足夠多時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)與平均誤差(算術(shù)平均值)(

)之間具有如下關(guān)系：

對(duì)于頻譜儀來(lái)說(shuō)，中頻信號(hào)經(jīng)包絡(luò)檢波器后獲得電壓有效值(RMS)，因此平均誤差(

)幅度包絡(luò)要除以，因此，在頻譜儀測(cè)試過(guò)程中，

所以，在頻譜儀測(cè)試時(shí)，電壓包絡(luò)線性平均值對(duì)應(yīng)的功率值(

2)比真正的平均功率(RMS檢波所對(duì)應(yīng)的s2)小1.05dB。

對(duì)數(shù)平均與線性平均的關(guān)系

根據(jù)窄帶高斯噪聲的統(tǒng)計(jì)分布，帶內(nèi)高斯噪聲分布為瑞利分布。

式中，ρ為噪聲隨機(jī)包絡(luò)，?為噪聲的隨機(jī)相位。

電壓采樣值線性平均后取對(duì)數(shù)：

電壓采樣值對(duì)數(shù)值平均(幾何平均)：

可見(jiàn)，對(duì)于窄帶高斯白噪聲，對(duì)數(shù)平均比線性平均低1.45dB。即頻譜儀測(cè)試時(shí)，采用對(duì)數(shù)平均(對(duì)數(shù)放大器打開(kāi))，對(duì)于電壓測(cè)試值來(lái)說(shuō)，幅度包絡(luò)進(jìn)行對(duì)數(shù)加權(quán)運(yùn)算，對(duì)大信號(hào)放大的增益小，對(duì)小信號(hào)放大的增益大。在對(duì)數(shù)平均的情況下，要比線性平均小1.45dB，比真實(shí)平均功率小2.5dB。