頻譜分析儀那些事兒之顯示平均噪聲電平（DANL）

一個(gè)50歐姆的匹配負(fù)載連接在頻譜分析儀的輸入端，在頻譜分析儀的屏幕上將會(huì)看到橫跨整個(gè)頻段的噪聲底，這就是DANL。DANL并不能代表射頻輸入端實(shí)際輸入的噪聲電平，而是輸入端的噪聲穿越了儀器內(nèi)部的層層噪聲后，在一定的平均方式和分辨率帶寬下顯示出來的電平。其實(shí)頻譜儀的所有測量顯示都是輸入端的真實(shí)信號(hào)疊加內(nèi)部噪聲后的結(jié)果。如果輸入端的電平?jīng)]有儀器內(nèi)部的噪聲高，那么它就顯現(xiàn)不出來。所以DANL的水平反映了頻譜分析儀能夠測量到的最小電平，也反映了頻譜分析儀內(nèi)部噪聲的高低。

影響DANL的因素很多，為了便于比較，DANL采用歸一化功率密度來表示就是dBm/Hz，也就是在RBW=1Hz時(shí)測量到的平均功率，在各種測試條件下都要統(tǒng)一到此單位表示。

電子測量系統(tǒng)中的噪聲一般來源于兩個(gè)部分：目標(biāo)本身和測量本身。目標(biāo)本身的噪聲容易理解，原始的信噪比、過程干擾都屬于這部分；測量本身的噪聲可以分為硬件（采集）噪聲和軟件（算法）噪聲。硬件噪聲主要來源于電子器件中電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，通常為起伏噪聲或熱噪聲等，這種噪聲是電子器件固有的，不能用接地或屏蔽的方式消除，硬件噪聲包括接頭、線纜、器件、采樣、串?dāng)_等；軟件噪聲包括濾波器的混疊、顯示的精度、FFT的泄露、有限字長效應(yīng)等。

熱噪聲的特點(diǎn)，在時(shí)域上看，幅度的分布是正態(tài)的，也就是高斯分布（此高斯分布和高斯濾波器意義不同），高斯分布信號(hào)的一個(gè)重要性質(zhì)是，功率（也就是RMS均值）為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差；在頻域上看，熱噪聲理論上在所有頻帶都會(huì)存在，且功率譜密度為均勻分布，是功率為時(shí)間不相關(guān)的常數(shù)，稱之為白噪聲。

雖然熱噪聲的頻譜是均勻分布的常數(shù)，但是頻譜分析儀內(nèi)部的器件對(duì)于信號(hào)的頻率響應(yīng)是變化的，所以DANL在大范圍內(nèi)不可能是一個(gè)水平的常數(shù)，因此頻譜分析儀的DANL是個(gè)隨頻率向上斜的軌跡。

熱噪聲存在于頻譜分析儀內(nèi)部所有的器件中，但基本只受到第一增益級(jí)及其之前器件的影響。頻譜分析儀內(nèi)部的第一個(gè)增益級(jí)（一般是混頻后的第一級(jí)放大器，或前置放大器）將儀器輸入口的熱噪聲連同此增益級(jí)內(nèi)部的一部分熱噪聲加在一起進(jìn)行了放大，放大后的這兩部分噪聲信號(hào)到達(dá)后級(jí)鏈路時(shí)，輸入口的熱噪聲已經(jīng)變成了信噪比很高的功率信號(hào)，相對(duì)于后級(jí)鏈路中的噪聲此時(shí)的信噪比已經(jīng)足夠大，因此后級(jí)鏈路中的熱噪聲的影響會(huì)變小。

熱噪聲與頻率無關(guān)，與阻抗無關(guān)，只與溫度和帶寬相關(guān)。若確定了帶寬的使用標(biāo)準(zhǔn)，那么只剩下一句話：熱噪聲就是溫度，或者說熱噪聲都可以轉(zhuǎn)化為溫度。只有在絕對(duì)零度0K時(shí)，電子停止振蕩，才會(huì)沒有熱噪聲。在室溫（27℃，約290K）時(shí)，我們將頻譜分析儀輸入端的50歐姆匹配負(fù)載看做一個(gè)290K的熱噪聲源，這個(gè)噪聲功率歸一化后為-174dBm，這是理論上常溫下能夠測量到的絕對(duì)最小噪聲電平，也是常溫下DANL的理論最小值。

要想降低頻譜分析儀內(nèi)部的噪聲，需要在兩個(gè)方面著手，一是降低整體儀器的噪聲系數(shù)，二是降低RBW。

儀器的噪聲系數(shù)反映了頻譜分析儀本身對(duì)信噪比的惡化程度，增加第一級(jí)放大器的倍數(shù)并減小放大器本身的噪聲系數(shù)，可以顯著減小儀器的噪聲系數(shù)。所以，頻譜分析儀增加前置放大器（通常是低噪放），以及減小衰減器（效果相當(dāng)于放大），可以使儀器的噪聲系數(shù)減小。當(dāng)前置放大器打開，并且衰減器為0時(shí)，儀器的噪聲系數(shù)達(dá)到最小值。測量同一個(gè)信號(hào)，衰減越大，噪聲越高，但是信號(hào)峰值不變。

RBW是分辨率帶寬，是頻譜分析儀頻率選擇濾波器的響應(yīng)性狀。頻譜分析儀中使用的RBW濾波器是高斯濾波器，高斯濾波器的重要性質(zhì)是其等效噪聲帶寬接近1，也就是說使用高斯濾波器測量噪聲，和噪聲的真實(shí)功率非常接近，幾乎不需要做額外的補(bǔ)償。因此擁有高斯濾波器的頻譜分析儀既可以用來測量功率信號(hào)，也可以準(zhǔn)確測量噪聲電平。

頻譜分析儀最終顯示的所有信號(hào)都是輸入端信號(hào)疊加內(nèi)部噪聲的結(jié)果。當(dāng)輸入信號(hào)很大時(shí)，內(nèi)部噪聲沒有明顯的影響；但如果輸入端信號(hào)很小，輸入信噪比很差，則測量誤差不可忽略。例如當(dāng)輸入信號(hào)與DANL同樣大小的信號(hào)，也就是信噪比為1時(shí)，將會(huì)顯示出一個(gè)比DANL高3dB的測量結(jié)果。要想使測量誤差在1dB以內(nèi)，信噪比至少要達(dá)到10dB以上，所以DANL反映了頻譜分析儀的靈敏度，但是不能代表其準(zhǔn)確測量信號(hào)的能力。