頻譜分析限制RF功率和寄生噪聲輻射

射頻功率的頻域測量是利用頻譜和矢量信號(hào)分析儀所進(jìn)行的最基本的測量。這類系統(tǒng)必須符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)功率傳輸和寄生噪聲輻射的限制，還要配有合適的測量技術(shù)來避免誤差。

像頻率范圍、中心頻率、分辨帶寬(RBW)和測量時(shí)間這些有關(guān)頻率的關(guān)鍵控制都會(huì)影響測量結(jié)果。

頻率范圍指的是分析儀所能捕獲的總頻譜分量，而中心頻率相當(dāng)于頻率范圍的中心。應(yīng)該注意像頻率范圍這類頻率控制決定了儀器前面板上的頻率范圍。另一方面，根據(jù)頻率范圍的大小不同，F(xiàn)FT信號(hào)分析儀有兩個(gè)截然不同的采集模式。

儀器中高達(dá)RBW的頻率范圍的實(shí)現(xiàn)方式是：對(duì)一段頻率進(jìn)行下變頻，然后對(duì)下變頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。而對(duì)于超出RBW的頻率范圍，按順序?qū)︻l譜段進(jìn)行變頻和數(shù)字化。RBW控制頻率軸上的頻率分辨率。在傳統(tǒng)的分析儀中，利用一個(gè)窄帶濾波器來掃描頻率范圍來實(shí)現(xiàn)頻譜顯示。濾波器帶寬決定了頻率軸上的分辨率，因此也是控制的標(biāo)志。

與此同時(shí)，采用FFT的分析儀沒有模擬濾波器，而是采用FFT和相關(guān)的窗口參數(shù)(windowingparameter)來確定頻率分辨率或者 RBW。與傳統(tǒng)的頻譜分析儀不一樣，目前最新的采用FFT的分析儀可以選擇窗口來限制頻譜泄漏并改善頻域中間隔較小頻段的分辨率。那些對(duì)FFT分析儀以及 FFT熟悉的人們也許會(huì)問，RBW頻率分辨率與FFT的抽頭的寬度是什么關(guān)系？表1顯示了在新型的RF信號(hào)分析儀中RBW頻率分辨率參數(shù)(規(guī)定在3dB和 6dB處的RBW分辨率)與FFT抽頭寬度的關(guān)系。

表1：RBW頻率分析分辨率與FFT分析儀的抽頭寬度相關(guān)

采用FFT的分析儀具有窗口選擇，用來限制頻譜泄漏并改善頻域中間隔較小頻譜的分辨率。而傳統(tǒng)的頻譜分析儀則沒有這一功能。傳統(tǒng)掃描式分析儀的測量時(shí)間(或掃描時(shí)間)與RBW的平方成反比，這是由模擬濾波器的建立時(shí)間確定的。如果要通過降低RBW來改善頻率分辨率，則掃描時(shí)間要呈指數(shù)增加。

相反，隨著RBW的降低，F(xiàn)FT信號(hào)分析儀所進(jìn)行的采集更長，運(yùn)算量也更大。隨著DSP器件速度的加快，測量速度更快，從而實(shí)現(xiàn)更高的分辨率或更窄的RBW測量。

圖1：頻譜分析儀測量結(jié)果的頻率和幅度關(guān)系

幅度設(shè)置

不同的幅度控制也會(huì)影響測量結(jié)果，這些包括參考電平(reflevel)，衰減器設(shè)置和檢測模式。參考電平設(shè)置了頻譜分析儀的最大輸入范圍。它控制Y軸，這一點(diǎn)與示波器上的“volts/div”相似，必須將其設(shè)置到剛剛大于所期望的最大功率測量值。

最佳參考電平的取值要使得最小的儀器失真(使輸入信號(hào)飽和的非常低的參考電平導(dǎo)致)和最小的噪聲基底(參考電平過高，減小了儀器的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍而導(dǎo)致)取得平衡。有時(shí)候，設(shè)置一個(gè)低參考電平對(duì)于寬帶噪聲測量是有好處的，盡管產(chǎn)生一些儀器失真。當(dāng)能夠認(rèn)可失真時(shí)，這樣做會(huì)改善儀器的靈敏度，并且保證在測量中將其排除在外。

衰減器設(shè)置控制也決定儀器的輸入范圍。該設(shè)置通常被設(shè)置到自動(dòng)模式，軟件根據(jù)參考電平來調(diào)整衰減器的值。

在固件中，頻譜分析儀將顯示器的Y軸與參考電平或衰減器聯(lián)動(dòng)在一起。虛擬儀器則沒有限制，如果需要時(shí)，顯示器的Y軸可以與這些控制相脫離。該功能可以實(shí)現(xiàn)頻譜的可視化縮放，而不影響儀器的幅度設(shè)置。注意，參考電平和衰減器設(shè)置都影響可編程衰減器，故只需設(shè)置其中的一個(gè)即可。

檢測模式是另一種幅度控制方式，可用于傳統(tǒng)的掃描頻譜分析儀，但不能用于基于FFT的分析儀。可分為普通、峰值、采樣或負(fù)峰值等模式，具體檢測模式?jīng)Q定了頻譜分析儀如何減

少頻譜信息的，或者說如何壓縮頻譜信息。

另外它還影響總的功率測量。當(dāng)頻譜數(shù)據(jù)點(diǎn)超過頻譜分析儀所能顯示的點(diǎn)數(shù)時(shí)，分析儀將從數(shù)據(jù)減少策略中獲益。這將使檢測模式改變功率測量。

表2：頻譜分析儀測量模式能夠影響功率測量結(jié)果

影響精度的因素

頻譜分析儀采用起始和終止頻率之間的頻率掃描。一個(gè)模擬斜坡信號(hào)產(chǎn)生該頻率掃描信號(hào)，而起始頻率由來自高精度的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)合成。于是，測量精度由模擬斜坡信號(hào)和IF濾波器的中心頻率所決定。

基于FFT的分析儀，沒有這樣的模擬斜坡信號(hào)，故沒有這些因素的限制，從而在整個(gè)測量范圍內(nèi)具有一致的精度。范圍內(nèi)的精度則取決于時(shí)基和測量算法，故可以比較容易地獲得頻率精度和重復(fù)性。

在傳統(tǒng)型掃描分析儀中，頻率誤差的原因包括基準(zhǔn)頻率誤差，頻率范圍精度(范圍的5%)和RBW(RBW的15%)。相應(yīng)地，在基于FFT的分析儀中的頻率誤差則包括基準(zhǔn)頻率誤差和RBW，具體取決于測量算法，變化范圍為RBW的>50%到10%之間。

為了比較這些誤差，就必須忽略基準(zhǔn)頻率誤差，這是因?yàn)榭梢允褂靡粋€(gè)像銣時(shí)鐘這類的精密頻率源來對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。在掃頻式頻譜分析儀中，當(dāng)頻率范圍大于 50kHz以及RBW設(shè)置超過1kHz時(shí)，測量性能將受到影響，除非采用最優(yōu)化的技術(shù)，例如將100MHz的頻率放置到頻率范圍的中心。

如果采用較小的RBW，意味著測試時(shí)間的拉長，這是因?yàn)閽呙钑r(shí)間的問題，因?yàn)橥ǔ５念l譜分析儀中需要150-200ms的掃描時(shí)間。測量算法限定了基于FFT的分析儀的測量精度。例如，先進(jìn)的光譜測量分析工具包中采用了內(nèi)插技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)比RBW能夠?qū)崿F(xiàn)的更高分辨率，就像上述的例子中，RBW設(shè)置到2kHz將會(huì)保證更高的精度。

基于FFT的分析儀采用可以實(shí)現(xiàn)精確測量的高RBW設(shè)置，即便是沒有利用精度優(yōu)化的測量技術(shù)。這意味著在相同的測試時(shí)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)更快和更精密的測量。信號(hào)分析儀能夠執(zhí)行長度小于20ms的測試樣本，這比頻譜分析儀高6倍。

除非采用了合適的測量設(shè)置，否則即便是對(duì)于同一臺(tái)測試儀器，也會(huì)導(dǎo)致的測量結(jié)果很大變化。因此，深入理解工作原理對(duì)正確地設(shè)置測量儀器來說是至關(guān)重要的。