如何使頻譜分析儀測(cè)量中出現(xiàn)較大幅度誤差

近年來，現(xiàn)代頻譜分析儀在低頻模擬精度與數(shù)字信號(hào)處理(DSP)器件方面取得了極大的改進(jìn)，尤其是前端中頻(IF)濾波器。雖然頻譜分析儀在RF頻率具有較高的精度，但在微波頻率的精度并未普遍得到改善。由于某些應(yīng)用對(duì)現(xiàn)代頻譜分析儀的要求極高(包括利用高級(jí)寬帶數(shù)字調(diào)制格式進(jìn)行信號(hào)分析)，即使采用最佳的頻譜分析儀設(shè)計(jì)也難以實(shí)現(xiàn)較高精確度。幸好，安捷倫科技最新的MXA信號(hào)分析儀平臺(tái)中集成了精心的硬件設(shè)計(jì)與巧妙的測(cè)量算法，可幫助用戶保持最佳精度而無需特殊的輸入信號(hào)或外部測(cè)試信號(hào)。

微波頻譜分析儀采用可調(diào)諧預(yù)選濾波器，通過去除多余的混頻器鏡像(mixerimage)以及本地振蕩器(LO)的諧波響應(yīng)來改善性能。不幸地是，這些預(yù)選器不穩(wěn)定，必須頻繁地調(diào)諧，而且正確的預(yù)選器調(diào)諧通常要求在感興趣頻率處的信號(hào)近似為CW統(tǒng)計(jì)分布。在新型MXA信號(hào)分析儀中，一個(gè)完整的噪聲源被用作預(yù)選濾波器的調(diào)諧信號(hào)，這有助于確保濾波器精度成為該儀器中自動(dòng)例行程序的要素。

工作在26.5GHz的現(xiàn)代頻譜分析儀具有一個(gè)“低頻帶”和一個(gè)“高頻帶”信道，如圖1所示。低頻帶通?？晒ぷ髟?GHz或更高頻率。在低頻帶上，信號(hào)上變頻到接近4GHz或更高的高IF頻段，然后再下變頻到接近300MHz的較低IF頻段。這種雙變頻方式可以極大地減少混頻器鏡像響應(yīng)。

“高頻帶”頻率范圍實(shí)際上不能通過與低頻帶范圍一樣的模塊圖來創(chuàng)建，這是因?yàn)槌跫?jí)IF放大器將不得不工作在某個(gè)頻率下，該頻率下的放大器噪聲和失真總是無法滿足操作人員的要求。如圖1所示的備選模塊采用單個(gè)轉(zhuǎn)換步驟到IF輸出。在這個(gè)模塊圖中，初級(jí)混頻器中的鏡像響應(yīng)僅通過兩倍IF大小的頻率(或大約600MHz)來間隔。這些鏡像在頻譜分析儀中不受歡迎。因此，可采用可調(diào)諧預(yù)選濾波器(帶通濾波器)來去除鏡像。

為實(shí)現(xiàn)微波頻率下所要求的抑制性能和調(diào)諧帶寬，預(yù)選濾波器以釔鐵石榴石(YIG)技術(shù)為基礎(chǔ)。YIG球的行為被控制在一個(gè)精確的磁場(chǎng)中，可產(chǎn)生用于去除來自頻譜分析儀信道的多余鏡像與響應(yīng)的濾波器通帶諧振。

YIG預(yù)選器通常具有大約40到80MHz的通帶帶寬，可以在一個(gè)較寬的微波頻率范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧。當(dāng)用于高達(dá)26.5GHz的頻率時(shí)，需要極高的諧振器品質(zhì)因數(shù)(Q)，導(dǎo)致截止頻率過高，同時(shí)也造成幅度和頻率的不穩(wěn)定性。

調(diào)諧后漂移是YIG調(diào)諧帶通濾波器不穩(wěn)定特性的一種表現(xiàn)。用于調(diào)諧YIG球諧振頻率的磁鐵隨著所選頻率的變化而加熱或冷卻。磁鐵的溫度變化會(huì)影響磁鐵的尺度及磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響濾波器調(diào)諧的頻率。磁鐵/球結(jié)構(gòu)的機(jī)械老化過程類似，同樣導(dǎo)致不穩(wěn)定性增大。

同樣，調(diào)諧電流和濾波器中心頻率之間的關(guān)系并不能通過任何簡(jiǎn)單的代數(shù)函數(shù)來精確建模。因此，即使調(diào)諧非常穩(wěn)定，但也會(huì)存在調(diào)諧誤差。結(jié)果就是頻率調(diào)諧誤差導(dǎo)致幅度誤差(圖2)。

圖2a顯示了一個(gè)典型的YIG濾波器響應(yīng)。x軸表示頻率，但由于YIG濾波器的頻率幾乎與調(diào)諧電流成正比，x軸也可以被認(rèn)為是YIG濾波器的調(diào)諧電流。在這個(gè)例子中，較小的調(diào)諧電流誤差映射成工作點(diǎn)上與通帶斜率成正比的幅度誤差。設(shè)計(jì)工作點(diǎn)是-4dB響應(yīng)點(diǎn)之間的中點(diǎn)，因?yàn)榫驼{(diào)諧誤差而言該設(shè)計(jì)非常魯棒。

可以通過利用現(xiàn)代頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量的方式調(diào)節(jié)YIG濾波器。用戶可以直接調(diào)節(jié)工作電流，或執(zhí)行“預(yù)選器取中 (preselectorcenter)”操作。由于頻譜分析儀的幅度響應(yīng)是在對(duì)預(yù)選器調(diào)諧取中的條件下進(jìn)行出廠校準(zhǔn)的，所以取中是最佳操作。請(qǐng)注意，預(yù)選器的調(diào)諧精度變差將導(dǎo)致幅度精度降低。

圖2b顯示了YIG濾波器取中操作的重要性。A點(diǎn)表示用于對(duì)YIG濾波器頻率響應(yīng)進(jìn)行出廠校準(zhǔn)的坐標(biāo)位置。該點(diǎn)位于新型分析儀室溫下的響應(yīng)曲線上。其水平位置在-4dB(相對(duì)峰值)響應(yīng)頻率之間的中點(diǎn)。

B點(diǎn)位于一條平移(congruent)曲線上，當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，垂直位移表示所期望的總系統(tǒng)響應(yīng)變化。除了環(huán)境溫度變化之外，調(diào)諧后漂移和老化的影響可能導(dǎo)致在曲線上取到的點(diǎn)為F。在這種情況下，幅度誤差可能非常大。該誤差可以表示為長(zhǎng)度E，即響應(yīng)點(diǎn)B和F之間的差值。

為改善幅度精度，分析儀的YIG預(yù)選濾波器應(yīng)再次進(jìn)行取中操作。范圍C表示相對(duì)最新調(diào)諧曲線峰值的-4dB點(diǎn)的位置。再次取中點(diǎn)可得到如G點(diǎn)所示的響應(yīng)?，F(xiàn)在距離D代表新的誤差，它比初始誤差距離E要小很多。

為優(yōu)化調(diào)諧功能，可采用“預(yù)選器取中”算法測(cè)量濾波器響應(yīng)。該算法假設(shè)有類似CW的輸入信號(hào)，并在掃描調(diào)諧電流時(shí)觀察相對(duì)響應(yīng)。在該相對(duì)響應(yīng)曲線上查找-4dB點(diǎn)，并在這些點(diǎn)之間取調(diào)諧的中點(diǎn)。

這個(gè)預(yù)選器取中算法的假設(shè)之一是，在取中操作的掃描期間，濾波器的輸入信號(hào)表現(xiàn)出良好的幅度穩(wěn)定性。這一穩(wěn)定性必須在1dB下保持良好，以使幅度變化不會(huì)被誤認(rèn)為是濾波器通帶形狀的變化。同樣的道理，該信號(hào)還必須具有最小頻率調(diào)制。雖然在1MHz下表現(xiàn)良好的調(diào)制在帶寬上可以接受，但寬帶數(shù)字調(diào)制會(huì)引起調(diào)諧誤差。最后，該信號(hào)必須具有優(yōu)良的信噪比(SNR)。

對(duì)輸入信號(hào)的上述約束在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中可能會(huì)造成問題。例如，當(dāng)測(cè)量低水平諧波時(shí)不能進(jìn)行取中操作。取中操作不能用于測(cè)量點(diǎn)噪聲密度。它不能與日益普遍的數(shù)字通信信號(hào)協(xié)作，例如正交頻分復(fù)用(OFDM)、寬帶碼分多址(WCDMA)或時(shí)分多址(TDMA)格式信號(hào)。同樣地，它不能與大部分雷達(dá)信號(hào)協(xié)作。

因此，盡管頻譜分析儀的幅度精度指標(biāo)僅在預(yù)選器取中操作之后才有意義，但取中操作往往做不到，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度極大降低。

如果分析儀集成了專用于預(yù)選器取中操作的全范圍CW信號(hào)發(fā)生器，那么用戶將不需要提供合適的信號(hào)。遺憾的是，這種功能的經(jīng)濟(jì)代價(jià)太大。不過，通過采用寬帶噪聲發(fā)生器和新的中心算法，可以經(jīng)濟(jì)地完成沒有嚴(yán)格信號(hào)要求的取中操作。這一新方法的模塊圖如圖3所示。

從表面上看，似乎噪聲源對(duì)調(diào)諧YIG預(yù)選濾波器并沒有什么幫助。畢竟濾波器產(chǎn)生的噪聲量幾乎與調(diào)諧電流無關(guān)。但噪聲的頻率分布已經(jīng)改變了。進(jìn)入IF的噪聲量將隨調(diào)諧電流而變化。通過分析圖4的曲線，預(yù)選器取中算法可以僅利用噪聲源來對(duì)通帶進(jìn)行取中操作。

可以在每一個(gè)用戶感興趣的頻率調(diào)用取中算法。但是，內(nèi)置的噪聲源也允許在分析儀中實(shí)現(xiàn)并任意重新進(jìn)行總調(diào)諧曲線的出廠校準(zhǔn)，而不是只能求助于裝備齊全的設(shè)備。因此，可以通過不定期運(yùn)行“特征預(yù)選器”操作來消除老化和(重要性極低)環(huán)境溫度變化的影響。采用一個(gè)性能優(yōu)異的預(yù)選器，則幾乎不需要進(jìn)行取中操作。無需重取中點(diǎn)甚至?xí)葻o需類似CW信號(hào)的取中操作更方便。

總之，通過加入噪音源及新的調(diào)諧算法，安捷倫MXA信號(hào)分析儀可以在所有類型的信號(hào)(而不僅僅高幅度、接近CW分布的信號(hào))測(cè)量中滿足其微波幅度精度指標(biāo)的要求。例如，在6GHz頻率下測(cè)量40MHz的數(shù)字調(diào)制信號(hào)時(shí)，盡管正確的取中操作改善了需確保的±1.5dB精度，但未進(jìn)行有效預(yù)選器取中操作的測(cè)量精度并沒有被確定下來，而且可能比-10dB更差。