頻譜分析儀(以下稱頻譜儀)是射頻領域進行信號測試分析的基礎儀器，幫助射頻工程師完成信號頻率與功率的測量。頻譜儀發(fā)展至今，衍生出如：超外差式頻譜儀、信號分析儀、實時頻譜儀等多種名稱，雖然叫法不同，但主要功能都還是進行射頻/微波信號的測量，只是在處理/分析信號及擴展性上各有側重。

隨著各儀器廠家技術的進步，頻譜儀的精度越來越高，分析功能越來越多，價格也越來越高，對于廣大中小企業(yè)而言，頻譜儀的投入往往是一件大事，是否有一種可能選擇到性價比高的產品的同時也兼顧到信號測量的精度呢?

我們今天來談談如何在使用頻譜儀測量時進行必要的優(yōu)化。

Chrent優(yōu)化低電平測量的靈敏度

頻譜儀對低電平信號的測量能力受限于頻譜儀的內部噪聲。頻譜儀內部混頻器及各級放大器會產生噪聲，通過檢波器會反映為顯示平均噪聲電平(DANL)。當我們測量小信號的時候，信號幅度會接近頻譜儀內部噪聲，被測信號信噪比越低，帶來的測量誤差也就越大。

合理進行參數(shù)設置可改善本底噪聲，如圖1顯示一個被頻譜儀DANL淹沒的信號，為了正確測量這一低功率信號，必須通過最小化輸入衰減，減小分辨率帶寬(RBW)，和開啟前置放大器等方法來降低頻譜儀的DANL，從而讓小信號凸顯出來。

圖1

首先，頻譜儀的輸入衰減器的設置會改變DANL，輸入衰減器用來保護頻譜儀的內部電路不被大功率信號燒壞，輸入衰減器增大可以減小到達輸入混頻器的信號功率。由于頻譜儀的噪聲產生在輸入衰減器之后，大的輸入衰減設置會減小信噪比，在多數(shù)情況下，輸入衰減器的設置處于自動(AUTO)狀態(tài)，即頻譜儀自動設置(如DSA800E系列為10dB)，但在某些測試小功率信號的情況下，需要更小的輸入衰減器設置來降低頻譜儀的本底噪聲，此時應把衰減器設置為0dB。

混頻器輸出后的放大器會放大被衰減的信號，除了放大輸入信號外，噪聲也同樣被放大，從而造成頻譜儀的DANL上升。然后信號通過RBW中頻濾波器，所以減小RBW可以使較低的噪聲能量到達頻譜儀的檢波器，可以降低頻譜儀的DANL。

圖2中的例子顯示出隨著頻譜儀設置的不同，DANL逐步降低。

圖2

當需要進一步提高測量靈敏度時，應該使用具有低噪聲和高增益的前置放大器。現(xiàn)在頻譜儀一般都具有內部的前置放大器（預放），可以改善信噪比20dB左右（如DSA800系列為17dB）。這對一些小信號的測量（如雜散信號測量，-110 dBm以下信號功率測量）是非常有用的。頻譜儀內部的預放默認狀態(tài)是關閉的，使用時需要手動打開。同時打開預放時要注意此時的輸入信號電平，避免損壞預放。

當進行雜散信號測量時，要求雜散信號應低于某個限值，DSA800E系列頻譜儀可以提供一個模板判定功能，如圖3所示，該功能把測得的軌跡數(shù)據(jù)與一組幅度和頻率限值線相比較。如果被測信號落在限值線內，屏幕顯示PASS，如果信號超出限值線，屏幕顯示FAIL。該功能同樣能夠用于EMI預測試方向。

圖3

Chrent識別內部失真成分

在進行諧波，雜散等項目測試時，需要對輸入信號載波之外的失真成分進行測量分析。但需要注意的是，有時輸入信號較大并且輸入衰減設置不夠時，會造成頻譜儀內部產生失真。這時，失真成分會對測量結果造成影響，甚至會將失真產物誤判為被測信號。如何判別失真是頻譜儀內部產生的還是被測信號本身的失真？使用頻譜儀的輸入衰減器就可以簡單的作出判定。

圖4為某信號的二次諧波，首先把頻譜儀的輸入衰減設為0 dB，然后開啟第二條軌跡，將輸入衰減設為10 dB，此時觀察頻譜儀顯示的測量軌跡是否有變化，如果沒有（如圖5），則內部產生的失真對測量沒有影響，如果軌跡發(fā)生了變化，則說明頻譜儀的混頻器產生了內部失真。此方法也能夠有效的鑒別偽信號。

圖4

圖5

Chrent選擇合適的檢波方式

現(xiàn)代頻譜儀采用數(shù)字信號處理技術，在混頻，濾波后對信號作數(shù)字化處理，如圖6，頻譜儀顯示的頻譜為離散測試點的組合，離散點測試取值的方式取決于不同的檢波方式。不同性質信號功率的測試結果與檢波器的選擇有關。

頻譜儀使用跡線將掃描的信號顯示在屏幕上。對于跡線上的每一點，頻譜儀總是捕獲一個特定時間間隔內的全部數(shù)據(jù)。然后使用當前選中類型的檢波器對捕獲的數(shù)據(jù)進行處理(取峰值、平均值等)，將處理后的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上(一個點)。

圖6

選擇什么樣的檢波方式將直接影響到最終的測量結果。不同廠家的頻譜儀的檢波方式可能名稱不完全相同，下面以RIGOL公司的DSA800為例進行介紹：

正峰值：對于跡線上的每一個點，正峰值檢波顯示對應時間間隔內的采樣數(shù)據(jù)中的最大值。適用于CW信號及信號搜索測試。

負峰值：對于跡線上的每一個點，負峰值檢波顯示對應時間間隔內的采樣數(shù)據(jù)中的最小值。適用于小信號測試。

抽樣檢波：對于跡線上的每一個點，抽樣檢波顯示對應時間間隔中心時間點對應的瞬態(tài)電平。適用于噪聲或類似噪聲信號測試。

標準檢波：標準檢波（也稱正態(tài)檢波或rosenfell檢波）依次選取采樣數(shù)據(jù)段中最大值和最小值顯示，即對于跡線上每一個奇數(shù)號點，顯示采樣數(shù)據(jù)的最大值，對于跡線上每一個偶數(shù)號點，顯示采樣數(shù)據(jù)的最小值。使用標準檢波可直觀地觀察信號的幅度變化范圍。適用正弦和噪聲成分的信號分析。

有效值平均：對于每個數(shù)據(jù)點，檢波器對相應時間間隔內的采樣數(shù)據(jù)做均方根計算。有效值平均檢波可抑制噪聲，觀察弱信號。

電壓平均：對于每一個數(shù)據(jù)點，檢波器對相應時間間隔內的采樣數(shù)據(jù)做算術平均。電壓平均處理后轉化為功率，適用于脈沖信號上升/下降時間測量。

準峰值（DSA800選件）：準峰值檢波是峰值檢波的一種加權形式。對于每一個數(shù)據(jù)點，檢波器在對應時間間隔內檢測峰值，使用帶有特定的充電、放電結構的電路和由CISPR Publication 16標準中規(guī)定的顯示時間常數(shù)做為權值對已檢測的峰值進行加權處理，顯示加權結果。特別適用于EMI測試。