检波处理

通过很多方法可以提高频谱分析仪的测试灵敏度，那此时频谱分析仪的噪声电平到底是多少呢？下面详细介绍频谱仪准确测量出一个信号功率的过程和正确测试方法。

下图为频谱分析仪得到信号幅度信息的具体过程：

1、信号通过变频处理；

2、通过中频滤波带通处理，带宽设置：RBW；

3、通过检波处理，得到信号的包络信息，包络电压大小反映信号幅度高低；

4、通过对数放大，将信号的幅度参数转换为对数单位；

5、视频滤波处理，对包络电压信号进行低通平滑处理，减小包络电压信号的变化抖动范围，带宽设置：VBW；

6、检波方式处理，根据不同检波方式设置，对包络电压信号进行参数提取，提取参数结果对应仪表显示信号的幅度。

基于以上信号测试过程，最终信号幅度的测试结果会与相关参数的设置有关。

图11频谱分析仪对信号功率的测量过程

频谱分析仪测试的信号在时间上存在的方式是连续变化的，这样的信号通过检波器输出的结果也应为时间上连续信号。

频谱分析仪测量轨迹线为由离散点内插连接的曲线，这些离散点的频率位置由频率扫宽和扫描点数确定，而其幅度值会与检波方式（Detector Type)有关。

检波方式实际是从信号连续包络中抽取离散幅度值的方式。

下图说明采用不同检波的抽取方式，得到信号的幅度读值是不同的。根据不同的测试对象，需要选择不同的检波方式。

频谱仪最综显示的信号功率实际上是包络检波器输出连续电压通过量化抽取后得到的数值，这种抽取的方式称为检波方式。

对不同性质的信号需采用不同检波方式

1、Peak 方式（值方式）： 抽取每段包络电压的值

2、Sample方式（随机方式）：等间隔抽取每段包络的电压数值

3、Neg peak方式（负峰值方式）：抽取每段包络电压的值.

图12Peak/Sampe/Neg Peak检波方式

对于噪声信号或类似噪声信号,如仍采用peak检波方式将会使输出结果产生一个直流偏置，被测信号概率分布不同，这个偏置也不相同从而造成测量误差。对于这种信号,需进行平均处理。

对于功率随时间随机变化的信号，为得到可重复的稳定测量结果，只能测量其平均值。

平均处理实际是多次测量结果的积累处理，例如：

100平均结果=（前99次测量结果+当前测量结果）/100。

当然根据平均的要求，平均计算时，可对当前测量结果进行加权处理。

图13 平均检波方式

当对许多信号进行检测时，例如：CDMA信号；WCDMA信号等，需要采用均方根检波方式（RMS），RMS 检波的具体含义为：

1、测量为平均值检波方式；

2、平均的方法为功率平均。

这种检波方式适合于类似于噪声的调制信号的平均功率和邻信道功率比（ACPR） 等指标的测试。

频谱仪要对类似噪声的调制信号进行平均功率测试时,需将其VBW值设为RBW值的3倍以上，以消除Log平均的影响。

频谱仪的Channel power 测试功能会自动完成以上设置。

前面明确了频谱分析仪测量中各个设置参数的具体含义，下面总结一下针对不同信号测试时，如何正确选择不同检波方式；平均方式及RBW、VBW设值。

信号1：CW（continuous wave）信号，包含其谐波和其它离散频谱信号

CW信号检波输出为直流成份，在频域上频率成份呈离散分布。对这种信号测试可进行充分的VBW低通处理，可将RBW，VBW设置为尽量小，为有效地检测到噪声背景下的CW信号，检波方式为Peak。

信号2：连续谱调制信号通道功率测试，ACPR测试

这种信号为随机调制码信号，所以频谱为连续分布。为得到信号准确平均功率，RBW可设置为尽量小，检波方式为RMS检波。为减小VBW带来的对数平均的影响，应该将VBW设置为比RBW大3~10倍。

信号3：噪声及杂散信号

噪声和杂散信号在频域上会覆盖非常宽的频率带宽，测量这些信号功率参数时首先要明确测量的频率带宽，如：1GHz处100kHz带宽内噪声功率。噪声信号功率随时间和频率会随机变化，定量测试结果为其平均功率，所以需要采用功率平均处理。

信号4：信号的包络波形

为准确测量信号包络参数，包含上升/下降时间等，为减小信号幅度抖动带来的测量误差，可以使用电压平均处理。

内部失真

频谱分析仪通常应用于测试信号的各阶失真，在对信号进行读值之前，也许你需要先考察一下频谱仪显示谱线的真实性，既显示结果是来源于被测信号还是来源于仪器内部产生的失真。

任何非线性器件都会产生非线性失真，不管它是由频谱分析仪内部（混频器；前置放大器）产生失真还是由被测器件产生的失真，都会显示在频谱仪测试结果上。

频谱仪利用超外差式对信号进行变频处理，其混频电路一定会产生非线性失真。对于利用频谱分析仪来测试各种信号，希望仪表内部产生的各种失真越小越好。

图14混频器及其它处理过程的非线性作用

要减小频谱仪测试产生的失真，首先研究失真信号变化的规律。

非线性失真产物变化的规律：

失真测量大部分是相对于基波信号（载波或双音信号）进行的。当基波功率降低1dB时，二阶失真降低2dB 。但是，相对于基波二阶失真降低了1dB，基波和二阶失真比之间对应关系为1：1。

二阶失真随基波上升呈平方关系增加，而三阶失真随基波呈三次方增加。这就意味着在频谱分析仪的对数标度上，二阶失真电平变化的速度是基波变化速度的两倍，三阶失真电平变化的速度是基波变化速度的三倍。

当基波功率降低1dB时，三阶失真降低3dB。但是，相对基波三阶失真降低了2dB，基波和三阶失真比之间存在2:1的对应关系。

图15各阶非线性失真信号变化规律

现在知道了失真的特性如何，让我们在动态范围上画出由基波产生的二阶和三阶失真产物与基波信号的相对关系。这些对应关系对所有非线性器件来讲都是适合的。

失真信号变化关系图是对这种关系的具体说明。

X轴表示混频器的信号功率（在这种情况下为单或双音信号）。

Y轴为频谱分析仪内部产生的失真电平和基波信号的功率比值，以dBc表示，这些曲线是信号与失真的对比曲线。

具体读值的含义：

当混频器的输入基波信号幅度为-30dBm,由于混频器的非线性作用会使输出中出现新的频率成份，二阶非线性带来二次谐波，谐波幅度为：-90dBm，二阶失真与基波信号的幅度比：-60dBc；三阶非线性带来三次谐波，谐波幅度为：-100dBm，三阶失真与基波信号的幅度比：-70dBc。

当输入信号幅度增加10dB为-20dBm,各阶失真产物的变化：

二次谐波增加20dB，为-70dBm，二阶失真与基波信号的幅度比：-50dBc；三次谐波增加30dB，为-70dBm，二阶失真与基波信号的幅度比：-50dBc。

所以：二阶失真变化线斜率为1，三阶失真变化线斜率为2。

通过推算，可得到非线性器件的TOI（三阶截获点）和SHI（二阶截获点），这些指标反映当器件输入信号幅度持续增加，直到产生失真和基波信号幅度相同时输入信号的幅度。当然这只是推导的结果，实际器件的工作电平不会达到该电平。

对不同的频谱仪，确定的输入信号电平下，仪表产生的失真小，对应的TOI和SHI也相应会提高。

以上这些分析意味着什么呢？失真动态范围图告诉我们：

1、频谱仪混频器工作电平越低，其产生的非线性产物越小；

2、对于失真测试其的动态范围对应于混频器的工作功率电平。

3、要减小混频工作电平，需增加衰减器设值。

图16 非线性引起失真信号变化规律

动态范围

频谱分析仪动态范围是一个包含面很宽的概念，简单来讲动态范围是频谱仪同时测量大信号和小信号的能力。

例如：当频谱仪在测量一个10dBm的大信号时，其灵敏度和失真指标能否保证其还可准确测量邻近的一个-100dBm杂散信号。

关于动态范围需更多具体的定义，如：

1、显示动态范围：

频谱仪可正确表示信号电平的范围，频谱仪有10个显示格，每格代表10dB,如参考电平为0dBm,0~9格表示0~-90dBm,而最下一格需表示-90~-130dBm,所以是不准确显示范围。

2、无失真测试动态范围（二阶；三阶）

在保证仪表可以正确测量基波信号的情况下，频谱仪可测量的二次谐波或散阶谐波的能力。如当输入信号为0dBm基波时，频谱仪内部产生的二阶非线性失真为-110dBm,则其二阶无失真动态范围为：100dB.

3、测试动态范围：

频谱仪可以分开测试信号的能力，当测量大信号时，可将衰减器设为高值，当要对小信号进行测试时，可通过滤波器将大信号进行抑制，同时将衰减器设为尽量低值，提高测试。

图17  频谱分析仪动态范围指标定义

回顾一下，衰减器设值还会影响频谱分析仪的灵敏度指标。正如我们所画的失真产物随混频器功率而变化一样，也能画出信噪声比（S/N）随混频器功率的变化，这就是噪声或灵敏度的动态范围图。

噪声动态范围图告诉我们什么呢？它表明，在一个动态范围图上同时画出信号对噪声和信号对失真的曲线。的动态范围处于曲线的交点，这时内部产生的失真电平等于仪表平均噪声电平的位置。这时频谱分析仪的测试动态范围。

的混频器电平使仪表具有的测试动态范围。对于确定的三阶失真和二阶失真测试，就是频谱仪的三阶失真测试动态范围和二阶测试动态范围。

例如，频谱仪表输入的双音信号(tones)幅度为0dBm，仪表衰减器有10dB步进和变化范围，这样可选取设置仪表的混频电平为：0,-10,-20,-30dBm等。那什么的混频器电平保证仪表具有足够的动态范围，从而观测到-50dBC失真产物。无论如何，保持尽可能低的内部噪声和失真产物可使测量误差减至。这样，加到混频器的驱动电平取-30到-40dBm之间将使测量误差（由于有的信噪比和的信号失真比）。

假如可选取-30或-40dBm的混频器电平，选取-40dBm （混频器电平处在交点左边）为好，因为内部产生的任何失真产物低于噪声电平，观察不到，其结果得到“无寄生显示”。

图18为保证动态范围的混频器工作电平

 总结前面的分析：

a、当利用频谱仪表测试信号失真（二次谐波；三次谐波等）的过程中，频谱仪表显示的失真产物实际上包含三个成份：

b、被测失真（真实测试对象）；

c、仪表产生的失真；

d、仪表噪声。

所有这三个信号是客观存在的，为得到正确测试结果，希望仪表内部失真和噪声都尽量小，而这两个信号的幅度都和仪表的衰减器设置有关。

通过上图的分析，可得到以下结论：

一方面，为了的信噪比，希望混频器的驱动电平尽可能大；但另一方面，希望产生的内部失真，这就要求混频器有尽可能低的驱动电平。因此，的动态范围是噪声和产生内部失真相同，频谱仪的衰减器设值要在这两点间折衷。

具体测试中，到底对频谱仪内部失真的要求为多少？作为一种近似，通过被测指标的分析来确定仪表的要求。

例如：被测试二次谐波要求电平为-40dBc，而对于三次谐波和交调失真为- 50dBc。希望仪表产生的附加成份（包含谐波失真和噪声）比真实输入信号低20dB, 这时仪表给测试结果带来的误差为0.04dB。

（无论如何，为了减少仪表内部存在附加成份引起的测量误差，内部失真必须远低于测试技术指标。）

实际测试中，可以通过改变输入衰减器测试来确定频谱仪的混频器电平，而不需进行计算。

改变衰减器确定混频电平的具体过程：

持续增加衰减，直到信号或失真电平与以前的值相比不变化。现在你再稍增加衰减器使混频器电平稍低于混频器电平，这是利用输入衰减器得到的混频电平。

有的频谱仪可以通过噪声抵消技术来减低仪表内部噪声对测试的影响，扩展测量动态范围。噪声抵消的具体过程是仪表首先对内部噪声进行测试，在实际测试被测量信号时，将信号中内部噪声部分消除。

    通过对信号频谱图的观察，可以看到在偏离载波0.1-10MHz范围内测试的动态范围是不同的。在偏移载波信号近端，测试动态范围会受到本振相位噪声的影响而变差。

在偏移载波大于1MHz频率范围内，仪表测试动态范围：仪表压缩电平- 仪表噪声(Compression-to-noise)=(-3dBm) - (-120dBm) =117dB(10HzRBW)

在这个区域内，容易测量-60dBC的杂波。离开载波1MHz之外，灵敏度不受噪声边带的影响，因此可用较宽的分辨带宽和较快的扫描时间进行测量。

在离开载波100KHz 之内，由于噪声边带灵敏度降低。因此，进行测量需要较窄的分辨带宽和较慢的扫描时间。有时候噪声边带太高不能进行测量。

的动态范围是容易计算的，如下图所示：

MDR3=的三阶动态范围

MDR2=的二阶动态范围

TOI=三阶截断点

SOI=二阶截断点

DANL=显示的平均噪声电平

混频器电平= 信号电平减去衰减

混频电平= 动态范围的混频器电平。

图19近端测试动态范围受本振相位噪声影响

下面一个频谱分析仪表测试动态范围计算的具体例子。

测试的对象是一个100kHz频率带宽内的杂散信号，要求其幅度小于-95dBm,在该信号偏移10MHz处存在一个10dBm的大信号。所以这是个大信号背景下一个弱信号的测试问题。

输入信号中包含大信号，该信号会进入仪表的处理通道，所以仪表的输入衰减器设置必须考虑该大功率信号的存在，而不管当前频率扫宽的设置是否可以观察到该信号。所以：仪表输入衰减器设置为：20dB,这样保证混频器工作电平在规定范围内。

频谱仪的测试灵敏度是在0dB衰减下得到定义，在输入衰减为20dB的条件下，噪声电平会恶化20dB，为：-155dBm/Hz+20dB=-135dBm/Hz，相应100kHz带宽内，噪声电平为：-135dBm/Hz+10log(100k)=-135+50=-85dBm/100kHz。

被测信号要求为-95dBm，所以仪表的灵敏度不能保证对该信号的测试。

回忆一下影响频谱分析仪灵敏度的技术方法：

方法1：减小RBW； 方法2：减小衰减器；   方法3：减小VBW，

测试测试的对象是噪声，其功率与测量带宽有关，所以仪表的RBW不能更改。所以现在只能通过减小衰减器来提高测试动态范围，小衰减状态下，输入信号中的大功率成份会使仪表过载造成失真，为消除其影响，可通过带通或陷波处理来抑制大信号。实际上这是频谱仪的分时测量动态范围，可以和仪表的功率测试范围（输入电平-灵敏度）相同。

图20频谱分析仪测量动态范围的计算举例

测量

频谱仪测量信号的基本参数为信号幅度和频率，所以频谱仪的测量包含两个方面：

1、频率测量；

2、幅度测量。

根据测量是针对一个信号还是两个信号进行测量，又分为测量指标和相对测量指标。得益与仪表采用的许多先进技术，特别是中频信号数字处理技术，使得现代频谱分析仪测试和传统频谱仪相比有很大提高。

频谱仪频率指标的具体计算过程是对起频率测量过程的直接反映。    

频率测量指标中包含本振频率和中频频率的贡献。

频谱仪内部本振需要具备频率扫描功能，实际扫描过程中本振频率会与参考源及扫描特性线性有关。基于各种频率测量方式，频谱仪扫描过程中，本振信号实际频率回和扫宽直接相关，从而造成频率读值较差。

有的频谱分析仪利用计数器功能，实际测量过程中，当需要得到某个被信号频率时，会采用计数器测量本振信号和中频信号实际频率，这样可大大提高频谱分析仪测量信号频率的，但测量速度会受到一定影响。

关于频率测量的问题，频谱分析仪可准确测量点频CW信号的频率。对于各种常见数字调制信号，当调制数据为随即码时，这种信号的频谱呈连续分布，所以需通过解调来确定其载波的准确频率。

频谱仪是宽带测量仪表，测试频率范围会覆盖很宽，这会导致仪表测试频率响应误差。频响误差是频谱分析仪幅度测量误差的主要来源。

根据测试信号分布的范围，频响误差分为段内频响误差和频段切换误差，频率段大划分在仪表技术数据中会得到明确。

被测输入信号中包含幅度不同的各频率成份，这些信号大小不同，理想的频谱仪在处理这些信号时应该保证相同的增益，而实际上，信号在处理过程中，电路对大小不同的输入信号处理的增益不同，造成仪表刻度保真度误差，带来误差的主要电路有：对数放大器，ADC电路；检波器等。

所以当信号处于频谱仪不同的显示位置时存在刻度保真度误差。

中频放大器增益不同会影响信号在频谱仪上显示的位置，参考电平处，频谱仪经过校准，当信号显示位置不在参考点平处时，频谱分析仪存在中频增益误差。

在诸多影响频谱仪幅度测量的因素中， 频响误差的影响较大。

为提高幅度测量， 常采用以下技术手段：

1、调整频谱仪显示的确 Ref level,使被测信号处在尽量接近于 Ref  level的地方。

2、定期利用内部参考信号进行自校 Alignment 处理。

需定期利用频谱分析仪内部的校准信号对频谱分析仪进行自校，以保证各项指标其测量。

频谱分析仪的幅度补偿功能可以对被测信号与仪表间各种连接的影响进行补偿，最终保证被测信号幅度测量。对各种外连接的补偿可以考虑频响应的影响。

测试速度

当需要得到频域的高分辨率时，需要减小RBW设值，但减小RBW会对仪表的测试带来其它影响。

较窄的滤波器所需的响应时间较长。当扫描时间太快时，频谱分仪的分辨带宽滤波器不能够充分响应，并且幅度和频率和显示值变为不正确，即幅度下降，频率向上移。为了保持正确的读数状态，应该遵循下面的扫描时间议程：

扫描时间>=k.(Span/ ResBW ² )（ VBW>ResBW）

扫描时间>=k.(Span/( ResBW)·(Vid  BW) )（VBW<ResBW）

这里，对于同步调谐模拟滤波器，2..5<=k;对于利用数字信号处理技术的频谱分析仪，k<1；对于平顶滤波器，10<=k<=20。

同步调谐模拟滤波器的扫描时间比平顶滤波器快3.33到6.67倍，而“数字”分辨带宽滤波器的扫描时间快4-100倍！

频谱分析仪能自动联锁（Auto coupled)扫描时间，根据选取的频率间隔和分辨带宽自动地选择最快可允许的扫描时间。如果手动选取的扫描时间太快，仪表会显示出错( Meas uncal)信息。

以上分析的结论：

RBW减小，频谱分析仪测试分辨率率提高，但测试速度下降。任何测试的设置都是在这两者间折衷。

高阻抗探头

频谱分析仪的输入阻抗通常为50欧姆或75欧姆，可以与大多数射频和微波设备相匹配。但是有时候需要对电路或集成电路进行探测或在线测试，这时候需要高阻抗探头。图6-21是把用于示波器的高阻探头经过设计改造后适用于频谱分析仪的接口的频谱分析仪高阻探头。主要改动部分是与频谱分析仪的接口改为了N型连接，设计了一个供电接口，由频谱分析仪的供电接口供电。这个探头的带宽可以达到12GHz，可以测量差分信号或单端，输入阻抗为50K欧姆。

21  用于频谱分析仪的高阻高带宽探头