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频谱分析仪是一种将信号电压幅度随频率变化的规律予以显示的仪器,利用频谱分析仪监测、分析有用信号和干扰信号,它能够在扫描范围精确地测量和显示各个频率上的信号特征,这些信号的参数特征的变化通过频域的分析可以得到直接的反映。
现代频谱分析仪采用超外差式原理,通过混频器将天线收到的信号与本振信号混频产生中频信号,这信号经过中频放大后,进行峰值检波,检波后的信号被视频放大,然后显示出来。频谱分析仪依靠中频滤波器分辨各频率的成份,检波器测量信号功率,依靠本振和显示横坐标的对应关系得到信号的频率值。频谱分析仪的灵敏度的定义为它所显示的平均噪声电平(DANL),这项指标关系到仪表对弱信号的测试能力。影响频谱分析仪灵敏度的主要因素有衰减器、中频滤波器、放大器以及视频放大器,下面我们结合频谱分析仪对提高其灵敏度的方法加以分析。
1 输入衰减器设置为最小
输入信号的电平不随衰减增加而下降,这是因为每当衰减降低加到检波器的信号电平10dB时,中放(IF)增益同时增加10dB来补偿这个损失,其结果使仪表显示的信号幅度保持不变。但是,噪声信号将会受到放大器的影响很大,其电平被放大,增加了10 dB。内部噪声主要由中放的第一级产生,因而输入衰减器不影响混频器内部噪声电平,并降低信噪比。因此可以通过将衰减设置尽可能小来提高频谱分析仪的灵敏度,降低噪声电平值。如图1所示(黄色、蓝色、粉色三条谱线分别是Input Atteni设置20dB、10dB、0dB谱线)。
2 减小分辨率带宽
频谱分析仪,频率分辨率是一个非常重要的概念,它由中频滤波器的带宽所确定的,这个带宽决定了仪器的分辨带宽,如果在一个滤波器的带宽范围内,出现两条频谱线的话,则仪器检不出两条谱线而只显示一条谱线,此时仪器所反映谱线电平是两条谱线功率的叠加,因此会出现测量误差。所以对于两条紧密相关的谱线,其分辨力取决于滤波器带宽。
仪表内部产生的噪声是宽带白噪声,它在整个频率范围内的电平是平坦的随机噪声,与分辨率带宽滤波器相比它的频带是宽的。因此,分辨率带宽滤波器只通过一小部分噪声到包络检波器。如果分辨率带宽增加(或减少)10倍,则增加(或减少)10倍的噪声能量到达检波器,并且显示平均噪声电平将增加(或减少)10dB。
显示的噪声电平和分辨率带宽RBW之间关系是:
噪声电平变化(dB)=10log(分辨率带宽2/分辨率带宽1)
例如:RBW从100KHz变到10KHz,噪声电平变化为:
噪声电平变化(dB) = 10log (10KHz/100
KHz)=-10dB
频谱分析仪中的滤波器会对中放产生的宽带白噪声有频带抑制功能,所以RBW越小,通过中频滤波器的噪声能量越小,则通过检波后显示噪声的电平越低。
频谱分析仪的最低噪声电平(和最慢扫描时间)是在最小分辨带宽下得到的。如图2所示黄色是RBW设置100KHz、兰色是RBW设置10KHz时的谱线。
3 选择合适的视频带宽
频谱分析仪显示出信号加噪声,因此当信号接近噪声电平时,附加的噪声叠加在扫描线上,至使难以读取信号。视频滤波器是在检波之后的低通滤波器,视频滤波器可以对噪声起平滑作用,我们在测试微弱信号时,调整视频带宽的大小,以便观察与噪声电平很接近的信号。
4 增加前置放大器
对弱信号的测量,特别是对于卫星地面站电磁环境测试时,加前置放大器也能提高频谱分析仪的灵敏度,改善接收效果。但是,接收到的信号强度包含了放大器的增益,在计算信号实际强度时,需要将天线增益、放大器增益以及其它增益或损耗除掉,得到才是信号的实际强度。如图3所示黄色谱线是内置放大器关闭状态,兰色谱线是内置放大器打开状态。
通过以上的分析可以发现,较小分辨率的设置会大大增加测量时间,0dB输入衰减会增加输入驻波比,降低测量精度,增加前置放大器会影响频谱分析仪动态范围指标。因此在实际测试过程中一定要对参数进行合理的设置,既要达到测试结果准确,同时也要保证测试的效率。
随着我们对频谱分析仪研究的不断深入,在使用其测量信号时,会综合考虑影响频谱分析仪灵敏度的各种因素,选择最合理的测量方案,使测量结果更精确。
现代频谱分析仪采用超外差式原理,通过混频器将天线收到的信号与本振信号混频产生中频信号,这信号经过中频放大后,进行峰值检波,检波后的信号被视频放大,然后显示出来。频谱分析仪依靠中频滤波器分辨各频率的成份,检波器测量信号功率,依靠本振和显示横坐标的对应关系得到信号的频率值。频谱分析仪的灵敏度的定义为它所显示的平均噪声电平(DANL),这项指标关系到仪表对弱信号的测试能力。影响频谱分析仪灵敏度的主要因素有衰减器、中频滤波器、放大器以及视频放大器,下面我们结合频谱分析仪对提高其灵敏度的方法加以分析。
1 输入衰减器设置为最小
输入信号的电平不随衰减增加而下降,这是因为每当衰减降低加到检波器的信号电平10dB时,中放(IF)增益同时增加10dB来补偿这个损失,其结果使仪表显示的信号幅度保持不变。但是,噪声信号将会受到放大器的影响很大,其电平被放大,增加了10 dB。内部噪声主要由中放的第一级产生,因而输入衰减器不影响混频器内部噪声电平,并降低信噪比。因此可以通过将衰减设置尽可能小来提高频谱分析仪的灵敏度,降低噪声电平值。如图1所示(黄色、蓝色、粉色三条谱线分别是Input Atteni设置20dB、10dB、0dB谱线)。
2 减小分辨率带宽
频谱分析仪,频率分辨率是一个非常重要的概念,它由中频滤波器的带宽所确定的,这个带宽决定了仪器的分辨带宽,如果在一个滤波器的带宽范围内,出现两条频谱线的话,则仪器检不出两条谱线而只显示一条谱线,此时仪器所反映谱线电平是两条谱线功率的叠加,因此会出现测量误差。所以对于两条紧密相关的谱线,其分辨力取决于滤波器带宽。
仪表内部产生的噪声是宽带白噪声,它在整个频率范围内的电平是平坦的随机噪声,与分辨率带宽滤波器相比它的频带是宽的。因此,分辨率带宽滤波器只通过一小部分噪声到包络检波器。如果分辨率带宽增加(或减少)10倍,则增加(或减少)10倍的噪声能量到达检波器,并且显示平均噪声电平将增加(或减少)10dB。
显示的噪声电平和分辨率带宽RBW之间关系是:
噪声电平变化(dB)=10log(分辨率带宽2/分辨率带宽1)
例如:RBW从100KHz变到10KHz,噪声电平变化为:
噪声电平变化(dB) = 10log (10KHz/100
KHz)=-10dB
频谱分析仪中的滤波器会对中放产生的宽带白噪声有频带抑制功能,所以RBW越小,通过中频滤波器的噪声能量越小,则通过检波后显示噪声的电平越低。
频谱分析仪的最低噪声电平(和最慢扫描时间)是在最小分辨带宽下得到的。如图2所示黄色是RBW设置100KHz、兰色是RBW设置10KHz时的谱线。
3 选择合适的视频带宽
频谱分析仪显示出信号加噪声,因此当信号接近噪声电平时,附加的噪声叠加在扫描线上,至使难以读取信号。视频滤波器是在检波之后的低通滤波器,视频滤波器可以对噪声起平滑作用,我们在测试微弱信号时,调整视频带宽的大小,以便观察与噪声电平很接近的信号。
4 增加前置放大器
对弱信号的测量,特别是对于卫星地面站电磁环境测试时,加前置放大器也能提高频谱分析仪的灵敏度,改善接收效果。但是,接收到的信号强度包含了放大器的增益,在计算信号实际强度时,需要将天线增益、放大器增益以及其它增益或损耗除掉,得到才是信号的实际强度。如图3所示黄色谱线是内置放大器关闭状态,兰色谱线是内置放大器打开状态。
通过以上的分析可以发现,较小分辨率的设置会大大增加测量时间,0dB输入衰减会增加输入驻波比,降低测量精度,增加前置放大器会影响频谱分析仪动态范围指标。因此在实际测试过程中一定要对参数进行合理的设置,既要达到测试结果准确,同时也要保证测试的效率。
随着我们对频谱分析仪研究的不断深入,在使用其测量信号时,会综合考虑影响频谱分析仪灵敏度的各种因素,选择最合理的测量方案,使测量结果更精确。