頻譜儀在信號功率測量中的應用

頻譜儀功率測試原理

根據現代超外差式頻譜分析儀原理(見(jiàn)圖2)，進(jìn)入頻譜儀的射頻信號經(jīng)過(guò)混頻器變?yōu)橹蓄l，中頻濾波器對此信號的帶寬進(jìn)行限制(RBW)，再經(jīng)電壓包絡(luò )進(jìn)行檢波，然后經(jīng)視頻濾波器，最后通過(guò)數字檢波器的計算得到測試頻譜。

圖2 現代超外差式頻譜分析儀原理框圖

可以明確：對于正弦連續波的功率測試，只要信噪比足夠高，頻譜儀的測試設置相對簡(jiǎn)單，本文不做過(guò)多敘述。本文主要針對模擬和數字調制信號以及噪聲信號進(jìn)行準確功率測試的原理分析及儀器設置，并對其帶來(lái)的誤差項進(jìn)行評估。

檢波器的作用及類(lèi)型

現代頻譜儀的檢波器通常是數字的，是一些加權算法，是對視頻信號的處理和計算。對應頻譜上每一個(gè)顯示像素點(diǎn)，都有N個(gè)采樣值，如圖3所示。

圖3 中頻信號經(jīng)包絡(luò )檢波器和視頻濾波器輸出視頻信號及其采樣

檢波器有多種，包括自動(dòng)峰值檢波器、最大(小)峰值檢波器、平均值檢波、均方根檢波器(RMS)等。

RMS檢波器中計算對應于每個(gè)像素點(diǎn)的所有采樣值的均方根。結果為像素點(diǎn)對應頻寬內的信號功率。在RMS計算時(shí)，包絡(luò )的采樣值要求采用線(xiàn)性刻度，且：

檢波器和平均功率

現代頻譜儀的檢波器包括兩部分：包絡(luò )檢波器獲得正弦波的均方根值(峰值電壓的0.707倍);數字檢波器為取值加權算法。頻譜儀內的檢波器是電壓檢波器，頻譜儀顯示功率測試值的方法是：Pi=Vi2/R，頻譜儀通常是50歐姆阻抗，因此：

其中pi是頻譜功率顯示點(diǎn)，Vi是電壓采樣點(diǎn)，R是頻譜儀阻抗。

根據以上推論，要通過(guò)頻譜儀獲得平均功率，必須選擇真正的RMS檢波器。

為什么要平均

對于噪聲和類(lèi)噪聲信號的頻譜，需要對蹤跡進(jìn)行平滑以獲得穩定的讀數，也就是頻譜儀對測試結果進(jìn)行平均。平均的結果是對噪聲和類(lèi)噪聲信號進(jìn)行平滑，即去除頻譜“毛刺”，對于單頻點(diǎn)連續波信號的測試值來(lái)說(shuō)，結果沒(méi)有改變。

由于頻譜儀進(jìn)行功率測試時(shí)，功率值是通過(guò)電壓采樣和檢波值計算而得，因此，測試人員必須清楚由于平均對測試值帶來(lái)的影響，否則就會(huì )得到錯誤結論。

根據概率論，帶內高斯噪聲分布為瑞利分布。對于瑞利分布的噪聲，當采樣足夠多時(shí)，標準偏差(σ)與平均誤差(算術(shù)平均值)(

)之間具有如下關(guān)系：

對于頻譜儀來(lái)說(shuō)，中頻信號經(jīng)包絡(luò )檢波器后獲得電壓有效值(RMS)，因此平均誤差(

)幅度包絡(luò )要除以，因此，在頻譜儀測試過(guò)程中，

所以，在頻譜儀測試時(shí)，電壓包絡(luò )線(xiàn)性平均值對應的功率值(

2)比真正的平均功率(RMS檢波所對應的s2)小1.05dB。

對數平均與線(xiàn)性平均的關(guān)系

根據窄帶高斯噪聲的統計分布，帶內高斯噪聲分布為瑞利分布。

式中，ρ為噪聲隨機包絡(luò )，?為噪聲的隨機相位。

電壓采樣值線(xiàn)性平均后取對數：

電壓采樣值對數值平均(幾何平均)：

可見(jiàn)，對于窄帶高斯白噪聲，對數平均比線(xiàn)性平均低1.45dB。即頻譜儀測試時(shí)，采用對數平均(對數放大器打開(kāi))，對于電壓測試值來(lái)說(shuō)，幅度包絡(luò )進(jìn)行對數加權運算，對大信號放大的增益小，對小信號放大的增益大。在對數平均的情況下，要比線(xiàn)性平均小1.45dB，比真實(shí)平均功率小2.5dB。