如何使頻譜分析儀測量中出現較大幅度誤差

近年來(lái)，現代頻譜分析儀在低頻模擬精度與數字信號處理(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。由于某些應用對現代頻譜分析儀的要求極高(包括利用高級寬帶數字調制格式進(jìn)行信號分析)，即使采用最佳的頻譜分析儀設計也難以實(shí)現較高精確度。幸好，安捷倫科技最新的MXA信號分析儀平臺中集成了精心的硬件設計與巧妙的測量算法，可幫助用戶(hù)保持最佳精度而無(wú)需特殊的輸入信號或外部測試信號。

微波頻譜分析儀采用可調諧預選濾波器，通過(guò)去除多余的混頻器鏡像(mixerimage)以及本地振蕩器(LO)的諧波響應來(lái)改善性能。不幸地是，這些預選器不穩定，必須頻繁地調諧，而且正確的預選器調諧通常要求在感興趣頻率處的信號近似為CW統計分布。在新型MXA信號分析儀中，一個(gè)完整的噪聲源被用作預選濾波器的調諧信號，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。

“高頻帶”頻率范圍實(shí)際上不能通過(guò)與低頻帶范圍一樣的模塊圖來(lái)創(chuàng )建，這是因為初級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(wú)法滿(mǎn)足操作人員的要求。如圖1所示的備選模塊采用單個(gè)轉換步驟到IF輸出。在這個(gè)模塊圖中，初級混頻器中的鏡像響應僅通過(guò)兩倍IF大小的頻率(或大約600MHz)來(lái)間隔。這些鏡像在頻譜分析儀中不受歡迎。因此，可采用可調諧預選濾波器(帶通濾波器)來(lái)去除鏡像。

為實(shí)現微波頻率下所要求的抑制性能和調諧帶寬，預選濾波器以釔鐵石榴石(YIG)技術(shù)為基礎。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(lái)自頻譜分析儀信道的多余鏡像與響應的濾波器通帶諧振。

YIG預選器通常具有大約40到80MHz的通帶帶寬，可以在一個(gè)較寬的微波頻率范圍內進(jìn)行調諧。當用于高達26.5GHz的頻率時(shí)，需要極高的諧振器品質(zhì)因數(Q)，導致截止頻率過(guò)高，同時(shí)也造成幅度和頻率的不穩定性。

調諧后漂移是YIG調諧帶通濾波器不穩定特性的一種表現。用于調諧YIG球諧振頻率的磁鐵隨著(zhù)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)強度，從而影響濾波器調諧的頻率。磁鐵/球結構的機械老化過(guò)程類(lèi)似，同樣導致不穩定性增大。

同樣，調諧電流和濾波器中心頻率之間的關(guān)系并不能通過(guò)任何簡(jiǎn)單的代數函數來(lái)精確建模。因此，即使調諧非常穩定，但也會(huì )存在調諧誤差。結果就是頻率調諧誤差導致幅度誤差(圖2)。

圖2a顯示了一個(gè)典型的YIG濾波器響應。x軸表示頻率，但由于YIG濾波器的頻率幾乎與調諧電流成正比，x軸也可以被認為是YIG濾波器的調諧電流。在這個(gè)例子中，較小的調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。設計工作點(diǎn)是-4dB響應點(diǎn)之間的中點(diǎn)，因為就調諧誤差而言該設計非常魯棒。

可以通過(guò)利用現代頻譜分析儀進(jìn)行測量的方式調節YIG濾波器。用戶(hù)可以直接調節工作電流，或執行“預選器取中 (preselectorcenter)”操作。由于頻譜分析儀的幅度響應是在對預選器調諧取中的條件下進(jìn)行出廠(chǎng)校準的，所以取中是最佳操作。請注意，預選器的調諧精度變差將導致幅度精度降低。

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YIG濾波器頻率響應進(jìn)行出廠(chǎng)校準的坐標位置。該點(diǎn)位于新型分析儀室溫下的響應曲線(xiàn)上。其水平位置在-4dB(相對峰值)響應頻率之間的中點(diǎn)。

B點(diǎn)位于一條平移(congruent)曲線(xiàn)上，當環(huán)境溫度改變時(shí)，垂直位移表示所期望的總系統響應變化。除了環(huán)境溫度變化之外，調諧后漂移和老化的影響可能導致在曲線(xiàn)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(cháng)度E，即響應點(diǎn)B和F之間的差值。

為改善幅度精度，分析儀的YIG預選濾波器應再次進(jìn)行取中操作。范圍C表示相對最新調諧曲線(xiàn)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?，F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)化調諧功能，可采用“預選器取中”算法測量濾波器響應。該算法假設有類(lèi)似CW的輸入信號，并在掃描調諧電流時(shí)觀(guān)察相對響應。在該相對響應曲線(xiàn)上查找-4dB點(diǎn)，并在這些點(diǎn)之間取調諧的中點(diǎn)。

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

對輸入信號的上述約束在實(shí)際測量應用中可能會(huì )造成問(wèn)題。例如，當測量低水平諧波時(shí)不能進(jìn)行取中操作。取中操作不能用于測量點(diǎn)噪聲密度。它不能與日益普遍的數字通信信號協(xié)作，例如正交頻分復用(OFDM)、寬帶碼分多址(WCDMA)或時(shí)分多址(TDMA)格式信號。同樣地，它不能與大部分雷達信號協(xié)作。

因此，盡管頻譜分析儀的幅度精度指標僅在預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 )導致測量精度極大降低。

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

從表面上看，似乎噪聲源對調諧YIG預選濾波器并沒(méi)有什么幫助。畢竟濾波器產(chǎn)生的噪聲量幾乎與調諧電流無(wú)關(guān)。但噪聲的頻率分布已經(jīng)改變了。進(jìn)入IF的噪聲量將隨調諧電流而變化。通過(guò)分析圖4的曲線(xiàn)，預選器取中算法可以?xún)H利用噪聲源來(lái)對通帶進(jìn)行取中操作。

可以在每一個(gè)用戶(hù)感興趣的頻率調用取中算法。但是，內置的噪聲源也允許在分析儀中實(shí)現并任意重新進(jìn)行總調諧曲線(xiàn)的出廠(chǎng)校準，而不是只能求助于裝備齊全的設備。因此，可以通過(guò)不定期運行“特征預選器”操作來(lái)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)異的預選器，則幾乎不需要進(jìn)行取中操作。無(wú)需重取中點(diǎn)甚至會(huì )比無(wú)需類(lèi)似CW信號的取中操作更方便。

總之，通過(guò)加入噪音源及新的調諧算法，安捷倫MXA信號分析儀可以在所有類(lèi)型的信號(而不僅僅高幅度、接近CW分布的信號)測量中滿(mǎn)足其微波幅度精度指標的要求。例如，在6GHz頻率下測量40MHz的數字調制信號時(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)行有效預選器取中操作的測量精度并沒(méi)有被確定下來(lái)，而且可能比-10dB更差。