提高频谱分析测量准确性的使用技巧

2024-11-13 11:24:09

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频谱分析广泛用于无线通信、电子设计、雷达系统等领域，能够帮助工程师分析信号中的谐波、失真、相位噪声、带宽及其他性能指标，对于了解组件、电路和系统的频域特性至关重要。然而，即便是功能强大的频谱分析仪也可能无法避免操作中的错误，进而导致测量结果的失真，影响产品性能及可靠性。

提高频谱分析测量准确性的使用技巧，有效规避常见的操作错误，有助于提高测量的准确性和可靠性。

频谱分析仪

一、技巧1

（1）选择适当的检波器

频谱分析中会使用不同类型的检波器，遵循一些通用的规则选择合适的检波器会使频谱分析变得简单易行，选择错误的检波器类型则会产生错误的结果，导致无法检测到信号的真实性能。

频谱分析仪

图 1 宽 Span 窄 RBW时，使用采样检波（黄色迹线）会导致丢失信号；使用峰值检波（蓝色迹线）则可以检测到这些信号

（2）采样检波器

采样检波器为分析仪显示的每个轨迹点提供单个采样。每个轨迹点代表频谱仪在频域扫宽范围内均匀分布的单个样本。采样检波器可以有效地测量类噪声信号。使用采样检波器时，分析仪的RBW必须设置为比轨迹点间隔更宽。如果太窄，测量的 CW 信号幅度可能过低甚至被遗漏。当迹线平均启用时，频谱分析仪将自动选择采样检波器，因此检查是否使用了正确的检波器进行测量非常重要。

（3）峰值检波器

峰值检波器在测量间隔内保持MAX幅度值，并在轨迹点显示该值。峰值检波器可以有效测量CW信号，而测量类噪声信号时则可能会提供错误的电平值，除非是“MAX保持”类的测量，此时分析仪用于读取其MAX功率。

（4）均值检波器

均值检波器对两个轨迹点的功率值进行平均处理，并以线性刻度进行显示。均值检波器非常适合类噪声信号，也能有效地显示 CW 信号的幅度。RBW 至少需要与轨迹点间隔一样宽，因为如果太窄，则显示的 CW 信号幅度读数会太低。均值检波器对轨迹点间隔内的所有采样点执行 RMS 功率平均。这比仅使用轨迹点间隔内的一个采样点而丢弃所有其他轨迹点的采样检波器更有效，且耗时更少。

（5）正态检波器

正态检波器是 X 系列信号分析仪的默认检波器。正态检波器非常适合测量类噪声信号，它显示奇数迹线点期间上升和下降信号的峰值，并在偶数迹线点期间显示信号的Mini值。这样类噪声信号的峰峰值就能够准确地显示在分析仪显示屏上。

一般来说，除非用于某些特定测量的检波器类型，否则好使用频谱分析仪选择的默认检波器。峰值检波器用于测量 CW 信号、均值检波器用于噪声类信号则是不错的选择。

二、技巧2

使用正确的平均类型

平均有助于减少由于信号中的噪声而引起的变化，从而使用户能够区分重要的频谱分量和噪声。大多数频谱分析仪都提供对数视频或功率 (RMS) 显示平均类型的选择。

（1）对数视频平均

对数视频平均将以对数标度进行。对数视频平均会导致类噪声信号（例如分析仪的本底噪声）的测量值比实际水平低。对数视频平均不会影响 CW 信号的测量和显示，可用于测量接近频谱分析仪本底噪声的 CW 信号。它降低了本底噪声并提高了仪器的信噪比 (SNR) 性能。

（2）功率平均

在大多数情况下，如果测量类噪声信号时采用平均，通常会使用功率平均。平均可以是迹线平均或是由于将分析仪的VBW降低至小于RBW而引起的平均。当进行功率平均并且VBW降低至小于RBW时，现代分析仪（如X系列信号分析仪）将自动校正以往模拟频谱分析仪中可能存在的响应不佳现象。将VBW减小到小于所选RBW带宽的直接效应是扫描时间会增加。

频谱分析仪

图 2. 黄色迹线中使用对数视频平均法对WCDMA信号进行平均，与蓝色轨迹中使用功率（RMS）平均法正确平均的相同信号相比，产生-2.5 dB的误差

一般来说，对数视频平均适合 CW 信号，功率 (RMS) 平均适合类噪声信号。

三、技巧3

避免分析仪内部失真产物的影响

对于频谱分析来说，确定所测量的是DUT失真产物而非分析仪的失真产物非常重要。

DUT的失真产物是由三阶交调 (TOI)、邻道功率 (ACP) 或谐波信号引起的。这些失真产物的相对幅度与馈入 DUT 的输入信号的电平有关。然而频谱分析仪在处理具有足够功率的输入信号时也可能产生内部失真产物。内部失真产物是频谱分析仪混频器电平的函数。分析仪的内部失真产物可能会与 DUT 的失真产物相加或相减，从而导致错误的结果。

可以通过增加内部或外部衰减来降低混频器测试信号的电平。衰减应增加到失真产物的相对电平不再变化的程度。此时衰减器设置将确保仅是进行DUT的失真测量，而不是 DUT 和分析仪的组合。随着衰减的增加，可以降低 RBW 以提高灵敏度。随着 RBW 的降低，扫描时间将增加。

四、技巧4

选择正确的混频器电平，优化EVM测量

EVM 测量是通过使用频谱分析仪的矢量信号分析 (VSA) 模式实现的。在此模式下，信号直接通过模数转换器 (ADC) 下变频。大多数情况下，分析仪会自动选择适当的带宽。但是，有时信号分析仪中的测量可能未经优化，混频器电平过低或过高都会降低测量性能。

为了优化 EVM 测量，应减小输入衰减，直到显示 ADC 过载，然后增加衰减，直到过载情况消失。在此衰减条件下，ADC 的整个范围都得到了有效利用。达到佳水平可能需要打开前置放大器或为低电平信号添加额外增益。这可以通过在信号分析仪中选择全旁路路径 (FBP) 来实现。FBP 通常在较低功率水平下会改善 EVM 结果。X 系列分析仪嵌入式应用软件（如 5G NR、WLAN）具有一个“优化 EVM”的内置功能，它将自动选择佳信号路径、RF 衰减和 IF 增益，以实现佳 EVM 结果。

五、使用单次扫描，远程控制分析仪

在远程控制时，频谱分析仪连续扫描模式的运行速度会比单次扫描模式慢。发送INITIATE 命令时，仪器必须中止当前扫描模式，然后再重新启动当前请求的测量。在许多情况下，希望避免重新同步分析仪而导致较慢的测量，使用单次扫描模式并启动任何测量以保持速度和同步。

六、技巧6

利用OPC（操作完成）标志，实现测量同步

没有准确的同步，可能会对自动进行的信号分析测量造成影响，甚至会出现不正确的结果。使用OPC标志来指示测量或扫描已完成，可以更好的保持同步。

七、技巧7

传输数据时，关闭显示并使用二进制码以提高速度

二进制数据是 1 和 0 的组合，因此它需要较少的存储，这意味着与 ASCII 码相比，以这种形式传输时可以减少数据量，从而减少测量和取回结果的总时间。在仪器屏幕上显示结果需要仪器 CPU 的计算能力。关闭显示可以更快地返回远程数据，节省更多时间。

八、技巧8

避免输入过大功率损坏频谱分析仪

向频谱分析仪的输入端馈入过多的功率或高于分析仪额定值的直流电压可能是一个非常昂贵的错误。大多数频谱分析仪的损坏电平约为1瓦或 30 dBm。当超过损坏电平的信号输入到频谱分析仪的输入端口时，它会使前端电子器件过载并损坏而导致需要维修。

为避免损坏频谱分析仪，应在输入端口使用限幅器。这样可以避免损坏前端电子器件而节省维修的时间和金钱。