频谱分析仪动态范围及信号测量精度.pdf

频谱分析仪动态范围与信号测量精度 频谱仪在频域测量的独特优势使其在信号测量的应用极其广泛。但在面对各种各样复杂 的应用时，如果使用频谱仪不当，则会带来测量的误差。如何提高测量精度是使用频谱仪测 量信号的关键，本文通过研究频谱分析仪的动态范围来揭秘如何合理的进行测量信号。目前 扫频协调频谱分析仪应用比较的广泛，本文重点讨论扫频调谐频谱分析仪的动态范围。 首先了解一下频谱仪中几个范围的概念。 显示范围是指在屏幕中能够显示的范围，频谱仪一般有十个网格，每格最大为 20dB， 则显示范围最大为 200dB 。早期模拟的频谱仪由于受对数放大器的限制显示范围一般只有 85dB，现在采用数字中频技术显示范围达到120dB。 测量范围是指能够测量的最大信号和最小信号，频谱仪最大能够测量信号一般是 30dBm，最小能够测量的信号为机器本身的噪声即显示平均噪声电平。 频谱分析仪的动态范围是指在一次测量中能够同时测量出最大信号和最小信号差值的 大小。频谱仪的动态范围是否就是频谱仪的测量范围呢？答案是否定的，那影响频谱仪动态 范围的因素有哪些呢？ 限制频谱仪动态范围的上限为频谱仪内部的失真，包括 1dB 压缩、谐波失真和三阶互 调失真。频谱分析仪的射频前端有很多非线性器件（例如放大器和混频器），当信号通过这 些非线性器件时可能会产生失真。1dB 压缩点是把信号经过非线性器件，当输入信号逐渐增 大到达器件的非线性区时输出不再是线性的，当输出信号大于输入信号 1dB 时，称该输入 为1dB 压缩点，如图1 所示。谐波失真是当放大器输入信号频率为F1，则放大器会产成二 次谐波F2，如果在2*F1 处有一个信号，则会干扰该信号。三阶互调是当放大器输入两个信 号 （F1 和 F2）频率很接近（例如 200KHz ），幅度一样，由于放大器的非线性会造成多产生 两个信号2F1-F2 和2F2-F1，这两个信号就是三阶互调失真，如图2 所示。 Out 理论输出 1dB 实际输出 In 图表 1 信号输入和输出1dB 压缩的关系 f1 f2 2f1-f2 2f2-f1 f 图表 2 三阶互调失真 从二次谐波和三次谐波的数学模型上可以得出，当 F1 信号功率变化 1dB，则二次谐波 变化2dB，三次谐波变化3dB 。同样在三阶互调失真中F1 和F2 信号变化1dB，则2F1-F2 和 2F2-F1 变化3dB 。根据这个特性可以通过减小输入信号来改善动态范围，将输入信号 F1 功 率减小 1dB，则二次谐波减小2dB，则二次谐波的动态范围增加1dB；同样同时把F1 和 F2 输入功率减小1dB，则三阶互调产物会减小3dB，则三阶互调失真的动态范围增加2dB 。而 通常输入信号是有要求的不能随便变小，通过研究频谱仪模型和工作原来，则可以通过增大 频谱仪衰减器的办法来实现改善动态范围。具体关系见图7 。 限制频谱仪动态范围的下限为频谱仪内部的噪声和失真，包括剩余响应、相噪和显示平 均噪声电平。剩余响应是由于放大器和混频器等非线性器件的作用下会产生一些额外的信号 混在中频里面，这些信号无法被抗混叠滤波器滤掉，如果这些信号幅度过大则会产生虚假信 号影响测量。相噪是由于本振的抖动在频域的表现。显示平均噪声电平是由于模拟器件在工 作的时候会产生一定的噪声，在信号链路上的各个器件都对噪声有贡献，这些噪声都累加起 来就是频