频谱分析仪应用解惑之四—动态范围-Siglent.PDF

鼎阳硬件设计与测试智库 文档编号：HWTT0052 频谱分析仪应用解惑之四—动态范围 杨鼎 深圳市鼎阳科技有限公司 ThinkTank按语 很多人都感到动态范围是非常难以理解的一个概念。 杨鼎先生创作这篇文章花费的时间精力是之前 三篇之和。 前面写好了一遍，但是因为内容太难了，推倒，重新又写了一篇。 开篇中，杨鼎先生写道， “古人常说月明星稀，夜空中原本明亮的繁星，在月亮的周围却显得暗淡稀 疏，只剩很亮的几颗才能够看到。” 诗一样的语言啊！ 这样的诗意表达不是为了迎合互联网时代的浅阅 读，这更表示作者对动态范围的理解达到了一个境界！有了这样的境界写出来的文章才不 “糙”。 敬请阅读！ 敬请期待这个系列的下一篇，篇篇精彩！ 在系列文章的上一篇 《噪声》中，我们曾提到几个概念 ：电子测量系统中的噪声一般来源于两个部分 ， 目标本身和测量本身；只有目标噪声大于测量本身的噪声，才能够被测量出来。 如果将这里的噪声看成广义的干扰，也是可以类比的，因为电子测量系统的测量目标虽然是各种电信 号及其干扰，但是测量系统本身也存在着各种和测量目标相似的干扰。 对于信号分析仪一类的测量仪器来说，其结构本质上通常是一台通用接收机。我们经常使用信号分析 仪测量通信接收机的噪声，混频，压缩，交调时，万不要忘记分析仪本身作为一台接收机的特性，而且要 求比测量目标要更广泛，更准确，更精细。 鼎阳硬件设计与测试智库 文档编号：HWTT0052 在前面系列文章的带宽，频率，噪声的基础上，本文将讲述频谱分析仪的另一个重要概念：动态范围 （DynamicRange）。动态范围在测试信号的谐波失真 ，三阶交调 ，以及通信信道的峰均比 ，邻道泄漏等 场景下都是非常重要的测试条件。但是鉴于定量的动态范围分析实在是篇幅太多，本文为定性的动态范围 分析努力做一些解释。 通俗解释一下动态范围的概念，比如视觉的动态范围。古人常说月明星稀，夜空中原本明亮的繁星， 在月亮的周围却显得暗淡稀疏，只剩很亮的几颗才能够看到。 这是眼睛对亮度的适应，大多数星星只有在暗夜中才显得那么明亮，但是月亮附近提升了视觉动态 围的上限，从星星的亮度调整到了月亮的亮度，然而由于视觉的动态范围大小是有限的，从而下限也随之 提高，暗一些星星的就无法再看到了。 同样，声音之于听觉、味道之于嗅觉等人类感触都存在类似接收分析的动态范围的概念。对比频谱分 析仪，不同大小的测量信号常需要不同的设置，也就是我们常无法同时测量一个很大值和另一个很小值。 所以，动态范围中的 “范围”是指频谱分析仪在设置不变的条件下能够同时测量的一个较大电平信号和一 个较小电平信号的幅度差距， “动态”表明这个范围并不是固定不变的，它依赖于实际所要进行的测量， 也就是这个动态要看测量的目标是什么。 通常我们所说的动态范围指的是无失真动态范围。先来看下频谱分析仪无失真动态范围的上限和下限 分别是由什么决定的。 频谱分析仪作为一种通用接收机，动态范围和其的前端的非线性部件有密切的关系，例如混频器，放 大器等，其中主要是混频器失真的影响。混频器（通常是二极管结构）属于典型的非线性器件，其实非线 性器件响应结果中永远存在一定的失真 ，我们只是使用在某一段输入-输出近似线性工作区 ，也就是失真还 没有足够大的条件下。 鼎阳硬件设计与测试智库 文档编号：HWTT0052 图 1 混频器的输入和输出 这里所述的混频器失真可以分两类： 幅度失真，混频器幅度输出不再随着输入按照原有的线性规律变化，衡量标准一般使用输出增益相对 下降1dB时所对应的电平，称之为增益压缩。如图2所示， 图 2 混频器等非线性器件的1dB增益压缩 频率失真，除了需要的中频，混频器产生了新的频率分量，常用相对基波频率的阶数来描述。在使用 频谱分析仪测量单音信号及其谐波时，随着输入电平的增大，混频器产生的谐波（Harmonics）频率分量 会越来越大；在使用频谱分析仪测量多音信号及其谐波和各种交调时，随着输入电平的增大，混频器产生 的交调（Intermodulation）频率分量也会越来越大。