你真的会使用频谱仪吗?
第2188期
频谱分析仪(以下称频谱仪)是射频领域进行信号测试分析的基础仪器，帮助射频工程师完成信号频率与功率的测量。频谱仪发展至今，衍生出如:超外差式频谱仪，信号分析仪，实时频谱仪等多种名称，虽然叫法不同，但主要功能都还是进行射频/微波信号的测量，只是在处理/分析信号及扩展性上各有侧重。随着各仪器厂家技术的进步，频谱仪的精度越来越高，分析功能越来越多，价格也越来越高，对于广大中小企业而言，频谱仪的投入往往是一件大事，那么，是否有一种可能选择到性价比高的产品的同时也兼顾到信号测量的精度呢?今天我们就来谈谈如何在使用频谱仪测量时进行必要的优化。
1. 优化低电平测量的灵敏度
频谱仪对低电平信号的测量能力受限于频谱仪的内部噪声。频谱仪内部混频器及各级放大器会产生噪声，通过检波器会反映为显示平均噪声电平(DANL)。当我们测量小信号的时候，信号幅度会接近频谱仪内部噪声，被测信号信噪比越低，带来的测量误差也就越大。
合理进行参数设置可以改善本底噪声，如图1显示了一个被频谱仪DANL淹没的信号，为了正确测量这一低功率信号，必须通过最小化输入衰减，减小分辨率带宽(RBW)，和开启前置放大器这些方法来降低频谱仪的DANL，从而让小信号凸显出来。
图1
首先，频谱仪的输入衰减器的设置会改变DANL，输入衰减器用来保护频谱仪的内部电路不被大功率信号烧坏，输入衰减器增大可以减小到达输入混频器的信号功率。由于频谱仪的噪声产生在输入衰减器之后，大的输入衰减设置会减小信噪比，在多数情况下，输入衰减器的设置处于自动（AUTO）状态，即频谱仪自动设置（如DSA800E系列为10 dB），但在某些测试小功率信号的情况下，需要更小的输入衰减器设置来降低频谱仪的本底噪声，此时应把衰减器设置为0 dB。
混频器输出后的放大器会放大被衰减的信号，除了放大输入信号外，噪声也同样被放大，从而造成频谱仪的DANL上升。然后信号通过RBW中频滤波器，所以减小RBW可以使较低的噪声能量到达频谱仪的检波器，可以降低频谱仪的DANL。
图2中的例子显示出随着频谱仪设置的不同，DANL逐步降低。
图2
当需要进一步提高测量灵敏度时，应该使用具有低噪声和高增益的前置放大器。现在频谱仪一般都具有内部的前置放大器（预放），可以改善信噪比20dB左右（如DSA800系列为17dB）。这对一些小信号的测量（如杂散信号测量，-110 dBm以下信号功率测量）是非常有用的。频谱仪内部的预放默认状态是关闭的，使用时需要手动打开。同时打开预放时要注意此时的输入信号电平，避免损坏预放。
当进行杂散信号测量时，要求杂散信号应低于某个限值，DSA800E系列频谱仪可以提供一个模板判定功能，如图3所示，该功能把测得的轨迹数据与一组幅度和频率限值线相比较。如果被测信号落在限值线内，屏幕显示PASS，如果信号超出限值线，屏幕显示FAIL。该功能同样能够用于EMI预测试方向。
图3
2. 识别内部失真成分
在进行谐波，杂散等项目测试时，需要对输入信号载波之外的失真成分进行测量分析。但需要注意的是，有时输入信号较大并且输入衰减设置不够时，会造成频谱仪内部产生失真。这时，失真成分会对测量结果造成影响，甚至会将失真产物误判为被测信号。如何判别失真是频谱仪内部产生的还是被测信号本身的失真？使用频谱仪的输入衰减器就可以简单的作出判定。
图4的为某信号的二次谐波，首先把频谱仪的输入衰减设为0 dB，然后开启第二条轨迹，将输入衰减设为10 dB，此时观察频谱仪显示的测量轨迹是否有变化，如果没有（如图5），则内部产生的失真对测量没有影响，如果轨迹发生了变化，则说明频谱仪的混频器产生了内部失真。此方法也能够有效的鉴别伪信号。
图4
图5
3. 选择合适的检波方式
现代频谱仪采用数字信号处理技术，在混频，滤波后对信号作数字化处理，如图6，频谱仪显示的频谱为离散测试点的组合，离散点测试取值的方式取决于不同的检波方式。不同性质信号功率的测试结果与检波器的选择有关。
频谱仪使用迹线将扫描的信号显示在屏幕上。对于迹线上的每一点，频谱仪总是捕获一个特定时间间隔内的全部数据。然后，使用当前选中类型的检波器对捕获的数据进行处理（取峰值、平均值等），将处理后的数据显示在屏幕上（一个点）。
图6
选择什么样的检波方式将直接影响到最终的测量结果。不同厂家的频谱仪的检波方式可能名称不完全相同，下面以RIGOL公司的DSA800为例进行介绍：
正峰值：对于迹线上的每一个点，正峰值检波显示对应时间间隔内的采样数据中的最大值。适用于CW信号及信号搜索测试。
负峰值：对于迹线上的每一个点，负峰值检波显示对应时间间隔内的采样数据中的最小值。适用于小信号测试。
抽样检波：对于迹线上的每一个点，抽样检波显示对应时间间隔中心时间点对应的瞬态电平。适用于噪声或类似噪声信号测试。
标准检波：标准检波（也称正态检波或rosenfell检波）依次选取采样数据段中的最大值和最小值显示，即对于迹线上每一个奇数号点，显示采样数据的最大值，对于迹线上每一个偶数号点，显示采样数据的最小值。使用标准检波可直观地观察信号的幅度变化范围。适用于正弦和噪声成分的信号分析。
有效值平均：对于每一个数据点，检波器对相应时间间隔内的采样数据做均方根计算。有效值平均检波可以抑制噪声，观察弱信号。
电压平均：对于每一个数据点，检波器对相应时间间隔内的采样数据做算术平均。电压平均处理后转化为功率，适用于脉冲信号上升/下降时间测量。
准峰值（DSA800选件）：准峰值检波是峰值检波的一种加权形式。对于每一个数据点，检波器在对应时间间隔内检测峰值，使用带有特定的充电、放电结构的电路和由CISPR Publication 16标准中规定的显示时间常数做为权值对已检测的峰值进行加权处理，显示加权结果。特别适用于EMI测试。
