[测量] 频谱分析仪的指标之 动态范围

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 楼主 | 2018-10-29 12:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 bjhyyq 于 2018-10-30 13:19 编辑

频谱分析仪动态范围是一个包含面很宽的概念。 简单地说,动态范围就是频谱仪同时测量大信号和小信号的能力。例如,当频谱仪在测 量一个10dBm 的大信号时,其灵敏度和失真指标能否保证其准确测量邻近的一个-100dBm 杂散信号。
       关于动态范围更多具体的定义,如15 所示。
       显示动态范围
       频谱仪可正确表示信号电平的范围,它有 10 个 显示格,每格代表 10dB ,如:参考电平为0dBm , 0-9格表示 0--90dBm ;而最下一格 需表示-90-130d B m ,所以是不准确的显示范围。
       无失真测试动态范围(二阶、三阶)
       此动态范围指在保证仪表可以正确测量基波信号 的情况下,频谱仪可测量的二次谐波或三次谐波的能力。例如,当输入信号为 0d B m 基波时,频谱仪内部产生的二阶非线性失真为-110dBm ,则其二阶无失真动态范围为1 OOdB。
       测试动态范围测试动态范围即频谱仪可以分开测 试信号的能力:当测量大信号时,可将衰减器设为高值;当要对小信号进行测试时,可 通过滤波器对大信号进行抑制,同时将衰减器设为尽量低的值,提高测试精度。
       回顾一下,衰减器设值会影响频谱分析仪的灵敏 度指标。正如图14 中的失真产物随混频器功率而变化一样,也能画出信噪比( S/N ) 随混频器功率的变化曲线,这就是噪声或灵敏度的动态范围图。
       噪声动态范围图告诉我们:在一个动态范围图上 同时画出信号对噪声和信号对失真的曲线,如图16 所示,最大的动态范围处于曲线的交 点处,这时内部产生的失真电平位于仪表平均噪声电平的位置,频谱分析仪的测试动态 范围最大,最佳的混频器电平使仪表具有最大的测试动态范围。对于确定的三阶失真和 二阶失真测试,就是频谱仪的三阶失真测试动态范围和二阶测试动态范围。
       例如,频谱仪表输入的双音信号( Tones )幅 度为 0d B m ,仪表衰减器有 10d B步进和变化范围,这样可选取设置仪表的混频电平 为 O 、-10 、-20和-30dBm 等。那需要多大的混频器电平保证仪表具有足够的动态范围 ,从而观测到-50d B c 失真产物呢?无论如何,保持尽可能低的内部噪声和失真产物 可使测量误差减至最小。这样,根据图16 ,加到混频器的驱动电平取-30-(-40dBm) 之间将使测量误差最小(由于有最高的信噪比和最高的信号失真比)。假如可选 取-3Od B m 或-40d B m 的混频器电平;选取-40d B m (混频器电平处在交点左边 )为好,因为内部产生的任何失真产物低于噪声电平,观察不到,得到的是“无寄生显 示”。
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       总结前面的分析,在利用频谱仪测试信号失真(二次谐波、三次谐波等)的过程中,频谱仪显示的失真产物实际上包含三个成分:被测失真(真实测试对象)、仪表产生的失真和仪表噪声。所有这三个信号都是客观存在的,为得到正确的测试结果,希望仪表内部失真和噪声都尽量小,而这两个信号的幅度都和仪表的衰减器设置有关。
       通过图16 的分析,可得到以下结论:一方面,为了最好的信噪比,希望混频器的驱动电平尽可能大;但另一方面,希望产生的内部失真最小,这就要求混频器有尽可能低的驱动电平。因此,最大的动态范围使噪声和产生的内部失真相同,频谱仪的衰减器设值要在这两点间折中。具体测试中,到底对频谱仪内部失真的要求为多少?作为一种近似,通过被测指标的分析来确定仪表的要求。例如:被测二次谐波的最小要求电平为-40dBc ,而对于三次谐波和交调失真为-50dB 。希望仪表产生的附加成分(包含谐波失真和噪声)比真实输入信号低 20d B,这时仪表给测试结果带来的误差为0.04d B。(无论如何,为了减小仪表内部存在的附加成分所弓}起的测量误差,内部失真必须远低于测试技术指标。)
       在实际测试中,可以通过改变输入衰减器测试来确定频谱仪的最佳混频器电平,而不需进行计算。改变衰减器确定最佳混频电平的具体过程是持续增加衰减,直到信号或失真电平与以前的值相比不变化。此时再稍增加衰减器使混频器电平稍低于最佳混频器电平,这是利用输入衰减影引导到的最好混频电平。有的频谱仪可以通过噪声抵消技术来减低仪表内部噪声对测试的影响,扩展测量动态范围。噪声抵消的具体过程是仪表首先对内部噪声进行测试,在实际测试被测量信号时,将信号中内部噪声部分消除。
       通过对图17 频谱图的观察,可以看到:在偏离载波 0 . 1 一10MHz 范围内测试的动态范围是不同的。在偏移载波信号近端,测试动态范围会受到本振相位噪声的影响而变差。
       在偏移载波大于1MHz范围内,仪表测试动态范围:
       在这个区域内,容易测量- 6OdBc 的杂波。离开载波1MHz 之外,灵敏度不受噪声边带的影响,因此可用较宽的分辨带宽和较快的扫描时间进行测量。
       在离开载波 1 OokHz 之内,由于存在噪声边带使灵敏度降低。因此,测量需要较窄的分辨带宽和较慢的扫描时间。有时候因为噪声边带太高而不能进行测量。
       分析一个频谱分析仪测试动态范围的具体例子如图18 所示。
       仪表在被测频段的灵敏度为-1 55d B m ,测试对象是一个 1 O0kBz 频率带宽内的杂散信号,要求其幅度小于-95d B m ,该信号偏移 1OMHz 处存在一个 10d :B m 的大信号,所以这是个大信号背景下一个弱信号的测试问题。因为输入信号中包含大信号,该信号也会进入仪表的处理通道,不管当前频率扫宽的设置是否可以观察到该信号,仪表的输入衰减器设置必须考虑该大功率信号的存在。所以仪表输入衰减器设置为 20dB,这样保证混频器工作电平在规定范围内。
       频谱仪的测试灵敏度是在0dB 衰减下得到的定义,在输入衰减为 2OdB 的条件下,噪声电平会恶化 20dB,变为:
       -155dBm/HZ + 20dB=-135dBm / Hz
       相应100kHz 带宽内,噪声电平为:
       -135dB/Hz + 10lg( 100 *103 )=-135 + 50 =- 85dBm / 10OkHz
       被测信号要求为-95d B m ,所以此时仪表的灵敏度不能保证对该信号的测试。
       回忆一下提高频谱分析仪灵敏度的技术方法:减小 R B W ;减小衰减器;减小 VBW 。因为测试对象是噪声,其功率与测量带宽有关,所以仪表的 RBW 不能更改。因此,现在只能通过减小衰减器设值来提高测试动态范围,在小衰减状态下,输入信号中的大功率成分会使仪表过载而造成失真,为消除其影响,只能通过带通或陷波处理来抑制大信号。实际上,这是频谱仪的分时测量动态范围,可以和仪表的功率测试范围(最大输入电平一灵敏度)相同。

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