频谱分析仪应用解惑之三-噪声

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1、频谱分析仪应用解惑之三—噪声杨鼎深圳市鼎阳科技有限公司频谱分析仪应用解惑之三—噪声杨鼎深圳市鼎阳科技有限公司噪声无处不在。仅前两篇关于频谱分析仪带宽和频率分辨力的文章中，几乎所有提到过的概念都和噪声相关：RBW影响显示平均噪声电平的高低，从而影响着测量幅度的灵敏度；VBW在视觉上对随机噪声平滑而对稳定信号无效果，从而影响测量结果的显示形状；RBW滤波器的高斯形状拥有着接近1的等效噪声带宽，从而对于测量随机噪声的功率有较小的累计误差；参考源的短时抖动会在载频周围形成随频率距离衰减的相位噪声，从而同时影响着单音信号近端的频率分辨力和幅度分辨力；参考源受噪声调制形成剩余

2、调频，从而影响着系统能够达到的RBW的下限；噪声还影响着非常多频谱分析仪内的重要概念，灵敏度，动态范围，平均检波结果，矢量解调EVM，信噪比误差......就像上一篇《频谱分析仪应用解惑之频率分辨力》中提到，即使经过了校准，噪声在统计上仍决定着系统工作的精确度。因为校准决定的是准确度，和精确度没有什么关系，而且校准本身也是有噪声的！噪声的概念很广，本文讨论将限于频谱分析仪中噪声的基本原理和测量。在很多情况下，我们都将频谱分析仪看做一台接收机，噪声和信噪比常常代表相同的含义，所以有时会看到用信噪比代表噪声的表述。当然，在后续系列文章中，噪声仍将任性地出现并坚持抢镜。

3、噪声在频谱分析仪中并不是直接出现的，作为测量结果的一部分，被称为显示平均噪声电平（DANL，DisplayAverageNoiseLevel）。如图1所示为鼎阳科技SSA3032X频谱分析仪在3.2GHz范围，Att=20dB，RBW=3MHz，前置放大器关闭状态下的DANL。图1鼎阳科技SSA3032X在3.2GHz范围内的DANL一个50欧姆的匹配负载连接在频谱分析仪的输入端（或者不在意空间辐射的话直接将输入接口悬空也可以），在频谱分析仪的屏幕上将会看到横跨整个频段的噪声底，这就是DANL。DANL并不能代表射频输入端实际输入的噪声电平，而是输入端的噪声穿越了

4、仪器内部的层层噪声后，在一定的平均方式和分辨率带宽下显示出来的电平；其实频谱分析仪的所有测量显示都是输入端的真实信号叠加内部噪声后的结果。如果输入端的电平没有仪器内部的噪声高，那么它就显现不出来。所以DANL的水平反映了频谱仪能够测量到的最小电平，也反映了频谱分析仪内部噪声的高低。影响DANL的因素很多，为了便于比较，DANL采用归一化功率密度来表示就是dBm/Hz，也就是在RBW=1Hz时测量到的平均功率，在各种测试条件下都要统一到此单位表示。频谱分析仪中的这些噪声能消除吗？首先要看这些噪声是从哪里来的。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

5、。如果较真的话，测量结果的统计过程也会引入“噪声”，这个不在本文的讨论范围。目标本身的噪声容易理解，原始的信噪比，过程干扰都属于这部分。测量本身的噪声可以分为硬件（采集）噪声和软件（算法）噪声。硬件噪声包括接头，线缆，器件，采样，串扰等，软件噪声包括滤波器的混叠，显示的精度，FFT的泄露，有限字长效应等。硬件噪声主要来源于电子器件中电子的随机运动，常称为起伏噪声，或热噪声。这种噪声是电子器件固有的，不能用接地或屏蔽的方式消除。热噪声的特点，在时域上看，幅度的分布是正态的，也就是高斯分布（此高斯分布和高斯滤波器意义不同），如图2所示。高斯分布信号的一个重要性质是，功

6、率（也就是RMS均值）为一个标准差，这为我们计算高斯分布信号的功率提供了便利。图2热噪声的幅度遵循高斯分布在频域上看，热噪声理论上在所有频带都会存在，且功率谱密度为均匀分布，是功率为时间不相关的常数，称之为白噪声，如图3所示。实际情况下通常是带宽有限的，不考虑带外的话在应用的整个频带内为常数，同样称之为白噪声。图3热噪声的功率谱是常数所以热噪声是高斯白噪声。——请不要将高斯和白噪声这两点混淆。细心的同学可能会问，为什么频谱分析仪的DANL是个随频率向上斜的？噪声的频谱不是不随频率变化吗？热噪声的频谱是均匀分布的常数，但是频谱分析仪内部的器件对于信号的频率响应是变化

7、的，所以DANL在大范围内不可能是一个水平的常数。既然热噪声存在于频谱分析仪内部所有的器件中，那么输入端口的热噪声最终穿越重重险阻显示出来，沿途要受到多大的影响？答案是基本只受到第一增益级及其之前器件的影响。频谱分析仪内部的第一个增益级（一般是混频后的第一级放大器，或前置放大器）将仪器输入口的热噪声连同此增益级内部的一部分热噪声加在一起进行了放大，放大后的这两部分噪声信号到达后级链路时，输入口的热噪声已经变成了信噪比很高的功率信号，相对于后级链路中的噪声此时的信噪比已经足够大，因此后级链路中的热噪声的影响会变小。可以得出结论，第一增益级的放大倍数越多，增益级本身的

8、热噪声被同