频谱分析仪校准研究.pdf

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1、第3期段美霞等．频谱分析仪校准研究399频谱分析仪校准研究段美霞1姚淑霞1袁海军2(1．华北水利水电学院，郑州450011；2．中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛266555)摘要针对频谱硬件设计原理及方案，分析了影响频谱分析仪测试精度的因素：分辨率带宽、对数检波、频响以及输入信号动态等。并针对这些因素设计了相应的校准流程，有效地解决了由于这些因素而产生的频谱仪自动校准问题，该校准方案完全能够满足对频谱仪校准的指标要求，并在仪器设计中得到了验证。关键词自动校准分辨率对数检波频谱分析仪中图分类号TH86文献标识码B文章编号1000—3932

2、(2012)03-0399-04伴随通信业的飞速发展，各种复杂信号的频谱测量越来越需要高性能频谱分析仪。同时大规模数字电路、软件无线电、微波集成及频率合成等关键技术的发展，使得频谱分析仪内部的关键部件性能得以提高，整机性能也随之得到飞速的提高，可对信号频率、电平、频谱纯度及噪声等多种参数进行更加精确的测量，频谱仪在各种通信测量中发挥着越来越重要的作用。在频谱分析仪的设计实现中，校准始终是研究重点，也是决定测量精度的关键。由于需要校准的参数多，相互之间联动关系复杂，手动校准不仅耗时，而且准确性得不到保证。因此，目前多采用自动方式，在满足生产的可操作性

3、之外，也必须考虑到用户现场校准的需求。1硬件结构与原理频谱仪通常测量信号的频率、电压(或者功率)，并在显示器上显示出来。从原理上一般分为两种类型：a．动态信号分析仪。通过对信号进行时域采样，然后通过傅立叶变换获得频率、幅度和相位信息。这种设计方法只适合较低频率的频谱分析，从直流到几千赫兹。b．超外差式分析仪。其测量的信号频率可扩展到60GHz，甚至更高。超外差式频谱分析法利用频谱搬移的原理，通过}昆频形式把信号变换到中频进行分析，频率范围覆盖更宽，其应用范围更广。频谱分析模块硬件组成如图1所示。衰溅器预选器混频器放大器a；鎏k茹癸巍检波器视频滤波器

4、等一爵掣雌词埕两型L—刁L——瓤图1超外差式频谱分析仪构成框图笔者主要针对超外差式频谱分析仪的自动校器放大后加到决定分辨力带宽的中频滤波准进行研究分析。通过对硬件原理框图分析可知器‘m1。通常中频滤波器具有恒定的中心频率，输入射频(RF)信号经过输入衰减及预选滤波器避免了与可调滤波器有关的问题。为使很宽电平后进入变频模块，本振模块产生的本振信号也同范围内的信号同时显示在屏幕上，IF信号使用了步进入变频模块，经混频后将射频信号转换成固定的中频(IF)信号，然后信号进入中频处理模块。在中频处理中，信号经过中频增益(IFgain)收稿日期：2012-02

5、-08(修改稿)基金项目：电子信息产业发展基金资助(信部运[2007]329)化工自动化及仪表第39卷对数放大器进行压缩放大，然后通过检波器进行包络检波。包络检波后的视频信号经视频滤波器进行平均化去除噪声，达到了平滑显示的效果。通过上述分析可以看出，影响频谱分析仪测试精度的主要因素表现在以下几个方面：a．由于分辨率带宽设置是通过中频处理模块中多级滤波器的组合实现的，同样大小的信号通过不同分辨率带宽对应的中频滤波后，得到的电平值通常是有一定差异，这个差异必须得到补偿。同时随着温度的变化和器件的老化，中心点可能偏移，带宽也可能发生变化，因此也需要对其进

6、行校正。b．由于整个通路中所用的各个器件频响的差异，当输入信号在较大范围内变化时，整个通路的频响必然出现波动，这个波动对测量结果影响很大，因此有必要在转换后所得的电平值上通过补偿对测量结果进行修正。c．对数放大器的输入信号电平动态范围有限，输入电平过低会导致测量结果偏大，过高则会导致测量结果偏小。除需要合理调整前置固定放大器参数外，RF输入衰减、校准放大器和中频增益也必须加以控制，使得对数放大器输入信号符合设计指标要求。对数放大器实际放大特性即使在线性区域的部分也不表现为严格的线性关系，需要通过线性插值的方式来尽可能地逼近该曲线，并用于检波数值到电

7、平值的实际转换处理。d．当输入信号为大信号时，信号超出了变频模块的动态范围上限，信号会被压缩，导致变频后的中频信号产生较大的幅度失真，因此需要对大信号进行可控衰减，而可控衰减器自身的准确度必须被考虑。同样当输入信号低于变频模块下限时，必须对小信号进行预先放大，可以用一个固定增益前置放大器来实现，但是随着环境参数的变化，固定增益也可能随之变化。2校准方法研究笔者研究的校准主要是指仪器自校准。另外，仪器校准还包括仪器出厂的初次校准，这也是仪器实现稳定指标的重要措施，通过对硬件模块的校准，使之达到最佳工作状态"’41。完成初次校准后，仪器可以提交给用户使

8、用，但是随着老化等过程因素，仪器原有设置的校准参数必将偏离仪器现在的情况，所以在用户使用过程中还必须提供必要、便捷的校准手