用频谱仪进行准确的信号功率测量.pdf

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1、如何用频谱仪进行准确的信号功率测量罗德与施瓦茨公司陈峰1.概述获得准确的信号功率是频谱分析仪的一项重要测试功能。测试不同类型的信号，需要采用不同的频谱仪设置和测试方法。对于同一个信号的测试，采用不同的频谱仪参数设置，包括带宽、平均、扫描时间、检波方式、时域和频域的算法等等因素，都可能产生不一样的测试结果。对于有经验的工程师来说，都清楚如何用频谱仪获得信号的功率谱，但是许多工程师对于频谱仪参数的设置及其对测试结果的影响并不清楚，从而造成错误的测量结果。本文的目的是从原理上分析频谱仪各种设置的影响以及如何正确设置参数，从而获得

2、准确的信号功率测量结果。2.信号及噪声功率分析2.1.高斯白噪声的功率密度高斯白噪声，是指噪声的概率密度函数满足正态分布统计特性，同时它的功率谱密度函数是常数的一类噪声。这里值得注意的是，高斯型白噪声同时涉及到噪声的两个不同方面，即概率密度函数的正态分布性和功率谱密度函数均匀性，二者缺一不可。在通信系统的理论分析中，特别是在分析、计算系统抗噪声性能时，经常假定系统中信道噪声（即前述的起伏噪声）为高斯型白噪声。其原因在于，一是高斯型白噪声可用具体的数学表达式表述，便于推导分析和运算；二是高斯型白噪声确实反映了实际信道中的加性

3、噪声情况，比较真实地代表了信道噪声的特性。高斯噪声的一维概率密度函数可用数学表达式表示为：22(xµ)1212p=f(x)=e2=e2(21)22其中：µ：数学期望,表示噪声分布中心，即均值2：方差:标准偏差:随机误差(=xµ)P(x)12x图1.高斯分布通常，通信信道中噪声的均值µ=0(高斯白噪声)。由此，我们可得到一个重要的结论：在噪声均值为零2时，噪声的平均功率等于噪声的方差。2.2.高斯白噪声的峰均比（峰值因子）如果对高斯白噪声进行足够时间的测试和统计，峰均比约为10dB（9

4、9.8%概率）或最大12dB(99.99%概率)。如下表。极限误差区间概率分布标准差扩展因子(k)峰值因子(dB)（幅度峰均比）±68.26％10±295.44％26±399.73％39.5±499.99％412其中为标准偏差，22峰值因子CF=10*lg[(z*)/]上表中数据的推导：根据概率论，如果随机误差分布范围在(~+),其概率为2+12p(~)=e2d=1(22)2当概率分布在±之间时：m2m12p(~+)=e2d=1mm2mmd设k=

5、,z=,则dz=,k2z2/2P=edz(23)20当k＝1时，＝±，P＝0.6826＝68.26％m当k＝2时，＝±2，P＝0.9544＝95.44％m当k＝3时，＝±3，P＝0.9973＝99.73％m当k＝4时，＝±4，P＝0.9999＝99.99％m2.3.窄带高斯噪声的统计分布2一个均值为零，方差为的窄带高斯噪声，假定它是平稳随机过程，则其随机包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布。频谱仪中频带宽内的噪声和大多数通信系统噪声满足此条件。即22p()=e20(24)21p()=0

6、22图2.p()和p()的波形3.频谱仪功率测试原理图3.现代超外差式频谱分析仪原理框图由以上原理图可以看出，进入频谱仪的射频信号经过混频器变为中频，中频滤波器对此信号的带宽进行限制（RBW），再经电压包络检波，然后经视频滤波器（如果其带宽VBW小于RBW相当于平均）,最后通过数字检波器的计算，得到测试频谱。根据以上所述测试原理可以明确：对于正弦连续波的功率测试，只要信噪比足够高，频谱仪的测试设置相对简单，本文不做过多叙述。本文主要针对模拟和数字调制信号以及噪声信号，进行准确功率测试的原理分析及仪器设置，及其带来的误差

7、项评估。3.1.频谱仪的曲线平均、滤波及检波3.1.1.检波器的作用及类型现代频谱仪的检波器通常是数字的，是一些加权算法，是对视频信号的处理和计算。对应频谱上每一个显示像素点，都有N个采样值。V第一个频谱测量值f1第二个频谱测量值f2图4.中频信号经包络检波器和视频滤波器输出视频信号及其采样最大峰值检波器对应每个像素点的所有采样值中取一个最高值显示出来。最小峰值检波器在采样值中选一个最小值显示在像素点上。自动峰值检波同时显示最大及最小峰值，两点之间用垂线相连。取样检波对中频信号的包络N个采样值只显示一个，如第一个，而且频谱

8、上所有显示点均按照此规则，每N个点中只取第一个作为显示像素点。均方根检波器（RMS）RMS检波器中计算对应于每个像素点的所有采样值的均方根。结果为像素点对应频宽内的信号功率。在RMS计算时，包络的采样值要求采用线性刻度，由下式计算：N12VRMS=ViNi=1平均值检波（AV）计算像素点对应的所有采