频谱分析仪动态范围与信号测量精度

《频谱分析仪动态范围与信号测量精度》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、频谱分析仪动态范围与信号测量精度频谱仪在频域测量的独特优势使其在信号测量的应用极其广泛。但在面对各种各样复杂的应用时，如果使用频谱仪不当，则会带来测量的误差。如何提高测量精度是使用频谱仪测量信号的关键，本文通过研究频谱分析仪的动态范围来揭秘如何合理的进行测量信号。目前扫频协调频谱分析仪应用比较的广泛，本文重点讨论扫频调谐频谱分析仪的动态范围。首先了解一下频谱仪中几个范围的概念。显示范围是指在屏幕中能够显示的范围，频谱仪一般有十个网格，每格最大为20dB，则显示范围最大为200dB。早期模拟的频谱仪由于受对数放大器的限制显示范围一般只有85dB，现在采用数字中频技

2、术显示范围达到120dB。测量范围是指能够测量的最大信号和最小信号，频谱仪最大能够测量信号一般是30dBm，最小能够测量的信号为机器本身的噪声即显示平均噪声电平。频谱分析仪的动态范围是指在一次测量中能够同时测量出最大信号和最小信号差值的大小。频谱仪的动态范围是否就是频谱仪的测量范围呢？答案是否定的，那影响频谱仪动态范围的因素有哪些呢？限制频谱仪动态范围的上限为频谱仪内部的失真，包括1dB压缩、谐波失真和三阶互调失真。频谱分析仪的射频前端有很多非线性器件（例如放大器和混频器），当信号通过这些非线性器件时可能会产生失真。1dB压缩点是把信号经过非线性器件，当输入信号

3、逐渐增大到达器件的非线性区时输出不再是线性的，当输出信号大于输入信号1dB时，称该输入为1dB压缩点，如图1所示。谐波失真是当放大器输入信号频率为F1，则放大器会产成二次谐波F2，如果在2*F1处有一个信号，则会干扰该信号。三阶互调是当放大器输入两个信号（F1和F2）频率很接近（例如200KHz），幅度一样，由于放大器的非线性会造成多产生两个信号2F1-F2和2F2-F1，这两个信号就是三阶互调失真，如图2所示。Out理论输出1dB实际输出In图表1信号输入和输出1dB压缩的关系f1f22f1-f22f2-f1f图表2三阶互调失真从二次谐波和三次谐波的数学模型上

4、可以得出，当F1信号功率变化1dB，则二次谐波变化2dB，三次谐波变化3dB。同样在三阶互调失真中F1和F2信号变化1dB，则2F1-F2和2F2-F1变化3dB。根据这个特性可以通过减小输入信号来改善动态范围，将输入信号F1功率减小1dB，则二次谐波减小2dB，则二次谐波的动态范围增加1dB；同样同时把F1和F2输入功率减小1dB，则三阶互调产物会减小3dB，则三阶互调失真的动态范围增加2dB。而通常输入信号是有要求的不能随便变小，通过研究频谱仪模型和工作原来，则可以通过增大频谱仪衰减器的办法来实现改善动态范围。具体关系见图7。限制频谱仪动态范围的下限为频谱仪

5、内部的噪声和失真，包括剩余响应、相噪和显示平均噪声电平。剩余响应是由于放大器和混频器等非线性器件的作用下会产生一些额外的信号混在中频里面，这些信号无法被抗混叠滤波器滤掉，如果这些信号幅度过大则会产生虚假信号影响测量。相噪是由于本振的抖动在频域的表现。显示平均噪声电平是由于模拟器件在工作的时候会产生一定的噪声，在信号链路上的各个器件都对噪声有贡献，这些噪声都累加起来就是频谱仪的底噪。这三者作用的范围有些不同，剩余响应根据各个系统设计的不同而不一样，在全频段内都有可能产生；当大信号和小信号距离比较近的时候（小于1MHz）主要是相噪限制了动态范围；当大信号和小信号距离

6、比较远的时候（大于1MHz）主要是底噪限制了动态范围。如下图3所示这三者各自影响距离不同：图表3RBW、PhaseNoise和DANL影响信号的情况剩余响应和相噪主要是在方案设计和器件选型就已经决定了，所以当频谱仪已经设计好了之后要通过抑制剩余响应和相噪来提高其动态范围就比较的困难。下面着重分析显示平均噪声电平对动态范围的影响。BWRBWL174dBm10logNFDANSAHzNF10logFSAF21F31F41Fn1FF...1n1G1G1G2G1G2G3Gii1其中BW为中频滤波器带宽，NF为噪声系数，F为各级的噪声，

7、G为各级的增益。由上式可以得出当BW变小为原来的1/10,DANL变小10dB，动态范围变大10dB，如图4所示；当NF减小10dB，DANL跟着变小10dB，动态范围变大10dB，如图5所示。具体总的关系见图7。故可以通过减小中频滤波器带宽和减小衰减器来提高频率分析仪的动态范围。图表4RBW与DANL的关系图表5衰减器、PA与DANL的关系DANL与中频滤波器带宽和衰减器的大小是有关系的，所以在各个厂家数据手册中提到DANL这个指标时需要注明在该指标下中频滤波器带宽和衰减器的大小。特别是中频滤波器带宽的大小如果没有特别说明默认是1Hz。这个时候需要特别注意的是

8、该频谱仪的中频滤波器的最