淺析高頻譜儀的幅度測(cè)量精度方案

掃頻式超外差頻譜儀通過(guò)混頻器把輸入信號(hào)變換到中頻(IF)，在中頻進(jìn)行放大、濾波和檢波處理。預(yù)選濾波器(有時(shí)是低通濾波器)主要用于濾除鏡像頻率的信號(hào)，頻譜儀屏幕上顯示的參考電平和中頻放大器的增益有關(guān)，該放大器只是調(diào)節(jié)信號(hào)在屏幕上顯示的垂直位置，不影響輸入衰減器端的電平。屏幕的橫軸是頻率，縱軸是測(cè)得的信號(hào)電平，一般以線形的電壓Volt或?qū)?shù)形式的dB表示。

頻譜儀的幅度精確度通常有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種。絕對(duì)精度指的是信號(hào)的功率電平精度，單位為dBm;而相對(duì)精度指的是測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間差值的精度，其中的一個(gè)信號(hào)作為另一個(gè)的參考，例如測(cè)量諧波信號(hào)的時(shí)候，一般測(cè)量諧波和基波的功率比。通過(guò)測(cè)量一個(gè)幅度和頻率非常準(zhǔn)確的校準(zhǔn)源，以上兩種精度都可以得到提高。

頻譜儀中前端的信號(hào)處理元件如放大器、濾波器和混頻器都是幅度測(cè)量誤差的來(lái)源。在許多頻譜儀設(shè)計(jì)中，采用更好的元件可以提高精度。安捷倫科技的高性能頻譜儀PSA系列(如圖2)，采用了一整套數(shù)字中頻濾波器，可以避免模擬中頻濾波器的幅度變化。但是僅僅提高整個(gè)信號(hào)處理鏈路中的部分元件，還不足以消除所有的誤差來(lái)源，更好的了解頻譜儀各個(gè)模塊之間的相互作用，有助于減小誤差，提高幅度測(cè)量精度。

幅度測(cè)量的精度為什么這么重要呢?例如有些通訊標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)制的載波功率不能超過(guò)某個(gè)特定的值，這對(duì)絕對(duì)精度提出了要求;過(guò)多的諧波或雜散信號(hào)會(huì)對(duì)其他的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，這對(duì)相對(duì)精度也提出了要求，這些系統(tǒng)中的放大器必須滿足特定的線形度要求，以保證不會(huì)產(chǎn)生較高的諧波和雜散信號(hào)，對(duì)于這些系統(tǒng)中的濾波器必須同時(shí)測(cè)量通帶和阻帶特性。

頻譜各個(gè)元件之間的相互作用是誤差的來(lái)源之一。表1列舉了部分幅度測(cè)量誤差的來(lái)源。大多數(shù)儀器廠商在其產(chǎn)品的指標(biāo)中都會(huì)同時(shí)注明絕對(duì)和相對(duì)不確定度。因?yàn)橄鄬?duì)不確定度對(duì)兩種測(cè)量都有影響，因此本文將重點(diǎn)討論相對(duì)不確定度。

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頻譜儀的頻率響應(yīng)平坦度是幅度誤差的主要來(lái)源之一。該指標(biāo)描述的是相對(duì)幅度不確定度和頻率的函數(shù)關(guān)系，受輸入衰減器、混頻器、本振幅度和輸入濾波器的頻響平坦度的影響。頻響的不確定度一般有絕對(duì)和相對(duì)兩種表示方法。相對(duì)不確定度描述的是整個(gè)頻率范圍內(nèi)，相對(duì)于中央頻點(diǎn)的最大可能幅度不確定度，一般比相同頻段的絕對(duì)不確定度要小。但是為了得到某個(gè)帶內(nèi)相對(duì)幅度測(cè)量的頻響不確定度，相對(duì)頻響指標(biāo)值還要乘二，以反映整個(gè)帶內(nèi)頻響的峰-峰值，這會(huì)導(dǎo)致其通常比絕對(duì)頻響指標(biāo)還要高。

頻譜儀通常采用YIG調(diào)諧濾波器作為預(yù)選濾波器，YIG濾波器也會(huì)影響頻譜儀的頻響特性。該濾波器必須精確的調(diào)諧和對(duì)準(zhǔn)，以避免引入額外的頻響變化，由于本振的掃描速度有限，因此YIG濾波器還要加上一些延遲和補(bǔ)償，以保證其中心頻率和本振同步。頻譜儀的前端通常還加一個(gè)低通濾波器，在測(cè)量YIG預(yù)選器不能達(dá)到的低端頻率的信號(hào)時(shí)(通常2GHz以下)，該低通濾波器用于濾除高頻信號(hào)。盡管該濾波器也會(huì)影響整體的頻響特性，但是其影響比YIG濾波器小很多。

由于部分頻譜儀采用諧波混頻技術(shù)，儀器內(nèi)部實(shí)際上有很多個(gè)混頻頻段，每個(gè)頻段都有特定的頻響，因此在各個(gè)頻段之間切換的時(shí)候也會(huì)引入不確定度。例如PSA系列到26.5GHz的E4440A頻譜儀，內(nèi)部分五個(gè)混頻頻段，分別為：3 Hz 到3 GHz, 2.85到 6.6 GHz, 6.2到13.2 GHz, 12.8到19.2 GHz, 18.7到26.5 GHz。當(dāng)設(shè)置的頻率跨度(Span)超過(guò)兩個(gè)混頻頻段時(shí)，儀器會(huì)自動(dòng)切換內(nèi)部混頻頻段，從而引入幅度不確定度。當(dāng)測(cè)量?jī)蓚€(gè)處于不同混頻頻段的信號(hào)的相對(duì)值時(shí)，總的不確定度等于兩個(gè)頻段的頻響之和加上頻帶切換不確定度。如果指標(biāo)中沒(méi)有注明頻帶切換的不確定度，可以用以校準(zhǔn)源為參考的絕對(duì)頻響參數(shù)，來(lái)確定各個(gè)頻段的總測(cè)量不確定度(見(jiàn)表1)。

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頻譜儀中另一個(gè)不確定度的來(lái)源是量程的可信度。當(dāng)測(cè)量?jī)蓚€(gè)位于不同垂直位置(量程)的信號(hào)時(shí)，不同量程的可信度就會(huì)影響結(jié)果。檢波器和ADC的線性度、對(duì)數(shù)/線形放大器的線形度都會(huì)影響量程的可信度。對(duì)于大部分對(duì)數(shù)放大器而言，其線形度隨著輸入點(diǎn)評(píng)的降低而惡化。

對(duì)于幅度接近的兩個(gè)信號(hào)，量程的不確定約為零點(diǎn)幾dB，對(duì)于幅度相差很大的信號(hào)，這個(gè)不確定度可達(dá)2dB。典型的量程可信度指標(biāo)為：±0.4 dB/4 dB其累積最大值±1.0 dB。其中±0.4 dB/4 dB這個(gè)指標(biāo)對(duì)于幅度相近的信號(hào)適用，而累積指標(biāo)對(duì)于幅度相差較大的信號(hào)適用。

當(dāng)頻譜儀要測(cè)量不同電平的信號(hào)時(shí)，其靈活度可以通過(guò)調(diào)節(jié)參考電平來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是調(diào)節(jié)參考電平也會(huì)引入不確定度。參考電通和輸入衰減器和中頻增益有關(guān)，其范圍可以從顯示平均底噪(DANL)調(diào)節(jié)到其能承受的最大輸入電平。調(diào)節(jié)參考電平實(shí)際上就是調(diào)節(jié)中頻放大器的增益，中頻放大器本身(和所有的放大器一樣)其增益都會(huì)隨著幅度和頻率變化。因此測(cè)試過(guò)程中，任何參考電平的調(diào)節(jié)都會(huì)引入不確定度。

參考電平通常通過(guò)儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)參考源(當(dāng)然也可以用外部源)進(jìn)行校準(zhǔn)。和很多功率計(jì)內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)源類(lèi)似，PSA系列頻譜儀內(nèi)置一個(gè)頻率為50MHz，功率為-25dBm的標(biāo)準(zhǔn)源，其幅度精度為±0.24 dB(而ESA-E系列通用頻譜儀的內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)源的幅度和頻率和PSA一樣，但是精度為±0.34 dB)。因此當(dāng)設(shè)置參考電平為-25dBm、衰減器為10dB的時(shí)候，頻譜儀的測(cè)量精度最高，因?yàn)轭l譜儀參考電平相關(guān)參數(shù)就是在這個(gè)狀態(tài)下進(jìn)行校準(zhǔn)的。

參考電平不確定度這個(gè)指標(biāo)通常這樣給出：如±0.3 dB 在-20 dBm，隨著參考電平偏離-20dBm，這個(gè)指標(biāo)會(huì)有一定增大。需要注意的是不同儀器的指標(biāo)里對(duì)“參考電平不確定度”可能會(huì)用不同的名詞。例如，安捷倫科技的8560系列便攜式頻譜儀指標(biāo)中用“中頻增益不確定度”這個(gè)詞，而PSA系列則用“參考電平精度”這個(gè)詞。

由于射頻微波衰減器的衰減值會(huì)隨頻率變化(有時(shí)甚至隨溫度變化)，因此步進(jìn)衰減器的精度也是頻率的函數(shù)。另外，參考電平校準(zhǔn)時(shí)的衰減器設(shè)置如果和實(shí)際測(cè)量的設(shè)置不一樣，也會(huì)引入不確定度。大多數(shù)衰減器的精度都是隨著頻率的升高而惡化的，衰減器切換的典型不確定度為±1 dB。

由于模擬濾波器的頻響不是很理想，不同帶寬的濾波器之間的輸出幅度特性會(huì)有較大的差別。因此測(cè)量時(shí)轉(zhuǎn)換分辨率帶寬濾波器也會(huì)引入不確定度，特別是使用模擬濾波器時(shí)。而數(shù)字濾波器在這方面的表現(xiàn)就很好，但是數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)成本更高，因此在ESA系列中檔頻譜儀中，數(shù)字中頻濾波器只做到300Hz，更高帶寬的濾波器模擬的。

而高端的PSA系列的中頻處理部分則采用全數(shù)字設(shè)計(jì)，還包含F(xiàn)FT分析和數(shù)字是掃頻接收機(jī)。該設(shè)計(jì)不但提高了幅度測(cè)量精度，而且還提高了掃描速度。

改變屏幕顯示每一格的尺度也會(huì)影響測(cè)量精度。例如把每格10dB的尺度改為每格1dB，這時(shí)頻譜儀的對(duì)數(shù)/線形放大器的特性會(huì)有變化，這也會(huì)引入不確定度。當(dāng)然在測(cè)量中保持刻度不變，可以避免這種誤差。典型的線形-對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換不確定度在參考電平位置為±0.25 dB，但是如果頻譜儀此時(shí)顯示的是已經(jīng)保存的軌跡，這個(gè)不確定度對(duì)測(cè)量就沒(méi)有影響。

總的相對(duì)幅度測(cè)量不確定度受上述所有因素的疊加影響。有一些誤差來(lái)源于改變?cè)O(shè)置，如果衰減器、分辨率帶寬、參考電平等設(shè)置不變，相關(guān)的所有不確定度就可以排除，總的不確定度就可以減至最小。例如PSA系列頻譜儀由于采用全數(shù)字分辨率帶寬濾波器，因此在切換分辨率帶寬時(shí)，不會(huì)引入額外的誤差，其精度遠(yuǎn)比采用模擬濾波器的頻譜儀高。

為了提高相對(duì)幅度測(cè)量的精度，最簡(jiǎn)單的方法是在測(cè)量的過(guò)程中不要改變?cè)O(shè)置：不要改變分辨率濾波器設(shè)置，但是像PSA這樣采用全數(shù)字濾波器的，可以改變分辨率帶寬濾波器;參考電平校準(zhǔn)和實(shí)際測(cè)量時(shí)，保證采用同樣的衰減器設(shè)置;測(cè)試過(guò)程中不要改變每一格的尺度。

連接頻譜儀和被測(cè)件之間的信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)會(huì)影響被測(cè)信號(hào)的特性，因此這些網(wǎng)絡(luò)的特性也必須被補(bǔ)償?shù)?。通常采用頻譜儀內(nèi)置的幅度修正功能，加上測(cè)試信號(hào)源和功率計(jì)，可以測(cè)出該網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性，把測(cè)量的結(jié)果做成一個(gè)表格存在頻譜儀內(nèi)部，測(cè)量時(shí)用表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正即可。對(duì)于某些測(cè)試中必須用的天線、電纜等附件，也可以用上述的辦法進(jìn)行補(bǔ)償。并且儀器可以存儲(chǔ)很多組數(shù)據(jù)，以應(yīng)對(duì)不同的設(shè)置。

下面是一個(gè)典型的計(jì)算不確定度的例子，本例中被測(cè)信號(hào)的頻率為1GHz，幅度為-20dBm。為了對(duì)比不同儀器的測(cè)試精度，選用了高端的PSA系列4440A和中端的ESA-E系列E4402A頻譜儀。各項(xiàng)設(shè)置均相同：衰減器為10dB，頻率跨度為20KHz，參考電平為-10dBm，掃描時(shí)間設(shè)為自動(dòng)，分辨率帶寬為10KHz，視頻帶寬為1KHz。環(huán)境溫度為室溫(+20 到 +30°C)，E4440A PSA(數(shù)字中頻濾波器)的標(biāo)稱絕對(duì)幅度不確定度為±0.24 dB，而ESA(模擬中頻濾波器)的指標(biāo)為±0.54 dB。上述的兩個(gè)數(shù)字分別加上兩款頻譜儀的絕對(duì)頻率響應(yīng)，其和就是最壞情況下的不確定度。對(duì)于更高頻率信號(hào)，特別是諧波測(cè)試時(shí)，由于儀器要切換內(nèi)部混頻頻段，其不確定度會(huì)更大。

采用數(shù)字中頻濾波器可以有效地提高頻譜儀的測(cè)量精度。測(cè)量過(guò)程中，合理的儀器設(shè)置也可以保證測(cè)試的結(jié)果能滿足儀器給出的最佳精度。