基于FFT的頻譜分析儀進(jìn)行功率與頻率測(cè)試分析

RF功率的頻域測(cè)量是傳統(tǒng)頻譜分析儀和現(xiàn)代的矢量信號(hào)分析儀最基本的測(cè)試。恰當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法對(duì)于避免結(jié)果出現(xiàn)重大誤差非常重要。本應(yīng)用說明的目的是通過介紹一些儀器和測(cè)試基本知識(shí)來避免這種誤差的出現(xiàn)。

要實(shí)現(xiàn)正確的頻譜測(cè)量，在配置頻譜分析儀時(shí)，必須選用很多的頻率和幅度控制（如圖1所示）。

幅度控制

圖1描述了關(guān)鍵的幅度控制以及它們?nèi)绾斡绊憸y(cè)試結(jié)果的。

基準(zhǔn)電平（Ref Level）：基準(zhǔn)電平設(shè)置頻譜分析儀最大的輸入范圍?；鶞?zhǔn)電平控制儀器的y軸參數(shù)，類似于示波器上的V/Div（電壓標(biāo)示格）?；鶞?zhǔn)電平應(yīng)該設(shè)置得為比測(cè)試中估計(jì)出現(xiàn)的最大功率電平略高。最佳基準(zhǔn)電平位于儀器失真和儀器背景噪聲最小之間的平衡點(diǎn)上。在某些情況下，對(duì)于寬帶噪聲測(cè)試來說，故意設(shè)置比較低的基準(zhǔn)電平（此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些儀器失真）也會(huì)有好處。這樣做的好處是可以改善測(cè)試靈敏度，只要認(rèn)識(shí)到測(cè)試結(jié)果有些失真，并確保失真并非測(cè)試指標(biāo)中的一項(xiàng)。

也可以通過衰減器設(shè)置控制來設(shè)置儀器的輸入范圍。通常這個(gè)控制設(shè)置為自動(dòng)，這樣軟件可以根據(jù)基準(zhǔn)電平設(shè)置來調(diào)整衰減量。傳統(tǒng)的儀器，如頻譜分析儀將顯示器的y軸與基準(zhǔn)電平或者固件中的衰減器聯(lián)動(dòng)，但是虛擬儀器并不受此限—如果需要，y軸可以脫離這些控制。這種功能有時(shí)非常有用，比如要放大頻譜上感興趣部分而又不希望影響儀器的幅度設(shè)置時(shí)。

檢測(cè)模式是另一類的幅度控制，只適用于傳統(tǒng)的掃頻頻譜分析儀，而不是基于FFT的分析儀。在我們討論檢測(cè)模式之前，理解頻率控制非常重要。

頻率控制

圖1還描述了關(guān)鍵的頻率控制以及它們是如何影響測(cè)試結(jié)果的。

中心頻率：中心頻率是控制測(cè)量的中心頻率。中心頻率與測(cè)試帶寬一起定義了儀器面板上看到的頻率范圍。

測(cè)試帶寬：測(cè)試帶寬定義儀器捕捉到的總頻譜量。測(cè)試帶寬以中心頻率為中心。

分辨帶寬（RBW）：分辨帶寬控制頻率軸的頻率分辨力。在傳統(tǒng)的頻譜分析儀中，用一個(gè)窄帶濾波器在測(cè)試帶寬上進(jìn)行掃描來產(chǎn)生頻譜顯示。濾波器帶寬確定了頻率軸上的頻率分辨力。然而，在基于FFT的分析儀中并沒有模擬濾波器。而是由FFT與其相應(yīng)的濾波窗口參數(shù)來確定頻率分辨力或者分辨帶寬。不過在這類儀器中，更恰當(dāng)?shù)慕蟹☉?yīng)該是頻率分辨力。

那些熟悉FFT分析儀和FFT的人可能會(huì)問：RBW頻率分辨力參數(shù)到底與FFT的窗口（bin）的大小具有什么樣的關(guān)系？下面的表1顯示了bin大?。ǎ縁=采樣率/采樣數(shù)）與-3dB和-6dB分辨帶寬的關(guān)系。

注意基于FFT的頻譜分析儀，例如PXI-5660RF信號(hào)分析儀提供了一個(gè)窗口選擇來限制頻譜泄漏，并改善頻域上間隔很小的信號(hào)之間的分辨力。而傳統(tǒng)的頻譜分析儀并不提供這種功能。

在傳統(tǒng)掃描分析儀中，由于模擬濾波器的建立時(shí)間的影響，測(cè)試時(shí)間（掃描時(shí)間）與RBW的平方成反比。這時(shí)，隨著減小RBW來改善頻率分辨力時(shí)，掃描時(shí)間呈指數(shù)級(jí)增加。而對(duì)于FFT信號(hào)分析儀來講，當(dāng)減少RBW時(shí)，相對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行更長的采集和更大的FFT計(jì)算量。由于DSP器件變得越來越快，這意味著對(duì)于更高分辨力（更窄的RBW）的測(cè)量設(shè)備來說，基于FFT在測(cè)試速度方面將具有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖1.：基本的頻譜顯示與相關(guān)的各種控制

檢測(cè)模式和對(duì)功率測(cè)量的影響

檢測(cè)模式（標(biāo)準(zhǔn)的、峰值、采樣或谷值）決定了頻譜分析儀如何來處理降低或壓縮后的頻譜信息。當(dāng)頻譜數(shù)據(jù)點(diǎn)超過頻譜分析儀的顯示能力時(shí)，頻譜分析儀必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行縮減。這樣一來，檢測(cè)模式可以極大地改變?nèi)魏喂β蕼y(cè)量。

表1總結(jié)了不同的檢測(cè)模式以及他們對(duì)集成功率測(cè)試的影響。

表1.：濾波窗口大小與RBW的關(guān)系

影響RF儀器中頻率精度的因素

傳統(tǒng)的頻譜分析儀采用位于起始頻率和終止頻率之間的掃頻方法。這種掃頻方法依賴于一個(gè)模擬斜坡信號(hào)，起始頻率直接從高精度的時(shí)基基準(zhǔn)中合成而來。因此，模擬斜坡信號(hào)的精度以及中頻濾波器中心頻率的精度將制約起始頻率的精度?；贔FT的分析儀并不受這種限制因素的制約，因?yàn)椴恍枰M斜坡信號(hào)掃描濾波器。頻率測(cè)試的精度在給定的測(cè)試帶寬內(nèi)是一致的。在測(cè)試帶寬內(nèi)的精度只取決于時(shí)基精度和測(cè)量算法，因此很容易獲得更優(yōu)的頻率精度和可重復(fù)性。

在傳統(tǒng)的掃頻分析儀中，引起頻率誤差的主要因素為：

* 基準(zhǔn)頻率誤差

* 測(cè)試帶寬誤差（通常為帶寬的0.5%）

* 分辨帶寬誤差（通常為RBW的15%）

相對(duì)地，在基于FFT的分析儀中，引起頻率誤差的主要因素為：

* 基準(zhǔn)頻率誤差

* 分辨帶寬誤差（從小于RBW的10%到大于RBW的50%的范圍內(nèi)變化，具體取決于所用的測(cè)量算法）

為比較這兩種類型的設(shè)備的誤差，忽略基準(zhǔn)頻率誤差是比較恰當(dāng)?shù)?，因?yàn)樵撜`差可以通過使用高精度頻率基準(zhǔn)來補(bǔ)償，例如銣基準(zhǔn)源。高于50kHz的測(cè)試帶寬和大于1kHz的RBW設(shè)置影響到了傳統(tǒng)掃頻分析儀的測(cè)量性能，除非采用優(yōu)化的方法，例如在測(cè)試帶寬的中心加一個(gè)100MHz的信號(hào)。由于濾波器的掃描時(shí)間所致，如果要求使用較小RBW，就等同于更長的測(cè)量時(shí)間。對(duì)于給定的實(shí)例，傳統(tǒng)頻譜分析儀的采用的掃描時(shí)間為150ms到200ms。

基于FFT的分析儀的精度將主要受限于測(cè)試算法。頻譜測(cè)試工具套件中所使用的算法，NI PXI-5660 RF信號(hào)分析儀采用的測(cè)試軟件，采用了正在申請(qǐng)專利的3點(diǎn)插值方法，可以獲取比分辨帶寬所指示的更高的分辨力。在上面的實(shí)例中，將RBW設(shè)置到2kHz，這對(duì)于要獲得比要求更高的精度來說并不會(huì)有什么問題。

表2：頻譜分析儀檢測(cè)模式

基于FFT的分析儀可以使用相對(duì)較大的RBW設(shè)置來精確地測(cè)量頻率，而并不需要使用精度優(yōu)化的測(cè)試技術(shù)，這等效于在相同的測(cè)試時(shí)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)更快或者更準(zhǔn)確的測(cè)量。NI PXI-5660 RF信號(hào)分析儀可以在不超過20ms的時(shí)間內(nèi)完成上面的測(cè)試實(shí)例，這相對(duì)于傳統(tǒng)的頻譜分析儀來說，速度改善了6倍以上。

本文小結(jié)

看來，采用傳統(tǒng)頻譜分析儀和基于FFT的信號(hào)分析儀進(jìn)行功率與頻率測(cè)試時(shí)，理解和掌握上述基礎(chǔ)知識(shí)十必須的。必須采用正確的儀器設(shè)置，否則測(cè)試結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)很大的變化和偏差，即使是使用同一臺(tái)儀器也會(huì)如此。因此，對(duì)于每個(gè)特定的測(cè)試，理解儀器的工作原理對(duì)于正確選擇儀器的設(shè)置來完成指定的測(cè)量來說是至關(guān)重要的。