如何提高頻譜儀的幅度測量精度

如何提高頻譜儀的幅度測量精度

掃頻式超外差頻譜儀通過混頻器把輸入信號變換到中頻(IF)，在中頻進行放大、濾波和檢波處理。預選濾波器(有時是低通濾波器)主要用于濾除鏡像頻率的信號，頻譜儀屏幕上顯示的參考電平和中頻放大器的增益有關，該放大器只是調節信號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，縱軸是測得的信號電平，一般以線形的電壓Volt或對數形式的dB表示。

頻譜儀的幅度精確度通常有絕對精度和相對精度兩種。絕對精度指的是信號的功率電平精度，單位為dBm；而相對精度指的是測量兩個信號之間差值的精度，其中的一個信號作為另一個的參考，例如測量諧波信號的時候，一般測量諧波和基波的功率比。通過測量一個幅度和頻率非常準確的校準源，以上兩種精度都可以得到提高。

頻譜儀中前端的信號處理元件如放大器、濾波器和混頻器都是幅度測量誤差的來源。在許多頻譜儀設計中，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。但是僅僅提高整個信號處理鏈路中的部分元件，還不足以消除所有的誤差來源，更好的了解頻譜儀各個模塊之間的相互作用，有助于減小誤差，提高幅度測量精度。

幅度測量的精度為什么這么重要呢？例如有些通訊標準要求調制的載波功率不能超過某個特定的值，這對絕對精度提出了要求；過多的諧波或雜散信號會對其他的通信系統產生干擾，這對相對精度也提出了要求，這些系統中的放大器必須滿足特定的線形度要求，以保證不會產生較高的諧波和雜散信號，對于這些系統中的濾波器必須同時測量通帶和阻帶特性。

頻譜各個元件之間的相互作用是誤差的來源之一。表1列舉了部分幅度測量誤差的來源。大多數儀器|儀表廠商在其產品的指標中都會同時注明絕對和相對不確定度。因為相對不確定度對兩種測量都有影響，因此本文將重點討論相對不確定度。

頻譜儀的頻率響應平坦度是幅度誤差的主要來源之一。該指標描述的是相對幅度不確定度和頻率的函數關系，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和相對兩種表示方法。相對不確定度描述的是整個頻率范圍內，相對于中央頻點的最大可能幅度不確定度，一般比相同頻段的絕對不確定度要小。但是為了得到某個帶內相對幅度測量的頻響不確定度，相對頻響指標值還要乘二，以反映整個帶內頻響的峰-峰值，這會導致其通常比絕對頻響指標還要高。

頻譜儀通常采用YIG調諧濾波器作為預選濾波器，YIG濾波器也會影響頻譜儀的頻響特性。該濾波器必須精確的調諧和對準，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低通濾波器，在測量YIG預選器不能達到的低端頻率的信號時(通常2GHz以下)，該低通濾波器用于濾除高頻信號。盡管該濾波器也會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，儀器內部實際上有很多個混頻頻段，每個頻段都有特定的頻響，因此在各個頻段之間切換的時候也會引入不確定度。例如PSA系列到26.5GHz的E4440A頻譜儀，內部分五個混頻頻段，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。當設置的頻率跨度(Span)超過兩個混頻頻段時，儀器會自動切換內部混頻頻段，從而引入幅度不確定度。當測量兩個處于不同混頻頻段的信號的相對值時，總的不確定度等于兩個頻段的頻響之和加上頻帶切換不確定度。如果指標中沒有注明頻帶切換的不確定度，可以用以校準源為參考的絕對頻響參數，來確定各個頻段的總測量不確定度(見表1)。

頻譜儀中另一個不確定度的來源是量程的可信度。當測量兩個位于不同垂直位置(量程)的信號時，不同量程的可信度就會影響結果。檢波器和ADC的線性度、對數/線形放大器的線形度都會影響量程的可信度。對于大部分對數放大器而言，其線形度隨著輸入點評的降低而惡化。

對于幅度接近的兩個信號，量程的不確定約為零點幾dB，對于幅度相差很大的信號，這個不確定度可達2dB。典型的量程可信度指標為：±0.4 dB/4 dB其累積最大值±1.0 dB。其中±0.4 dB/4 dB這個指標對于幅度相近的信號適用，而累積指標對于幅度相差較大的信號適用。

當頻譜儀要測量不同電平的信號時，其靈活度可以通過調節參考電平來實現，但是調節參考電平也會引入不確定度。參考電通和輸入衰減器和中頻增益有關，其范圍可以從顯示平均底噪(DANL)調節到其能承受的最大輸入電平。調節參考電平實際上就是調節中頻放大器的增益，中頻放大器本身(和所有的放大器一樣)其增益都會隨著幅度和頻率變化。因此測試過程中，任何參考電平的調節都會引入不確定度。測距儀測高儀·流量計·GPS·測厚儀·水準儀·平板儀·羅盤儀·繪圖機·曬圖機· 

參考電平通常通過儀器內部的標準參考源(當然也可以用外部源)進行校準。和很多功率計內置的標準源類似，PSA系列頻譜儀內置一個頻率為50MHz，功率為-25dBm的標準源，其幅度精度為±0.24 dB(而ESA-E系列通用頻譜儀的內置標準源的幅度和頻率和PSA一樣，但是精度為±0.34 dB)。因此當設置參考電平為-25dBm、衰減器為10dB的時候，頻譜儀的測量精度最高，因為頻譜儀參考電平相關參數就是在這個狀態下進行校準的。

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

由于射頻微波衰減器的衰減值會隨頻率變化(有時甚至隨溫度變化)，因此步進衰減器的精度也是頻率的函數。另外，參考電平校準時的衰減器設置如果和實際測量的設置不一樣，也會引入不確定度。大多數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有較大的差別。因此測量時轉換分辨率帶寬濾波器也會引入不確定度，特別是使用模擬濾波器時。而數字濾波器在這方面的表現就很好，但是數字濾波器的實現成本更高，因此在ESA系列中檔頻譜儀中，數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字設計，還包含FFT分析和數字是掃頻接收機。該設計不但提高了幅度測量精度，而且還提高了掃描速度。

改變屏幕顯示每一格的尺度也會影響測量精度。例如把每格10dB的尺度改為每格1dB，這時頻譜儀的對數/線形放大器的特性會有變化，這也會引入不確定度。當然在測量中保持刻度不變，可以避免這種誤差。典型的線形-對數轉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顯示的是已經保存的軌跡，這個不確定度對測量就沒有影響。

總的相對幅度測量不確定度受上述所有因素的疊加影響。有一些誤差來源于改變設置，如果衰減器、分辨率帶寬、參考電平等設置不變，相關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字分辨率帶寬濾波器，因此在切換分辨率帶寬時，不會引入額外的誤差，其精度遠比采用模擬濾波器的頻譜儀高。

為了提高相對幅度測量的精度，最簡單的方法是在測量的過程中不要改變設置：不要改變分辨率濾波器設置，但是像PSA這樣采用全數字濾波器的，可以改變分辨率帶寬濾波器；參考電平校準和實際測量時，保證采用同樣的衰減器設置；測試過程中不要改變每一格的尺度。

連接頻譜儀和被測件之間的信號傳輸網絡會影響被測信號的特性，因此這些網絡的特性也必須被補償掉。通常采用頻譜儀內置的幅度修正功能，加上測試信號源和功率計，可以測出該網絡的頻率響應特性，把測量的結果做成一個表格存在頻譜儀內部，測量時用表格中的數據進行修正即可。對于某些測試中必須用的天線、電纜等附件，也可以用上述的辦法進行補償。并且儀器可以存儲很多組數據，以應對不同的設置。

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

采用數字中頻濾波器可以有效地提高頻譜儀的測量精度。測量過程中，合理的儀器設置也可以保證測試的結果能滿足儀器給出的最佳精度。