采用頻譜和信號分析儀進行射頻功率與頻率測量時的儀器設(shè)置技巧

　　要實現(xiàn)正確的頻譜測量，在配置頻譜分析儀時，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試結(jié)果的。

　　基準電平(Ref Level)：基準電平設(shè)置頻譜分析儀最大的輸入范圍?；鶞孰娖娇刂苾x器的y軸參數(shù)，類似于示波器上的V/Div(電壓標示格)?；鶞孰娖綉?yīng)該設(shè)置得為比測試中估計出現(xiàn)的最大功率電平略高。最佳基準電平位于儀器失真和儀器背景噪聲最小之間的平衡點上。在某些情況下，對于寬帶噪聲測試來說，故意設(shè)置比較低的基準電平(此時會產(chǎn)生一些儀器失真)也會有好處。這樣做的好處是可以改善測試靈敏度，只要認識到測試結(jié)果有些失真，并確保失真并非測試指標中的一項。

　　也可以通過衰減器設(shè)置控制來設(shè)置儀器的輸入范圍。通常這個控制設(shè)置為自動，這樣軟件可以根據(jù)基準電平設(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軸與基準電平或者固件中的衰減器聯(lián)動，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。

　　檢測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試結(jié)果的。

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

　　測試帶寬：測試帶寬定義儀器捕捉到的總頻譜量。測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，用一個窄帶濾波器在測試帶寬上進行掃描來產(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大小(?F=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信號分析儀提供了一個窗口選擇來限制頻譜泄漏，并改善頻域上間隔很小的信號之間的分辨力。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間的影響，測試時間(掃描時間)與RBW的平方成反比。這時，隨著減小RBW來改善頻率分辨力時，掃描時間呈指數(shù)級增加。而對于FFT信號分析儀來講，當(dāng)減少RBW時，相對應(yīng)的是執(zhí)行更長的采集和更大的FFT計算量。由于DSP器件變得越來越快，這意味著對于更高分辨力(更窄的RBW)的測量設(shè)備來說，基于FFT在測試速度方面將具有很大的優(yōu)勢。

圖1.：基本的頻譜顯示與相關(guān)的各種控制

檢測模式和對功率測量的影響

　　檢測模式(標準的、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)點超過頻譜分析儀的顯示能力時，頻譜分析儀必須對數(shù)據(jù)進行縮減。這樣一來，檢測模式可以極大地改變?nèi)魏喂β蕼y量。

　　表1總結(jié)了不同的檢測模式以及他們對集成功率測試的影響。

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模擬斜坡信號，起始頻率直接從高精度的時基基準中合成而來。因此，模擬斜坡信號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，因為不需要模擬斜坡信號掃描濾波器。頻率測試的精度在給定的測試帶寬內(nèi)是一致的。在測試帶寬內(nèi)的精度只取決于時基精度和測量算法，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：

　　* 基準頻率誤差

　　* 測試帶寬誤差(通常為帶寬的0.5%)

　　* 分辨帶寬誤差(通常為RBW的15%)

　　相對地，在基于FFT的分析儀中，引起頻率誤差的主要因素為：

　　* 基準頻率誤差

　　* 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量算法)

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

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

表2：頻譜分析儀檢測模式

　　基于FFT的分析儀可以使用相對較大的RBW設(shè)置來精確地測量頻率，而并不需要使用精度優(yōu)化的測試技術(shù)，這等效于在相同的測試時間內(nèi)可以實現(xiàn)更快或者更準確的測量。NI PXI-5660 RF信號分析儀可以在不超過20ms的時間內(nèi)完成上面的測試實例，這相對于傳統(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的信號分析儀進行功率與頻率測試時，理解和掌握上述基礎(chǔ)知識十必須的。必須采用正確的儀器設(shè)置，否則測試結(jié)果可能會出現(xiàn)很大的變化和偏差，即使是使用同一臺儀器也會如此。因此，對于每個特定的測試，理解儀器的工作原理對于正確選擇儀器的設(shè)置來完成指定的測量來說是至關(guān)重要的。