利用頻譜分析來(lái)限制RF功率和寄生噪聲輻射

射頻功率的頻域測(cè)量是利用頻譜和矢量信號(hào)分析儀所進(jìn)行的最基本的測(cè)量。這類(lèi)系統(tǒng)必須符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)功率傳輸和寄生噪聲輻射的限制，還要配有合適的測(cè)量技術(shù)來(lái)避免誤差。

像頻率范圍、中心頻率、分辨帶寬(RBW)和測(cè)量時(shí)間這些有關(guān)頻率的關(guān)鍵控制都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

頻率范圍指的是分析儀所能捕獲的總頻譜分量，而中心頻率相當(dāng)于頻率范圍的中心。應(yīng)該注意像頻率范圍這類(lèi)頻率控制決定了儀器前面板上的頻率范圍。另一方面，根據(jù)頻率范圍的大小不同，F(xiàn)FT信號(hào)分析儀有兩個(gè)截然不同的采集模式。

儀器中高達(dá)RBW的頻率范圍的實(shí)現(xiàn)方式是：對(duì)一段頻率進(jìn)行下變頻，然后對(duì)下變頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。而對(duì)于超出RBW的頻率范圍，按順序?qū)︻l譜段進(jìn)行變頻和數(shù)字化。RBW控制頻率軸上的頻率分辨率。在傳統(tǒng)的分析儀中，利用一個(gè)窄帶濾波器來(lái)掃描頻率范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)頻譜顯示。濾波器帶寬決定了頻率軸上的分辨率，因此也是控制的標(biāo)志。

與此同時(shí)，采用FFT的分析儀沒(méi)有模擬濾波器，而是采用FFT和相關(guān)的窗口參數(shù)(windowing parameter)來(lái)確定頻率分辨率或者RBW。與傳統(tǒng)的頻譜分析儀不一樣，目前最新的采用FFT的分析儀可以選擇窗口來(lái)限制頻譜泄漏并改善頻域中間隔較小頻段的分辨率。那些對(duì)FFT分析儀以及FFT熟悉的人們也許會(huì)問(wèn)，RBW頻率分辨率與FFT的抽頭的寬度是什么關(guān)系?表1顯示了在新型的RF信號(hào)分析儀中RBW頻率分辨率參數(shù)(規(guī)定在3dB 和6dB處的RBW分辨率)與FFT抽頭寬度的關(guān)系。

表1：RBW頻率分析分辨率與FFT分析儀的抽頭寬度相關(guān)。

采用FFT的分析儀具有窗口選擇，用來(lái)限制頻譜泄漏并改善頻域中間隔較小頻譜的分辨率。而傳統(tǒng)的頻譜分析儀則沒(méi)有這一功能。傳統(tǒng)掃描式分析儀的測(cè)量時(shí)間(或掃描時(shí)間)與RBW的平方成反比，這是由模擬濾波器的建立時(shí)間確定的。如果要通過(guò)降低RBW來(lái)改善頻率分辨率，則掃描時(shí)間要呈指數(shù)增加。

相反，隨著RBW的降低，F(xiàn)FT信號(hào)分析儀所進(jìn)行的采集更長(zhǎng)，運(yùn)算量也更大。隨著DSP器件速度的加快，測(cè)量速度更快，從而實(shí)現(xiàn)更高的分辨率或更窄的RBW測(cè)量。

圖1：頻譜分析儀測(cè)量結(jié)果的頻率和幅度關(guān)系。

幅度設(shè)置

不同的幅度控制也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，這些包括參考電平(ref level)，衰減器設(shè)置和檢測(cè)模式。參考電平設(shè)置了頻譜分析儀的最大輸入范圍。它控制Y軸，這一點(diǎn)與示波器上的“volts/div”相似，必須將其設(shè)置到剛剛大于所期望的最大功率測(cè)量值。

最佳參考電平的取值要使得最小的儀器失真(使輸入信號(hào)飽和的非常低的參考電平導(dǎo)致)和最小的噪聲基底(參考電平過(guò)高，減小了儀器的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍而導(dǎo)致)取得平衡。有時(shí)候，設(shè)置一個(gè)低參考電平對(duì)于寬帶噪聲測(cè)量是有好處的，盡管產(chǎn)生一些儀器失真。當(dāng)能夠認(rèn)可失真時(shí)，這樣做會(huì)改善儀器的靈敏度，并且保證在測(cè)量中將其排除在外。

衰減器設(shè)置控制也決定儀器的輸入范圍。該設(shè)置通常被設(shè)置到自動(dòng)模式，軟件根據(jù)參考電平來(lái)調(diào)整衰減器的值。

在固件中，頻譜分析儀將顯示器的Y軸與參考電平或衰減器聯(lián)動(dòng)在一起。虛擬儀器則沒(méi)有限制，如果需要時(shí)，顯示器的Y軸可以與這些控制相脫離。該功能可以實(shí)現(xiàn)頻譜的可視化縮放，而不影響儀器的幅度設(shè)置。注意，參考電平和衰減器設(shè)置都影響可編程衰減器，故只需設(shè)置其中的一個(gè)即可。

檢測(cè)模式是另一種幅度控制方式，可用于傳統(tǒng)的掃描頻譜分析儀，但不能用于基于FFT的分析儀。可分為普通、峰值、采樣或負(fù)峰值等模式，具體檢測(cè)模式?jīng)Q定了頻譜分析儀如何減少頻譜信息的，或者說(shuō)如何壓縮頻譜信息。

另外它還影響總的功率測(cè)量。當(dāng)頻譜數(shù)據(jù)點(diǎn)超過(guò)頻譜分析儀所能顯示的點(diǎn)數(shù)時(shí)，分析儀將從數(shù)據(jù)減少策略中獲益。這將使檢測(cè)模式改變功率測(cè)量。

表2：頻譜分析儀測(cè)量模式能夠影響功率測(cè)量結(jié)果。

影響精度的因素

頻譜分析儀采用起始和終止頻率之間的頻率掃描。一個(gè)模擬斜坡信號(hào)產(chǎn)生該頻率掃描信號(hào)，而起始頻率由來(lái)自高精度的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)合成。于是，測(cè)量精度由模擬斜坡信號(hào)和IF濾波器的中心頻率所決定。

基于FFT的分析儀，沒(méi)有這樣的模擬斜坡信號(hào)，故沒(méi)有這些因素的限制，從而在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)具有一致的精度。范圍內(nèi)的精度則取決于時(shí)基和測(cè)量算法，故可以比較容易地獲得頻率精度和重復(fù)性。

在傳統(tǒng)型掃描分析儀中，頻率誤差的原因包括基準(zhǔn)頻率誤差，頻率范圍精度(范圍的5%)和RBW(RBW的15%)。相應(yīng)地，在基于FFT的分析儀中的頻率誤差則包括基準(zhǔn)頻率誤差和RBW，具體取決于測(cè)量算法，變化范圍為RBW的> 50 %到< 10%之間。

為了比較這些誤差，就必須忽略基準(zhǔn)頻率誤差，這是因?yàn)榭梢允褂靡粋€(gè)像銣時(shí)鐘這類(lèi)的精密頻率源來(lái)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。在掃頻式頻譜分析儀中，當(dāng)頻率范圍大于50kHz以及RBW設(shè)置超過(guò)1kHz時(shí)，測(cè)量性能將受到影響，除非采用最優(yōu)化的技術(shù)，例如將100MHz的頻率放置到頻率范圍的中心。

如果采用較小的RBW，意味著測(cè)試時(shí)間的拉長(zhǎng)，這是因?yàn)閽呙钑r(shí)間的問(wèn)題，因?yàn)橥ǔ５念l譜分析儀中需要150-200ms的掃描時(shí)間。測(cè)量算法限定了基于FFT的分析儀的測(cè)量精度。例如，先進(jìn)的光譜測(cè)量分析工具包中采用了內(nèi)插技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)比RBW能夠?qū)崿F(xiàn)的更高分辨率，就像上述的例子中，RBW設(shè)置到2kHz將會(huì)保證更高的精度。

基于FFT的分析儀采用可以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的高RBW設(shè)置，即便是沒(méi)有利用精度優(yōu)化的測(cè)量技術(shù)。這意味著在相同的測(cè)試時(shí)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)更快和更精密的測(cè)量。信號(hào)分析儀能夠執(zhí)行長(zhǎng)度小于20ms的測(cè)試樣本，這比頻譜分析儀高6倍。

除非采用了合適的測(cè)量設(shè)置，否則即便是對(duì)于同一臺(tái)測(cè)試儀器，也會(huì)導(dǎo)致的測(cè)量結(jié)果很大變化。因此，深入理解工作原理對(duì)正確地設(shè)置測(cè)量?jī)x器來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。