頻譜儀在信號功率測量中的應(yīng)用

頻譜儀功率測試原理

根據(jù)現(xiàn)代超外差式頻譜分析儀原理(見圖2)，進(jìn)入頻譜儀的射頻信號經(jīng)過混頻器變?yōu)橹蓄l，中頻濾波器對此信號的帶寬進(jìn)行限制(RBW)，再經(jīng)電壓包絡(luò)進(jìn)行檢波，然后經(jīng)視頻濾波器，最后通過數(shù)字檢波器的計算得到測試頻譜。

圖2 現(xiàn)代超外差式頻譜分析儀原理框圖

可以明確：對于正弦連續(xù)波的功率測試，只要信噪比足夠高，頻譜儀的測試設(shè)置相對簡單，本文不做過多敘述。本文主要針對模擬和數(shù)字調(diào)制信號以及噪聲信號進(jìn)行準(zhǔn)確功率測試的原理分析及儀器設(shè)置，并對其帶來的誤差項(xiàng)進(jìn)行評估。

檢波器的作用及類型

現(xiàn)代頻譜儀的檢波器通常是數(shù)字的，是一些加權(quán)算法，是對視頻信號的處理和計算。對應(yīng)頻譜上每一個顯示像素點(diǎn)，都有N個采樣值，如圖3所示。

圖3 中頻信號經(jīng)包絡(luò)檢波器和視頻濾波器輸出視頻信號及其采樣

檢波器有多種，包括自動峰值檢波器、最大(小)峰值檢波器、平均值檢波、均方根檢波器(RMS)等。

RMS檢波器中計算對應(yīng)于每個像素點(diǎn)的所有采樣值的均方根。結(jié)果為像素點(diǎn)對應(yīng)頻寬內(nèi)的信號功率。在RMS計算時，包絡(luò)的采樣值要求采用線性刻度，且：

檢波器和平均功率

現(xiàn)代頻譜儀的檢波器包括兩部分：包絡(luò)檢波器獲得正弦波的均方根值(峰值電壓的0.707倍);數(shù)字檢波器為取值加權(quán)算法。頻譜儀內(nèi)的檢波器是電壓檢波器，頻譜儀顯示功率測試值的方法是：Pi=Vi2/R，頻譜儀通常是50歐姆阻抗，因此：

其中pi是頻譜功率顯示點(diǎn)，Vi是電壓采樣點(diǎn)，R是頻譜儀阻抗。

根據(jù)以上推論，要通過頻譜儀獲得平均功率，必須選擇真正的RMS檢波器。

為什么要平均

對于噪聲和類噪聲信號的頻譜，需要對蹤跡進(jìn)行平滑以獲得穩(wěn)定的讀數(shù)，也就是頻譜儀對測試結(jié)果進(jìn)行平均。平均的結(jié)果是對噪聲和類噪聲信號進(jìn)行平滑，即去除頻譜“毛刺”，對于單頻點(diǎn)連續(xù)波信號的測試值來說，結(jié)果沒有改變。

由于頻譜儀進(jìn)行功率測試時，功率值是通過電壓采樣和檢波值計算而得，因此，測試人員必須清楚由于平均對測試值帶來的影響，否則就會得到錯誤結(jié)論。

根據(jù)概率論，帶內(nèi)高斯噪聲分布為瑞利分布。對于瑞利分布的噪聲，當(dāng)采樣足夠多時，標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)與平均誤差(算術(shù)平均值)(

)之間具有如下關(guān)系：

對于頻譜儀來說，中頻信號經(jīng)包絡(luò)檢波器后獲得電壓有效值(RMS)，因此平均誤差(

)幅度包絡(luò)要除以，因此，在頻譜儀測試過程中，

所以，在頻譜儀測試時，電壓包絡(luò)線性平均值對應(yīng)的功率值(

2)比真正的平均功率(RMS檢波所對應(yīng)的s2)小1.05dB。

對數(shù)平均與線性平均的關(guān)系

根據(jù)窄帶高斯噪聲的統(tǒng)計分布，帶內(nèi)高斯噪聲分布為瑞利分布。

式中，ρ為噪聲隨機(jī)包絡(luò)，?為噪聲的隨機(jī)相位。

電壓采樣值線性平均后取對數(shù)：

電壓采樣值對數(shù)值平均(幾何平均)：

可見，對于窄帶高斯白噪聲，對數(shù)平均比線性平均低1.45dB。即頻譜儀測試時，采用對數(shù)平均(對數(shù)放大器打開)，對于電壓測試值來說，幅度包絡(luò)進(jìn)行對數(shù)加權(quán)運(yùn)算，對大信號放大的增益小，對小信號放大的增益大。在對數(shù)平均的情況下，要比線性平均小1.45dB，比真實(shí)平均功率小2.5dB。