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(yù)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(guān),該放大器只是調(diào)節(jié)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?qū)?shù)形式的dB表示。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/192968.htm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(shè)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(shù)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(diào)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(tǒng)產(chǎn)生干擾,這對相對精度也提出了要求,這些系統(tǒng)中的放大器必須滿足特定的線形度要求,以保證不會產(chǎn)生較高的諧波和雜散信號,對于這些系統(tǒng)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(shù)儀器廠商在其產(chǎn)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(yīng)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(shù)關(guān)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(nèi),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(nèi)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(nèi)頻響的峰-峰值,這會導(dǎo)致其通常比絕對頻響指標還要高。
頻譜儀通常采用YIG調(diào)諧濾波器作為預(yù)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(diào)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(yù)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(shù),儀器內(nèi)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(nèi)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(dāng)設(shè)置的頻率跨度(Span)超過兩個混頻頻段時,儀器會自動切換內(nèi)部混頻頻段,從而引入幅度不確定度。當(dāng)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(shù),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(dāng)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(jié)果。檢波器和ADC的線性度、對數(shù)/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(shù)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(dāng)頻譜儀要測量不同電平的信號時,其靈活度可以通過調(diào)節(jié)參考電平來實現(xiàn),但是調(diào)節(jié)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(guān),其范圍可以從顯示平均底噪(DANL)調(diào)節(jié)到其能承受的最大輸入電平。調(diào)節(jié)參考電平實際上就是調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)都會引入不確定度。
參考電平通常通過儀器內(nèi)部的標準參考源(當(dāng)然也可以用外部源)進行校準。和很多功率計內(nèi)置的標準源類似,PSA系列頻譜儀內(nèi)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(nèi)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(dāng)設(shè)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(guān)參數(shù)就是在這個狀態(tài)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(shù)。另外,參考電平校準時的衰減器設(shè)置如果和實際測量的設(shè)置不一樣,也會引入不確定度。大多數(shù)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(zhuǎn)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(shù)字濾波器在這方面的表現(xiàn)就很好,但是數(shù)字濾波器的實現(xiàn)成本更高,因此在ESA系列中檔頻譜儀中,數(shù)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(shù)字設(shè)計,還包含F(xiàn)FT分析和數(shù)字是掃頻接收機。該設(shè)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(shù)/線形放大器的特性會有變化,這也會引入不確定度。當(dāng)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(shù)轉(zhuǎn)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(jīng)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(shè)置,如果衰減器、分辨率帶寬、參考電平等設(shè)置不變,相關(guān)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(shù)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(shè)置:不要改變分辨率濾波器設(shè)置,但是像PSA這樣采用全數(shù)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(shè)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(wǎng)絡(luò)會影響被測信號的特性,因此這些網(wǎng)絡(luò)的特性也必須被補償?shù)?。通常采用頻譜儀內(nèi)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(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性,把測量的結(jié)果做成一個表格存在頻譜儀內(nèi)部,測量時用表格中的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),以應(yīng)對不同的設(shè)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(shè)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(shè)為自動,分辨率帶寬為10KHz,視頻帶寬為1KHz。環(huán)境溫度為室溫(+20 到 +30°C),E4440A PSA(數(shù)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(shù)字分別加上兩款頻譜儀的絕對頻率響應(yīng),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(nèi)部混頻頻段,其不確定度會更大。
采用數(shù)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(shè)置也可以保證測試的結(jié)果能滿足儀器給出的最佳精度。
評論