用頻譜分析法測量數(shù)字信號電平 (圖)

　　概述

　　電壓是電子學(xué)的基本參數(shù)，也稱電平。電平和電壓是同一個參數(shù)，一般來說，它們的區(qū)別在于單位不同。電壓是以伏（V）作單位，如V、mV、μV、kV等；電平是以dB作單位，如dBv、dBmV、dBμV等。

　　電信號的電平，一般都是用正弦波的有效值為基準(zhǔn)，以熱電偶測量功率來定度它的電壓值（電平值），我們也叫做電平（電壓）的有效值。這就是說信號電平和功率之間是以熱電偶所產(chǎn)生的熱量來聯(lián)系的。我們知道，電功率是與信號波形無關(guān)的，而對于電平來說，我們所定度的正弦波那一定是無失真正弦波，否則要引入誤差。

　　為了準(zhǔn)確地測量信號的電平，一般正弦波信號不言而喻地用常規(guī)電平表示測量有效值，如果是脈沖信號則一般測量它的峰值。在電視信號測試中，因為視頻信號相當(dāng)復(fù)雜，其信號大小是以行同步脈沖的峰值來定度，因此測定行同步脈沖峰值。

　　隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信、計算機網(wǎng)路，數(shù)字電視的發(fā)展，各種調(diào)制的數(shù)字信號出現(xiàn)，它們怎樣測量，這是一個非常重要的問題。目前常見的數(shù)字信號有FSK、PSK、ASK、CDMA、TDMA、FDMA、QPSK、QAM等。從測量的角度來看，無論那種調(diào)制數(shù)字信號，都可以把它當(dāng)作在一定帶寬內(nèi)的噪聲來對待。因此，我們用每赫茲功率電平（dBmV/Hz）的概念，將一定帶寬的功率來表征信道的功率（dBmV），筆者稱為平均功率電平。

　　頻譜儀通常是測量正弦波的電平有效值，因此在測量數(shù)字信號時極不準(zhǔn)確。在這里，將論述幾種用頻譜儀測量數(shù)字信號的方法，普通光標(biāo)法、噪聲光標(biāo)法以及信道功率測量法。

　　頻譜儀的普通光標(biāo)法
---

　　用頻譜儀測量某個信號通常的做法是把光標(biāo)放在信號上并讀出讀數(shù)，見圖1。但這個光標(biāo)給出的讀數(shù)不太正確。你可以試著比較一下圖1和圖2。圖2的唯一變化是頻譜儀的分辨率帶寬采用30kHz而不是圖1中的10kHz。值得注意的是，盡管此時信號本身并沒有發(fā)生任何變化，圖2上的信號電平（從光標(biāo)上讀出）為13.1dBmV，而不是圖1所讀出的8.2dBmV。再則整個掃描波形在顯示屏上向上方移動了（然而信號和參考電平實際上沒有任何變化）。引起這種現(xiàn)象的原因是頻譜儀所測量出的讀數(shù)值是落入分辨率帶寬濾波器之內(nèi)的所有信號的總功率。當(dāng)分辨率帶寬增加（從10kHz～30kHz），在濾波器帶寬內(nèi)的能量也增加，這樣就引起了顯示圖形上的變化。

　　熟悉用頻譜儀測C/N的工程師都很清楚這種現(xiàn)象，這種由分辨率帶寬引起的誤差是可以修正的。現(xiàn)在我們想測量出數(shù)字信道的總功率，就需要將顯示的功率轉(zhuǎn)換為信道功率，即僅是平均功率電平，公式為：

　　信道平均功率電平 = 顯示的功率電平+10log（信道帶寬/分辨率帶寬）+修正因子 單位：dBmV

　　這個修正因子是必須要的，因為對分辨率帶寬濾波器捕獲的噪聲量而言，分辨率帶寬與濾波器的3dB帶寬并不完全相等。換句話說，一個10kHz的濾波器的噪聲帶寬并不是絕對10kHz，它有個矩形系數(shù)問題。修正因子中的另一個因素是對數(shù)放大器，因它把輸入信號變成對數(shù)形式的顯示，這個對數(shù)放大器并不能很合適轉(zhuǎn)換噪聲類型的信號?？偟男拚蜃油ǔ?～2dB，可以從頻譜儀廠家獲得這個修正值。

---

　　用頻譜儀測量數(shù)字信號應(yīng)使用采樣檢波器，而不是峰值檢波器。而同時視頻帶寬必須設(shè)置足夠低使得信號看上去很平滑，一次次掃描測量圖形不出現(xiàn)明顯變化。

　　頻譜儀噪聲光標(biāo)法

　　噪聲光標(biāo)法是目前測量像數(shù)字信號這樣的噪聲類型的信號電平的最好方法，在大多數(shù)新型的頻譜儀上都有這種功能。它通過用1Hz帶寬顯示功率（dBmV/Hz）方法克服了前面所講的誤差，如圖3所示。信道功率的計算按下述公式：

　　信道平均功率電平 = 顯示的功率電平+10log（信道帶寬） 單位：dBmV

　　它不需要其他的修正因子，分辨帶寬的設(shè)置并不改變噪聲光標(biāo)的讀數(shù)。

　　當(dāng)使用某些特定的頻譜儀時，有件事要注意。被測信號一定要填充（跨越）顯示屏的幾個格子，即信道帶寬盡可能接近頻譜儀掃描帶寬。這是由于噪聲光標(biāo)所顯示的值實際上是1～2個格子中所有噪聲的平均值。圖4表示了不正確的測量情況，其被測信號與圖3是相同的，但是其掃描帶寬增加了，結(jié)果信號顯得很窄，連一個格子也沒有充滿，此時的噪聲光標(biāo)讀出的是 -32.2dBmV/Hz，而不是-30dBmV/Hz，這是因為它把信道旁邊的真正噪聲功率也一起平均，而那里不含有任何信號功率。如果仔細(xì)看這張圖，你會發(fā)現(xiàn)光標(biāo)的上下位置實際上比信號所顯示的曲線要低一些。

　　信道功率測量法

　　為了測試方便，有些最新的頻譜儀擁有特別設(shè)計的算法來修正前面提到的所有誤差，并直接顯示數(shù)字信道的實際功率電平值。這項功能很有用，它避免了測量中的錯誤。你可以按照廠家提供的簡單測量步驟完成準(zhǔn)確的測試。

　　在CATV測量儀器中，為了測量數(shù)字頻道功率，也采用這種方法測量。如美國安科特納SDA系列CATV分析儀采用這種方法直接讀出QAM、OPR、OPSK、VSB、CAP-16、DVB/ACTS、TDMA的數(shù)字信號平均功率電平。

　　綜合上述，功率計是唯一能給出絕對正確的數(shù)字信號功率的儀器，如果使用正確，帶有信道測量功能或噪聲光標(biāo)的頻譜儀也能給出非常準(zhǔn)確的結(jié)果。確保每個人都能測到相同結(jié)果的最好和最簡單的方法就是用你所喜愛的方法和功率計的讀數(shù)比較，兩種方法的差可作為系統(tǒng)修正因子來修正。只要被測的信號類型和所用的設(shè)備（以及設(shè)備上的設(shè)置）不做改變，這個修正因子就有效。隨著數(shù)字設(shè)備的迅速發(fā)展，在一些專用設(shè)備（如CATV分析儀）和新型的頻譜分析儀都直接有數(shù)字信道平均功率電平測量功能，其原理都引入本文的概念。