頻譜儀的幅度測量精度提高方法

　　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(jìn)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。

　　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(zhǔn)確的校準(zhǔn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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。

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　　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(biāo)中都會同時注明絕對和相對不確定度。因?yàn)橄鄬Σ淮_定度對兩種測量都有影響，因此本文將重點(diǎn)討論相對不確定度。

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　　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(biāo)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(diǎn)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(biāo)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(biāo)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(zhǔn)，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(bǔ)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(dá)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(shí)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(biāo)中沒有注明頻帶切換的不確定度，可以用以校準(zhǔn)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)。

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　　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(diǎn)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(diǎn)幾dB，對于幅度相差很大的信號，這個不確定度可達(dá)2dB。典型的量程可信度指標(biāo)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(biāo)對于幅度相近的信號適用，而累積指標(biāo)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(shí)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(shí)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。