淺析高頻譜儀的幅度測量精度方案

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。

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。

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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)。

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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。