影响频谱分析仪计量准确性的原因分析

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　　摘 要：频谱分析仪被广泛用于仪器仪表行业，随着社会生产的发展，频谱分析仪的计量准确性日益成为企业关注的焦点。本文对影响频谱分析仪计量准确性的原因进行了分析。
　　关键词：频谱分析仪；计量；准确性
　　
　　RF功率的频域测量是传统频谱分析仪和现代向量讯号分析仪的最基本测试。适当的测试方法对于避免结果出现重大误差非常重要。本文将透过介绍一些仪器和测试基本知识来避免这种误差的出现。要实现正确的频谱测量，在配置频谱分析仪时，必须选用很多的频率和幅度控制.
　　1）幅度控制
　　基准电平(Ref Level)：基准电平设置频谱分析仪最大的输入范围。基准电平控制仪器的y轴参数，类似于示波器上的V/Div(电压标示格)。基准电平应设置为比测试中估计出现之最大功率电平略高。最佳基准电平位于仪器失真和仪器背景噪音最小之间的平衡点上。在某些情况下，对宽频噪音测试来说，故意设置比较低的基准电平(此时会产生一些仪器失真)也会有好处。这样做的好处是可以改善测试灵敏度，只要认识到测试结果有些失真，并确保失真并非测试指针中的一项。也可以透过衰减器设置控制来设置仪器的输入范围。通常这个控制设置为自动，这样软件可根据基准电平设置来调整衰减量。传统的仪器，如频谱分析仪将显示器的y轴与基准电平或韧体中的衰减器联动，但是虚拟仪器并不受此限，如果需要，y轴可以脱离这些控制。这种功能在要放大频谱上感兴趣部份而又不希望影响仪器的幅度设置时非常有用。
　　检测模式是另一类的幅度控制，只适用于传统的扫描频谱分析仪，而不是基于FFT的分析仪。在我们讨论检测模式之前，了解频率控制非常重要。
　　2）频率控制
　　中心频率：中心频率是控制测量的中心频率。中心频率与测试频宽一起定义了仪器面板上看到的频率范围。测试频宽：测试频宽定义仪器捕捉到的总频谱量。测试频宽以中心频率为中心。分辨率频宽(RBW)：分辨率频宽控制频率轴的频率分辨率。在传统的频谱分析仪中，用一个窄频滤波器在测试频宽上进行扫描来产生频谱显示。滤波器频宽确定了频率轴上的频率分辨率。然而，在基于FFT的分析仪中并没有模拟滤波器。而是由FFT与其相应的滤波窗口参数来确定频率分辨率或者分辨率频宽。不过在这类仪器中，更适当的叫法应是频率分辨率。熟悉FFT分析仪和FFT的工程师可能会问：RBW频率分辨率参数到底与FFT的窗口(bin)的大小有何关系？注意基于FFT的频谱分析仪，讯号分析仪提供了一个窗口选择来限制频谱泄漏，并改善频域上极小间隔讯号间的分辨率。而传统的频谱分析仪并不提供这种功能。在传统扫描分析仪中，由于模拟滤波器设立时间的影响，测试时间(扫描时间)与RBW的平方成反比。这时，随着减少RBW来改善频率分辨率时，扫描时间呈指数级增加。而对FFT讯号分析仪来说，当减少RBW时，相对应的是执行更长的采集和更大的FFT运算量。由于DSP组件速度不断提升，意味着对更高分辨率(更窄的RBW)的测量设备来说，基于FFT在测试速度方面将具有很大的优势。
　　3）检测模式的影响
　　检测模式(标准、峰值、采样或谷值)决定了频谱分析仪如何处理降低或压缩后的频谱信息。当频谱数据点超过频谱分析仪的显示能力时，频谱分析仪必须对数据进行缩减。这样一来，检测模式可以大幅改变任何功率测量。
　　4）影响频率精密度的因素
　　传统的频谱分析仪采用位于起始频率和终止频率之间的扫频方法。这种扫频方法依赖一个模拟斜坡讯号，起始频率直接从高精密度的时基基准中合成而来。因此，模拟斜坡讯号的精密度以及中频滤波器中心频率的精密度将限制起始频率的精密度。基于FFT的分析仪并不受这种限制，因为不需要模拟斜坡讯号扫描滤波器。频率测试的精密度在特定的测试频宽内是一致的。在测试频宽内的精密度只取决于时基精密度和测量算法，因此很容易获得更佳的频率精密度和可重复性。
　　在传统的扫描频谱分析仪中，引起频率误差的主要因素为：
　　* 基准频率误差
　　* 测试频宽误差(通常为频宽的0.5%)
　　* 分辨率频宽误差(通常为RBW的15%)
　　相对地，在基于FFT的分析仪中，引起频率误差的主要因素为：
　　* 基准频率误差
　　* 分辨率频宽误差(从小于RBW的10%到大于RBW的50%范围内变化，具体取决于所用的测量算法)
　　为比较这两种类型的设备的误差，忽略基准频率误差是比较恰当的，因为该误差可透过使用高精密度频率基准来补偿，如铷基准源。高于50kHz的测试频宽和大于1kHz的RBW设置影响到了传统扫描频谱分析仪的测量性能，除非采用最佳化的方法，如在测试频宽的中心加一个100MHz的讯号。由于滤波器的扫描时间所致，如果要求使用较小RBW，就等同于更长的测量时间。对于特定的实例，传统频谱分析仪的采用的扫描时间为150ms到200ms。
　　基于FFT的分析仪的精密度将主要受限于测试算法。频谱测试工具套件中所使用的算法，可以获取比分辨率频宽所指示的更高的分辨率。
　　基于FFT的分析仪可以使用相对较大的RBW设置来精确地测量频率，无需使用精密度最佳化的测试技术，这意味着在相同测试时间内可实现更快或更准确的测量。
　　看来，采用传统频谱分析仪和基于FFT的讯号分析仪进行功率与频率测试时，了解和掌握上述基础知识是必须的。必须采用正确的仪器设置，否则测试结果可能会出现很大的变化和偏差，即使是使用同一台仪器也会如此。因此，对于每个特定的测试，了解仪器的工作原理对正确设置仪器以完成指定的测量而言至关重要。
　　作者简介：康 艳（1976-11）、女 、汉 、福建省平潭县人、本科、高级工程师、 主要从事计量检测技术的研究
　　杨爱军（1973-06）、女、汉、福建省福州市人、本科、高级工程师、主要从事计量检测技术的研究工作

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