利用頻譜信號分析限制RF功率和寄生噪音輻射

射頻功率的頻域測量是利用頻譜和向量訊號分析儀所進(jìn)行的最基本的測量。這類系統(tǒng)必須符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對功率傳輸和寄生噪音輻射的限制，還要配有合適的測量技術(shù)來避免誤差。 像頻率范圍、中心頻率、分辨頻寬(RBW)和測量時(shí)間這些有關(guān)頻率的關(guān)鍵控制都會影響測量結(jié)果。

頻率范圍指的是分析儀所能擷取的總頻譜分量，而中心頻率相當(dāng)于頻率范圍的中心。應(yīng)該注意像頻率范圍這類頻率控制決定了儀器前面板上的頻率范圍。另一方面，根據(jù)頻率范圍的大小不同，FFT訊號分析儀有兩種截然不同的采集模式。

儀器中高達(dá)RBW的頻率范圍的實(shí)現(xiàn)方式是：對一段頻率進(jìn)行下變頻，然后對下變頻訊號進(jìn)行數(shù)字化。而對于超出RBW的頻率范圍，按順序?qū)︻l譜段進(jìn)行變頻和數(shù)字化。RBW控制頻率軸上的頻率分辨率。在傳統(tǒng)的分析儀中，利用一個(gè)窄頻濾波器來掃描頻率范圍來顯示頻譜。濾波器頻寬決定了頻率軸上的分辨率，因此也是控制的標(biāo)志。

與此同時(shí)，采用FFT的分析儀沒有模擬濾波器，而是采用FFT和相關(guān)的窗口參數(shù)(windowing parameter)來確定頻率分辨率或者RBW。與傳統(tǒng)的頻譜分析儀不一樣，目前最新的采用FFT的分析儀可以選擇窗口來限制頻譜泄漏并改善頻域中間隔較小頻段的分辨率。那些對FFT分析儀以及FFT熟悉的人們也許會問，RBW頻率分辨率與FFT抽頭的寬度是什么關(guān)系？表1顯示了在新型的RF訊號分析儀中RBW頻率分辨率參數(shù)(規(guī)定在3dB和6dB處的RBW分辨率)與FFT抽頭寬度的關(guān)系。

表1：RBW頻率分析分辨率與FFT分析儀的抽頭寬度相關(guān)

采用FFT的分析儀具有窗口選擇，用來限制頻譜泄漏并改善頻域中間隔較小頻譜的分辨率。而傳統(tǒng)的頻譜分析儀則沒有這一功能。傳統(tǒng)掃描式分析儀的測量時(shí)間(或掃描時(shí)間)與RBW的平方成反比，這是由模擬濾波器的設(shè)立時(shí)間確定的。如果要透過降低RBW來改善頻率分辨率，則掃描時(shí)間要呈指數(shù)增加。 相反，隨著RBW的降低，F(xiàn)FT訊號分析儀所進(jìn)行的采集更長，運(yùn)算量也更大。隨著DSP組件速度的加速，測量速度更快，實(shí)現(xiàn)更高的分辨率或更窄的RBW測量。

幅度設(shè)置

不同的幅度控制也會影響測量結(jié)果，這些包括參考電平(ref level)，衰減器設(shè)置和檢測模式。參考電平設(shè)置了頻譜分析儀的最大輸入范圍。它控制Y軸，這一點(diǎn)與示波器上的‘volts/div’相似，必須將其設(shè)置到剛剛大于所期望的最大功率測量值。

為了比較這些誤差，就必須忽略基準(zhǔn)頻率誤差，這是因?yàn)榭梢允褂靡粋€(gè)像銣頻率這類的精密頻率源來對其進(jìn)行補(bǔ)償。在掃頻式頻譜分析儀中，當(dāng)頻率范圍大于50kHz以及RBW設(shè)置超過1kHz時(shí)，測量性能將受到影響，除非采用最佳化的技術(shù)，例如將100MHz的頻率放置到頻率范圍的中心。

如果采用較小的RBW，意味著測試時(shí)間的拉長，這是因?yàn)閽呙钑r(shí)間的問題，因?yàn)橥ǔ５念l譜分析儀中需要150-200ms的掃描時(shí)間。測量算法限定了基于FFT分析儀的測量精密度。例如，先進(jìn)的光譜測量分析工具套件中采用了內(nèi)插技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)比RBW所能實(shí)現(xiàn)的更高分辨率，如上所述，RBW設(shè)置到2kHz將保證更高的精密度。

基于FFT的分析儀采用可以實(shí)現(xiàn)精確測量的高RBW設(shè)置，即使是沒有利用精密度最佳化的測量技術(shù)。這意味著在相同的測試時(shí)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)更快和更精密的測量。訊號分析儀能夠執(zhí)行長度小于20ms的測試樣本，這比頻譜分析儀高6倍。

除非采用了合適的測量設(shè)置，否則即使是對于同一臺測試儀器，也會導(dǎo)致測量結(jié)果變化很大。因此，深入了解工作原理對正確地設(shè)置測量儀器來說至關(guān)重要。

表2：頻譜分析儀測量模式能夠影響功率測量結(jié)果

最佳參考電平的取值要使得最小的儀器失真(使輸入訊號飽和的非常低的參考電平導(dǎo)致)和最小的噪音基底(參考電平過高，減少了儀器的靈敏度和動態(tài)范圍而導(dǎo)致)取得平衡。有時(shí)候，設(shè)置一個(gè)低參考電平對于寬帶噪音測量是有好處的，盡管產(chǎn)生一些儀器失真。當(dāng)能夠認(rèn)可失真時(shí)，這樣做會改善儀器的靈敏度，并保證在測量中將其排除在外。

衰減器設(shè)置控制也決定儀器的輸入范圍。該設(shè)置通常被設(shè)置到自動模式，軟件根據(jù)參考電平來調(diào)整衰減器的值。 在韌體中，頻譜分析儀將顯示器的Y軸與參考電平或衰減器聯(lián)動在一起。虛擬儀器則沒有限制，如果需要時(shí)，顯示器的Y軸可以與這些控制脫離。該功能可以實(shí)現(xiàn)頻譜的可視化縮放，而不影響儀器的幅度設(shè)置。注意，參考電平和衰減器設(shè)置都影響可程序衰減器，故只需設(shè)置其中的一個(gè)即可。

檢測模式是另一種幅度控制方式，適用于傳統(tǒng)的掃描頻譜分析儀，但不能用于基于FFT的分析儀?？煞譃槠胀ā⒎逯?、采樣或負(fù)峰值等模式，具體檢測模式?jīng)Q定了頻譜分析儀如何減少頻譜信息，或者說如何壓縮頻譜信息。

另外它還影響總功率測量。當(dāng)頻譜數(shù)據(jù)點(diǎn)超過頻譜分析儀所能顯示的點(diǎn)數(shù)時(shí)，分析儀將從數(shù)據(jù)減少策略中獲益。這將使檢測模式改變功率測量。

圖1：頻譜分析儀測量結(jié)果的頻率和幅度關(guān)系

影響精密度的因素

頻譜分析儀采用起始和終止頻率之間的頻率掃描。一個(gè)模擬斜坡訊號產(chǎn)生該頻率掃描訊號，而起始頻率由來自高精密度的時(shí)間基準(zhǔn)訊號合成。于是，測量精密度由模擬斜坡訊號和IF濾波器的中心頻率所決定。

基于FFT的分析儀，沒有這樣的模擬斜坡訊號，故沒有這些因素的限制，因而在整個(gè)測量范圍內(nèi)具有一致的精密度。范圍內(nèi)的精密度則取決于時(shí)基和測量算法，故可以比較容易地獲得頻率精密度和重復(fù)性。

在傳統(tǒng)型掃描分析儀中，頻率誤差的原因包括基準(zhǔn)頻率誤差，頻率范圍精密度(范圍的5%)和RBW(RBW的15%)。相應(yīng)地，在基于FFT的分析儀中的頻率誤差則包括基準(zhǔn)頻率誤差和RBW，具體取決于測量算法，變化范圍為RBW的>50%到10%之間。