用頻譜分析法測(cè)量數(shù)字信號(hào)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(gè)參數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，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(hào)的電平，一般都是用正弦波的有效值為基準(zhǔn)，以熱電偶測(cè)量功率來(lái)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(shuō)信號(hào)電平和功率之間是以熱電偶所產(chǎn)生的熱量來(lái)聯(lián)系的。我們知道，電功率是與信號(hào)波形無(wú)關(guān)的，而對(duì)于電平來(lái)說(shuō)，我們所定度的正弦波那一定是無(wú)失真正弦波，否則要引入誤差。

　　為了準(zhǔn)確地測(cè)量信號(hào)的電平，一般正弦波信號(hào)不言而喻地用常規(guī)電平表示測(cè)量有效值，如果是脈沖信號(hào)則一般測(cè)量它的峰值。在電視信號(hào)測(cè)試中，因?yàn)橐曨l信號(hào)相當(dāng)復(fù)雜，其信號(hào)大小是以行同步脈沖的峰值來(lái)定度，因此測(cè)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(jì)算機(jī)網(wǎng)路，數(shù)字電視的發(fā)展，各種調(diào)制的數(shù)字信號(hào)出現(xiàn)，它們?cè)鯓訙y(cè)量，這是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。目前常見(jiàn)的數(shù)字信號(hào)有FSK、PSK、ASK、CDMA、TDMA、FDMA、QPSK、QAM等。從測(cè)量的角度來(lái)看，無(wú)論那種調(diào)制數(shù)字信號(hào)，都可以把它當(dāng)作在一定帶寬內(nèi)的噪聲來(lái)對(duì)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(lái)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(cè)量正弦波的電平有效值，因此在測(cè)量數(shù)字信號(hào)時(shí)極不準(zhǔn)確。在這里，將論述幾種用頻譜儀測(cè)量數(shù)字信號(hào)的方法，普通光標(biāo)法、噪聲光標(biāo)法以及信道功率測(cè)量法。

　　頻譜儀的普通光標(biāo)法
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　　用頻譜儀測(cè)量某個(gè)信號(hào)通常的做法是把光標(biāo)放在信號(hào)上并讀出讀數(shù)，見(jiàn)圖1。但這個(gè)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(shí)信號(hào)本身并沒(méi)有發(fā)生任何變化，圖2上的信號(hào)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(gè)掃描波形在顯示屏上向上方移動(dòng)了（然而信號(hào)和參考電平實(shí)際上沒(méi)有任何變化）。引起這種現(xiàn)象的原因是頻譜儀所測(cè)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(hào)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(cè)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?，F(xiàn)在我們想測(cè)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(gè)修正因子是必須要的，因?yàn)閷?duì)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(shuō)，一個(gè)10kHz的濾波器的噪聲帶寬并不是絕對(duì)10kHz，它有個(gè)矩形系數(shù)問(wèn)題。修正因子中的另一個(gè)因素是對(duì)數(shù)放大器，因它把輸入信號(hào)變成對(duì)數(shù)形式的顯示，這個(gè)對(duì)數(shù)放大器并不能很合適轉(zhuǎn)換噪聲類型的信號(hào)?？偟男拚蜃油ǔ?～2dB，可以從頻譜儀廠家獲得這個(gè)修正值。

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　　用頻譜儀測(cè)量數(shù)字信號(hào)應(yīng)使用采樣檢波器，而不是峰值檢波器。而同時(shí)視頻帶寬必須設(shè)置足夠低使得信號(hào)看上去很平滑，一次次掃描測(cè)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(cè)量像數(shù)字信號(hào)這樣的噪聲類型的信號(hào)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(guò)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(jì)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?cè)肼暪鈽?biāo)的讀數(shù)。

　　當(dāng)使用某些特定的頻譜儀時(shí)，有件事要注意。被測(cè)信號(hào)一定要填充（跨越）顯示屏的幾個(gè)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(shí)際上是1～2個(gè)格子中所有噪聲的平均值。圖4表示了不正確的測(cè)量情況，其被測(cè)信號(hào)與圖3是相同的，但是其掃描帶寬增加了，結(jié)果信號(hào)顯得很窄，連一個(gè)格子也沒(méi)有充滿，此時(shí)的噪聲光標(biāo)讀出的是 -32.2dBmV/Hz，而不是-30dBmV/Hz，這是因?yàn)樗研诺琅赃叺恼嬲肼暪β室惨黄鹌骄?，而那里不含有任何信?hào)功率。如果仔細(xì)看這張圖，你會(huì)發(fā)現(xiàn)光標(biāo)的上下位置實(shí)際上比信號(hào)所顯示的曲線要低一些。

　　信道功率測(cè)量法

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

　　在CATV測(cè)量?jī)x器中，為了測(cè)量數(shù)字頻道功率，也采用這種方法測(cè)量。如美國(guó)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(hào)平均功率電平。

　　綜合上述，功率計(jì)是唯一能給出絕對(duì)正確的數(shù)字信號(hào)功率的儀器，如果使用正確，帶有信道測(cè)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(gè)人都能測(cè)到相同結(jié)果的最好和最簡(jiǎn)單的方法就是用你所喜愛(ài)的方法和功率計(jì)的讀數(shù)比較，兩種方法的差可作為系統(tǒng)修正因子來(lái)修正。只要被測(cè)的信號(hào)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(gè)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(cè)量功能，其原理都引入本文的概念。