频谱分析仪频谱分析仪动态范围与信号动态范围与信号测量精度测量精度 频谱仪在频域测量的独特优势使其在信号测量的应用极其广泛。 但在面对各种各样复杂 的应用时，如果使用频谱仪不当，则会带来测量的误差。如何提高测量精度是使用频谱仪测 量信号的关键， 本文通过研究频谱分析仪的动态范围来揭秘如何合理的进行测量信号。 目前 扫频协调频谱分析仪应用比较的广泛，本文重点讨论扫频调谐频谱分析仪的动态范围。 首先了解一下频谱仪中几个范围的概念。 显示范围是指在屏幕中能够显示的范围，频谱仪一般有十个网格，每格最大为 20dB， 则显示范围最大为 200dB。早期模拟的频谱仪由于受对数放大器的限制显示范围一般只有 85dB，现在采用数字中频技术显示范围达到 120dB。 测量范围是指能够测量的最大信号和最小信号，频谱仪最大能够测量信号一般是 30dBm，最小能够测量的信号为机器本身的噪声即显示平均噪声电平。 频谱分析仪的动态范围是指在一次测量中能够同时测量出最大信号和最小信号差值的 大小。 频谱仪的动态范围是否就是频谱仪的测量范围呢？答案是否定的， 那影响频谱仪动态 范围的因素有哪些呢？ 限制频谱仪动态范围的上限为频谱仪内部的失真，包括 1dB 压缩、谐波失真和三阶互 调失真。频谱分析仪的射频前端有很多非线性器件（例如放大器和混频器） ，当信号通过这 些非线性器件时可能会产生失真。1dB 压缩点是把信号经过非线性器件，当输入信号逐渐增 大到达器件的非线性区时输出不再是线性的，当输出信号大于输入信号 1dB 时，称该输入 为 1dB 压缩点，如图 1 所示。谐波失真是当放大器输入信号频率为 F1，则放大器会产成二 次谐波 F2，如果在 2*F1 处有一个信号，则会干扰该信号。三阶互调是当放大器输入两个信 号（F1 和 F2）频率很接近（例如 200KHz） ，幅度一样，由于放大器的非线性会造成多产生 两个信号 2F1-F2 和 2F2-F1，这两个信号就是三阶互调失真，如图 2 所示。 1dB实际输出理论输出InOut图表 1 信号输入和输出 1dB 压缩的关系 f12f1-f2f22f2-f1f图表 2 三阶互调失真 从二次谐波和三次谐波的数学模型上可以得出，当 F1 信号功率变化 1dB，则二次谐波 变化 2dB，三次谐波变化 3dB。同样在三阶互调失真中 F1 和 F2 信号变化 1dB，则 2F1-F2 和 2F2-F1 变化 3dB。根据这个特性可以通过减小输入信号来改善动态范围，将输入信号 F1 功 率减小 1dB，则二次谐波减小 2dB，则二次谐波的动态范围增加 1dB；同样同时把 F1 和 F2 输入功率减小 1dB，则三阶互调产物会减小 3dB，则三阶互调失真的动态范围增加 2dB。而 通常输入信号是有要求的不能随便变小， 通过研究频谱仪模型和工作原来， 则可以通过增大 频谱仪衰减器的办法来实现改善动态范围。具体关系见图 7。 限制频谱仪动态范围的下限为频谱仪内部的噪声和失真， 包括剩余响应、 相噪和显示平 均噪声电平。 剩余响应是由于放大器和混频器等非线性器件的作用下会产生一些额外的信号 混在中频里面， 这些信号无法被抗混叠滤波器滤掉， 如果这些信号幅度过大则会产生虚假信 号影响测量。 相噪是由于本振的抖动在频域的表现。 显示平均噪声电平是由于模拟器件在工 作的时候会产生一定的噪声， 在信号链路上的各个器件都对噪声有贡献， 这些噪声都累加起 来就是频谱仪的底噪。 这三者作用的范围有些不同， 剩余响应根据各个系统设计的不同而不一样， 在全频段内 都有可能产生；当大信号和小信号距离比较近的时候（小于 1MHz）主要是相噪限制了动态 范围；当大信号和小信号距离比较远的时候（大于 1MHz）主要是底噪限制了动态范围。如 下图 3 所示这三者各自影响距离不同： 图表 3 RBW、Phase Noise 和 DANL 影响信号的情况 剩余响应和相噪主要是在方案设计和器件选型就已经决定了， 所以当频谱仪已经设计好 了之后要通过抑制剩余响应和相噪来提高其动态范围就比较的困难。 下面着重分析显示平均 噪声电平对动态范围的影响。 其中 BW 为中频滤波器带宽，NF 为噪声系数，F 为各级的噪声，G 为各级的增益。 由上式可以得出当 BW 变小为原来的 1/10,DANL 变小 10dB， 动态范围变大 10dB， 如图 4 所示；当 NF 减小 10dB，DANL 跟着变小 10dB，动态范围变大 10dB，如图 5 所示。具体总 的关系见图 7。故可以通过减小中频滤波器带宽和减小衰减器来提高频率分析仪的动态范 围。 SARBW DANNFHzBWdBmLlog10174FNFSAlog1011321421312 11.111niinGF GGGF GGF GFFF图表 4 RBW 与 DANL 的关系 图表 5 衰减器、PA 与 DANL 的关系 DANL 与中频滤波器带宽和衰减器的大小是有关系的，所以在各个厂家数据手册中提到 DANL 这个指标时需要注明在该指标下中频滤波器带宽和衰减器的大小。特别是中频滤波器 带宽的大小如果没有特别说明默认是 1Hz。 这个时候需要特别注意的是该频谱仪的中频滤波 器的最小带宽是否能够达到 1Hz，如果不是则实际测量的时候无法测到其标称的信号。假设 数据手册上只写着 DANL 为-140dBm，且中频滤波器带宽最小值为 1kHz，根据上面的公式可 知该频谱仪最小能够测到-110dBm 的信号，而不是标称的-140dBm。 DSA1030A 的各种动态范围如图 6 所示。 图表 6 DSA1030A 的各种动态范围 -50-40-30-20-1020100-50-40-30-20-100-110-100-90-80-70-60TOISHIDANL RBW=10kHzMixer Level(dBm)DANL and distorion products relative to mixer level(dB)DANL RBW=1kHz图表 7 DSA1030A 底噪、TOI 和 SHI 与混频器电平的关系图 下面以 RIGOL DSA1030A 频谱仪为例来阐述频谱仪具体信号指标对测量精度的影 响。 例一：频谱仪对测量小信号的影响 在 DSA1030A 信号输入端口输入一个频率为 100MHz，幅度为-60dBm 的信号。 频谱仪设置如下：中心频率为 100MHz，跨度为 10MHz，衰减器为 10dB，RBW 为 1MHz。这时看到信号和噪声基本上混一起比较难区分出信号和噪声（如图 2 所示） 。根 据上面的分析，该信号属于小信号，其限制动态范围为 DANL，改善 DANL 有两个途径减 小 RBW 和衰减器。 把 RBW 减小到 100kHz（如图 9 所示）这是可以清楚的区分出信号和底噪。 把前置放大器打开，即衰减减小 20dB（如图 10 所示）这时可以清楚的区分出信号 和底噪。 图表 8 测量小信号一般设置 图表 9 减小 RBW 测量小信号 图表 10 打开前置放大器测量小信号 所以在测量小信号的时候可以通过减小中频滤波器带宽和减小衰减器来测量信号， 使信 号测量更加的准确。 例二：频谱仪对测量大信号的影响 二次谐波是信号源的一个重要指标， 经常需要通过频谱仪来测量信号源产生信号的 二次谐波。 在 DSA1030A 信号输入端口输入一个频率为 100MHz，幅度为-10dBm 的信号。 频谱仪测设置如下： 中心频率为 200MHz， 跨度为 200kHz， RBW 为 300Hz， VBW 为 100Hz， 扫描时间为 6.6666S，衰减器的值为 0dB。这时测量的二次谐波值为-67.36dBm。测量结果如图 5 所示： 图表 11 大信号在小衰减器下的二次谐波 这时在其他设置不变的情况下，只是把衰减器设为 20dB。则这时二次谐波的测量为 -69.80dBm。如图 12 所示： 图表 12 大信号在大衰减器下的二次谐波 对比上面两种设置下的测量结果相差了-67.36dBm (-69.80dBm) = 2.44dB。分析这 两次的测量过程，第一次测量的时候信号在混频器前端的幅度为-10dBm，第二次测量的时 候信号在混频器前端的幅度为-30dBm。对比观察图 11 的曲线，当信号在混频器前面比较大 的时候， 频谱仪本身的谐波也会比较大， 这样自身产生的谐波与信号输入的谐波叠加在一起，就是最终的测量结果可能出现不准。 查看频谱仪的数据手册， 一般厂家二次谐波的指标都是 在混频器为-30dBm 的前提下提的。所以在测量这些大信号的谐波和失真的时候需要关注信 号到混频器前端的大小。可以通过调整衰减器来达到频谱仪本身测量时带来最小误差。 通过以上分析的例子可以得出， 在分析清楚频谱分析仪动态范围的含义， 以及影响其动 态范围的因素后，就可以准确的、正确的测量出信号的实际值。尽量的减小频谱仪在测量时 带来的误差。所以分析频谱仪的动态范围有着很重要的意义。