AN 1286-1: 信号分析测量基础原理
应用指南
引言
对射频工程师来说，在其产品生命周期的各个阶段，都会用到一种基本而又不可或缺的测量工具：频谱分析仪或信号分析仪。仪器的关键指标，比如性能、精度和速度等，可协助研发工程师提升设计质量，并有助于制造工程师提高测试效率和产品质量。本文提供了多种技术方法，旨在帮助您轻松驾驭各种应用场景中的信号分析。重点是在保证速度和效率的前提下，协助您优化测量本底噪声、分辨率带宽、动态范围、灵敏度等属性。
“信号分析仪”通常是指具有以下特征的仪器：采用频谱分析仪架构和全数字中频（IF）区段，以复杂矢量方式处理信号，实现数字调制分析与时间捕获等多域操作。关于频谱分析仪、信号分析仪，以及它们的使用方法，可参阅是德科技应用指南 150：《频谱分析基础》。
提升测量精度的各种设置
了解信号分析仪的固有精度和鉴别被测器件（DUT）连接通道中的误差源，对于优化测量精度非常重要。良好的测量方法和实用的分析仪功能可以减少错误的发生，并且缩短测试时间。利用数字中频技术，特别是在经过内部校准和校正的改进之后，可以实现高水平的基本精度。例如自带的修正功能和可高度重复的数字滤波器可以让用户在测量期间自由的更改设置，并且基本上不会影响到测试的可重复性。典型的示例包括分辨率带宽、量程、参考电平，中心频率和扫宽。
当 DUT 连接至经过校准的分析仪后，信号传递网络（图 1）可能会出现减损，或者致使被测信号发生改变。只有对这些效应进行适当修正或补偿，才能确保最佳精度。您可以通过一种方便、有效的方法来实现，那就是利用分析仪的内置幅度修正功能，并且与信号源和功率计结合使用。
图 2 显示了对信号传递网络的频响测量；该网络对 DUT 信号产生了衰减。为了消除多余的效应，首先应在指定扫宽的频率内测量信号传递网络的频率响应。在分析仪中，幅度校正功能采用一系列频率/幅度配对，将其进行线性连接，以产生对应测量显示点的校正系数。然后再依据修正结果调整显示的幅度。在图 3 中，测量结果中信号传递网络的不良衰减和增益均已被消除，这为信号分析仪提供了完全符合规范的精度。
通过这个过程，测量参考面就从分析仪的前面板移到了 DUT 上。在许多信号分析仪中，您都可以存储多种不同的校正值，以便用于不同的设备配置或分析仪设置。针对不同的电缆与适配器组合，用户也可以在分析仪中储存相应的校正值。务必要特别留意DUT 与分析仪之间的各项要素，包括电缆和连接器的长度、类型与质量。对连接器的维护（包括适当的扭矩）有助于把损耗降到最低，并确保良好的阻抗匹配和可重复性，特别是在微波和毫米波频率上。
针对高难度的测量，可以把分析仪的有效输入移到更接近于 DUT 的位置；这样可显著改善测量结果。例如，在测量极微小的信号时，我们可以把外部前置放大器连接至 DUT，以增加信号电平，从而缓解信号衰减或噪声增大等问题。如今的智能前置放大器可自动配置分析仪并上传增益和频率响应，以获得精确的校正值。
同样地，智能混频器可增强非常高频率下的测量。DUT 的输出端通常就是波导的直接连接端，您可以把混频器布置在此处。混频器会自动识别并下载其自身的转换系数，从而准确地显示测量结果。
设置分辨率带宽时需要权衡取舍
分辨率带宽是一项基本的分析参数。在以分离重要频谱分量和设置本底噪声为目标时，分辨率带宽所扮演的角色便更加重要。它能够让您更轻松地从分析仪或 DUT 引发的噪声中，识别出所需的信号。在执行要求苛刻的测量时，频谱分析仪必须精确，并且要有测量速度与高动态范围的恰当配合。在大多数情况下，如果过于偏重一面，就会对另一面造成影响。采用或窄或宽的分辨率带宽就是一项重要取舍。测量低电平信号时，较窄的设置较为有利：可以降低频谱分析仪的显示平均噪声电平（ DANL），从而增大动态范围和提高测量灵敏度。在图 4 中可看到，将分辨率带宽从100 kHz 更改为 10 kHz，便能够对明显的 –103 dBm 信号进行更准确的测量：分辨率带宽减少 10 倍可使 DANL 提升 10 dB。
当然，较窄的设置不会永远都是最理想的选择。对于调制信号，必须将分辨率带宽设置得足够宽，使其能够包含边带。除非进行集成式频段功率测量（例如合并多个测量点以涵盖整个信号带宽），否则就会使功率的测量结果不够准确。通常，对排列紧密的宽带数字调制信号来说，这种测量方法 — 把使用窄分辨率带宽测得的多个测量点功率综合起来 — 最为实用。
窄带宽设置有一个重要的缺点：扫描速度慢。扫描速率通常与分辨率带宽的平方成正比，因此相较于较窄的设置，较宽的设置可以大幅加快扫描整个频率扫宽的速度。图 5 和图 6 比较了分别使用 10 kHz 和 3 kHz 的分辨率带宽，测量 200 MHz 扫宽的扫描时间。
提升测量低电平信号时的灵敏度
分析仪自身产生的噪声会限制其测量低电平信号的能力；并且，许多设置都会影响该噪声的电平。例如图 7 就显示了分析仪的本底噪声是如何掩盖 50 MHz 信号的。
在测量这个低电平信号时，可以综合使用多种方法，来提升分析仪的灵敏度：最小化输入衰减、缩小滤波器的分辨率带宽（RBW），以及使用前置放大器。与早期技术相似，这些技术可降低DANL，将微小信号与噪声分离，从而实现精确测量。
在分析仪的输入混频器端，减少输入衰减可提升输入信号的电平。由于分析仪本身的噪声是在衰减器之后产生，因此衰减设置会影响测量的信噪比（SNR）。如果将分析仪中的增益与输入衰减器耦合以补偿变化，真正的信号便会在显示器上静止不动。但 DANL 会随 IF 增益而改变，以反映出因衰减器设置的任何更改而导致的 SNR 变化。因此，将输入衰减降至最低，对改善 DANL非常重要。
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