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問(wèn)區(qū)
怎樣設(shè)置才能獲得頻譜儀佳的靈敏度,以方便觀測(cè)小信號(hào)?
首先根據(jù)被測(cè)小信號(hào)的大小設(shè)置相應(yīng)的中心頻率、掃寬(span)以及參考電平;然后在頻譜分析儀沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)載提示的情況下逐步降低衰減值。
如果此時(shí)被測(cè)小信號(hào)的信噪比小于15db,就逐步減小rbw,rbw越小,頻譜分析儀的底噪越低,靈敏度就越高。
如果頻譜分析儀有預(yù)放,打開(kāi)預(yù)放。預(yù)放開(kāi),可以提高頻譜分析儀的噪聲系數(shù),從而提高了靈敏度。對(duì)于信噪比不高的小信號(hào),可以減少vbw或者采用軌跡平均,平滑噪聲,減小波動(dòng)。
需要注意的是,頻譜儀測(cè)量結(jié)果是外部輸入信號(hào)和頻譜分析儀內(nèi)部噪聲之和,要使測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確,通常要求信噪比大于20db。
分辨率帶寬(rbw)越小越好嗎?
rbw越小,頻譜分析儀靈敏度就越好,但是,掃描速度會(huì)變慢。好根據(jù)實(shí)際測(cè)試需求設(shè)rbw,在靈敏度和速度之間找到平衡點(diǎn)–既保證準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)又可以得到快速的測(cè)量速度。
平均檢波方式(averagetype)如何選擇:power?logpower?voltage?
logpower對(duì)數(shù)功率平均:又稱videoaveraging,這種平均方式具有低的底噪,適合于低電平連續(xù)波信號(hào)測(cè)試。
但對(duì)”類(lèi)噪聲“信號(hào)會(huì)有一定的誤差,比如寬帶調(diào)制信號(hào)w-cdma等。
功率平均:又稱rms平均,這種平均方式適合于“類(lèi)噪聲”信號(hào)(如:cdma)總功率測(cè)量。
電壓平均:這種平均方式適合于觀測(cè)調(diào)幅信號(hào)或者脈沖調(diào)制信號(hào)的上升和下降時(shí)間測(cè)量。
掃描模式的選擇:sweep還是fft?
現(xiàn)代頻譜儀的掃描模式通常都具有sweep模式和fft模式。通常在比較窄的rbw設(shè)置時(shí),fft比sweep更具有速度優(yōu)勢(shì),但在較寬rbw的條件下,sweep模式更快。
當(dāng)掃寬小于fft的分析帶寬時(shí),fft模式可以測(cè)量瞬態(tài)信號(hào);在掃寬超出頻譜分析儀的fft分析帶寬時(shí),如果采用fft掃描模式,工作方式是對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段處理,段與段之間在時(shí)間上存在不連續(xù)性,則可能在信號(hào)采樣間隙時(shí),丟失有用信號(hào),頻譜分析就會(huì)存在失真。

用FFT計(jì)算信號(hào)頻譜的算法
離散付里葉變換X(k)可看成是z變換在單位圓上的等距離采樣值
同樣,X(k)也可看作是序列付氏變換X(ejω)的采樣,采樣間隔為ωN=2π/N
由此看出,離散付里葉變換實(shí)質(zhì)上是其頻譜的離散頻域采樣,對(duì)頻率具有選擇性(ωk=2πk/N),在這些點(diǎn)上反映了信號(hào)的頻譜。
根據(jù)采樣定律,一個(gè)頻帶有限的信號(hào),可以對(duì)它進(jìn)行時(shí)域采樣而不丟失任何信息,F(xiàn)FT變換則說(shuō)明對(duì)于時(shí)間有限的信號(hào)(有限長(zhǎng)序列),也可以對(duì)其進(jìn)行頻域采樣,而不丟失任何信息。所以只要時(shí)間序列足夠長(zhǎng),采樣足夠密,頻域采樣也就可較好地反映信號(hào)的頻譜趨勢(shì),所以FFT可以用以進(jìn)行連續(xù)信號(hào)的頻譜分析

基于快速傅里葉變換(FFT)的現(xiàn)代頻譜分析儀,通過(guò)傅里葉運(yùn)算將被測(cè)信號(hào)分解成分立的頻率分量,達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)輸入信號(hào)取樣,再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。
在這種頻譜分析儀中,為獲得良好的儀器線性度和高分辨率,對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí) ADC的取樣率少等于輸入信號(hào)頻率的兩倍,亦即頻率上限是100MHz的實(shí)時(shí)頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。
半導(dǎo)體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC,亦即,原理上儀器可達(dá)到2GHz的帶寬,為了擴(kuò)展頻率上限,可在ADC前端增加下變頻器,本振采用數(shù)字調(diào)諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴(kuò)展到幾GHz以下的頻段使用。
FFT的性能用取樣點(diǎn)數(shù)和取樣率來(lái)表征,例如用100KS/S的取樣率對(duì)輸入信號(hào)取樣1024點(diǎn),則輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn),則分辨率提高到25Hz。由此可知,輸人頻率取決于取樣率,分辨率取決于取樣點(diǎn)數(shù)。FFT運(yùn)算時(shí)間與取樣,點(diǎn)數(shù)成對(duì)數(shù)關(guān)系,頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí),要選用高速的FFT硬件,或者相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片。例如,10MHz輸入頻率的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間80μs,而10KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間變?yōu)閙s,1KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間增加至640ms。當(dāng)運(yùn)算時(shí)間超過(guò)200ms時(shí),屏幕的反應(yīng)變慢,不適于眼睛的觀察,補(bǔ)救辦法是減少取樣點(diǎn)數(shù),使運(yùn)算時(shí)間降低至200ms以下。

噪聲特性
由于電阻的熱敏效應(yīng),任何設(shè)備均具有噪聲,頻譜分析儀亦不例外,頻譜分析儀的噪聲,本質(zhì)上是熱噪聲,屬于隨機(jī)性(Random),它能被放大與衰減,由于系隨機(jī)性信號(hào),兩噪聲的結(jié)合只有相加而無(wú)法產(chǎn)生相減的效果。在頻帶范圍內(nèi)也相當(dāng)平坦,其頻寬遠(yuǎn)大于設(shè)備內(nèi)部電路的頻寬,檢測(cè)器檢知的噪聲值與設(shè)定的分辨率頻寬(RBW)有關(guān)。由于噪聲是隨機(jī)性迭加于信號(hào)功率上,因此顯示的噪聲準(zhǔn)位與分辨率頻寬成對(duì)數(shù)的關(guān)系,改變分辨率頻寬時(shí)噪聲隨之變化,噪聲改變量相關(guān)的數(shù)學(xué)式如下所示:
例如:頻寬從100kHz(BW1)調(diào)整到10kHz(BW2),則噪聲改變量為:
亦即降低噪聲量10dB (為原來(lái)的1/10),相對(duì)提高訊號(hào)與噪聲比10dB。由此可知,純粹要降低噪聲量,使用窄寬度的頻寬將能達(dá)到目的。不論噪聲來(lái)之于外部或內(nèi)部產(chǎn)生,量測(cè)時(shí)均將影響信號(hào)振幅的準(zhǔn)確性,特別在低準(zhǔn)位信號(hào)時(shí),更是如此,噪聲太大時(shí),甚至掩蓋信號(hào)以致無(wú)確判斷信號(hào)的大小,影響量測(cè)質(zhì)量的兩種噪聲可概括為下列項(xiàng):
⑴.產(chǎn)生于交換功能的數(shù)字電路、點(diǎn)火系統(tǒng)與DC 馬達(dá)脈沖噪聲,這類(lèi)噪聲常見(jiàn)于EMI(Electromagnetic Interference)的討論領(lǐng)域里。
⑵. 隨機(jī)性噪聲來(lái)之于自然界或電路的電子移動(dòng),又稱之為KTBW (或稱熱敏)噪聲、Johnson 噪聲、寬帶噪聲或白氏(White)噪聲等,本書(shū)主要以熱敏噪聲為重點(diǎn),數(shù)學(xué)式為:
Pn =kTBW ,⑸
其中:Pn =噪聲功率= 3.98*10?21 瓦/Hz 或-174dB/Hz
k=Boltzman 常數(shù),1.38*10?23 joule/oK
T=溫度表示的常溫=290 oK
BW=系統(tǒng)的噪聲功率頻寬(Hz)。
在4MHz、75 Ω、290 oK 時(shí)的噪聲功率為-59.1dBm。由噪聲功率得知,信號(hào)頻寬降低,系統(tǒng)噪聲功率隨之降低,信號(hào)的質(zhì)量以信號(hào)噪聲比表示
(SNR;Signal-to-Noise Ratio),信號(hào)強(qiáng)度(單位為dBm)與系統(tǒng)噪聲功
率(單位為dBm)的相減值即為信號(hào)噪聲比,數(shù)學(xué)式為:
匹配因素
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