頻譜儀在信號功率測量中的應用

頻譜儀功率測試原理

根據現代超外差式頻譜分析儀原理(見圖2)，進入頻譜儀的射頻信號經過混頻器變為中頻，中頻濾波器對此信號的帶寬進行限制(RBW)，再經電壓包絡進行檢波，然后經視頻濾波器，最后通過數字檢波器的計算得到測試頻譜。

圖2 現代超外差式頻譜分析儀原理框圖

可以明確：對于正弦連續波的功率測試，只要信噪比足夠高，頻譜儀的測試設置相對簡單，本文不做過多敘述。本文主要針對模擬和數字調制信號以及噪聲信號進行準確功率測試的原理分析及儀器設置，并對其帶來的誤差項進行評估。

檢波器的作用及類型

現代頻譜儀的檢波器通常是數字的，是一些加權算法，是對視頻信號的處理和計算。對應頻譜上每一個顯示像素點，都有N個采樣值，如圖3所示。

圖3 中頻信號經包絡檢波器和視頻濾波器輸出視頻信號及其采樣

檢波器有多種，包括自動峰值檢波器、最大(小)峰值檢波器、平均值檢波、均方根檢波器(RMS)等。

RMS檢波器中計算對應于每個像素點的所有采樣值的均方根。結果為像素點對應頻寬內的信號功率。在RMS計算時，包絡的采樣值要求采用線性刻度，且：

檢波器和平均功率

現代頻譜儀的檢波器包括兩部分：包絡檢波器獲得正弦波的均方根值(峰值電壓的0.707倍);數字檢波器為取值加權算法。頻譜儀內的檢波器是電壓檢波器，頻譜儀顯示功率測試值的方法是：Pi=Vi2/R，頻譜儀通常是50歐姆阻抗，因此：

其中pi是頻譜功率顯示點，Vi是電壓采樣點，R是頻譜儀阻抗。

根據以上推論，要通過頻譜儀獲得平均功率，必須選擇真正的RMS檢波器。

為什么要平均

對于噪聲和類噪聲信號的頻譜，需要對蹤跡進行平滑以獲得穩定的讀數，也就是頻譜儀對測試結果進行平均。平均的結果是對噪聲和類噪聲信號進行平滑，即去除頻譜“毛刺”，對于單頻點連續波信號的測試值來說，結果沒有改變。

由于頻譜儀進行功率測試時，功率值是通過電壓采樣和檢波值計算而得，因此，測試人員必須清楚由于平均對測試值帶來的影響，否則就會得到錯誤結論。

根據概率論，帶內高斯噪聲分布為瑞利分布。對于瑞利分布的噪聲，當采樣足夠多時，標準偏差(σ)與平均誤差(算術平均值)(

)之間具有如下關系：

對于頻譜儀來說，中頻信號經包絡檢波器后獲得電壓有效值(RMS)，因此平均誤差(

)幅度包絡要除以，因此，在頻譜儀測試過程中，

所以，在頻譜儀測試時，電壓包絡線性平均值對應的功率值(

2)比真正的平均功率(RMS檢波所對應的s2)小1.05dB。

對數平均與線性平均的關系

根據窄帶高斯噪聲的統計分布，帶內高斯噪聲分布為瑞利分布。

式中，ρ為噪聲隨機包絡，?為噪聲的隨機相位。

電壓采樣值線性平均后取對數：

電壓采樣值對數值平均(幾何平均)：

可見，對于窄帶高斯白噪聲，對數平均比線性平均低1.45dB。即頻譜儀測試時，采用對數平均(對數放大器打開)，對于電壓測試值來說，幅度包絡進行對數加權運算，對大信號放大的增益小，對小信號放大的增益大。在對數平均的情況下，要比線性平均小1.45dB，比真實平均功率小2.5dB。