用頻譜分析法測量數字信號電平 (圖)

　　概述

　　電壓是電子學的基本參數，也稱電平。電平和電壓是同一個參數，一般來說，它們的區別在于單位不同。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。

　　電信號的電平，一般都是用正弦波的有效值為基準，以熱電偶測量功率來定度它的電壓值（電平值），我們也叫做電平（電壓）的有效值。這就是說信號電平和功率之間是以熱電偶所產生的熱量來聯系的。我們知道，電功率是與信號波形無關的，而對于電平來說，我們所定度的正弦波那一定是無失真正弦波，否則要引入誤差。

　　為了準確地測量信號的電平，一般正弦波信號不言而喻地用常規電平表示測量有效值，如果是脈沖信號則一般測量它的峰值。在電視信號測試中，因為視頻信號相當復雜，其信號大小是以行同步脈沖的峰值來定度，因此測定行同步脈沖峰值。

　　隨著數字技術的發展，數字通信、計算機網路，數字電視的發展，各種調制的數字信號出現，它們怎樣測量，這是一個非常重要的問題。目前常見的數字信號有FSK、PSK、ASK、CDMA、TDMA、FDMA、QPSK、QAM等。從測量的角度來看，無論那種調制數字信號，都可以把它當作在一定帶寬內的噪聲來對待。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。

　　頻譜儀通常是測量正弦波的電平有效值，因此在測量數字信號時極不準確。在這里，將論述幾種用頻譜儀測量數字信號的方法，普通光標法、噪聲光標法以及信道功率測量法。

　　頻譜儀的普通光標法
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　　用頻譜儀測量某個信號通常的做法是把光標放在信號上并讀出讀數，見圖1。但這個光標給出的讀數不太正確。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，盡管此時信號本身并沒有發生任何變化，圖2上的信號電平（從光標上讀出）為13.1dBmV，而不是圖1所讀出的8.2dBmV。再則整個掃描波形在顯示屏上向上方移動了（然而信號和參考電平實際上沒有任何變化）。引起這種現象的原因是頻譜儀所測量出的讀數值是落入分辨率帶寬濾波器之內的所有信號的總功率。當分辨率帶寬增加（從10kHz～30kHz），在濾波器帶寬內的能量也增加，這樣就引起了顯示圖形上的變化。

　　熟悉用頻譜儀測C/N的工程師都很清楚這種現象，這種由分辨率帶寬引起的誤差是可以修正的。現在我們想測量出數字信道的總功率，就需要將顯示的功率轉換為信道功率，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

　　這個修正因子是必須要的，因為對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，一個10kHz的濾波器的噪聲帶寬并不是絕對10kHz，它有個矩形系數問題。修正因子中的另一個因素是對數放大器，因它把輸入信號變成對數形式的顯示，這個對數放大器并不能很合適轉換噪聲類型的信號。總的修正因子通常為1～2dB，可以從頻譜儀廠家獲得這個修正值。

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　　用頻譜儀測量數字信號應使用采樣檢波器，而不是峰值檢波器。而同時視頻帶寬必須設置足夠低使得信號看上去很平滑，一次次掃描測量圖形不出現明顯變化。

　　頻譜儀噪聲光標法

　　噪聲光標法是目前測量像數字信號這樣的噪聲類型的信號電平的最好方法，在大多數新型的頻譜儀上都有這種功能。它通過用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，分辨帶寬的設置并不改變噪聲光標的讀數。

　　當使用某些特定的頻譜儀時，有件事要注意。被測信號一定要填充（跨越）顯示屏的幾個格子，即信道帶寬盡可能接近頻譜儀掃描帶寬。這是由于噪聲光標所顯示的值實際上是1～2個格子中所有噪聲的平均值。圖4表示了不正確的測量情況，其被測信號與圖3是相同的，但是其掃描帶寬增加了，結果信號顯得很窄，連一個格子也沒有充滿，此時的噪聲光標讀出的是 -32.2dBmV/Hz，而不是-30dBmV/Hz，這是因為它把信道旁邊的真正噪聲功率也一起平均，而那里不含有任何信號功率。如果仔細看這張圖，你會發現光標的上下位置實際上比信號所顯示的曲線要低一些。

　　信道功率測量法

　　為了測試方便，有些最新的頻譜儀擁有特別設計的算法來修正前面提到的所有誤差，并直接顯示數字信道的實際功率電平值。這項功能很有用，它避免了測量中的錯誤。你可以按照廠家提供的簡單測量步驟完成準確的測試。

　　在CATV測量儀器中，為了測量數字頻道功率，也采用這種方法測量。如美國安科特納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的數字信號平均功率電平。

　　綜合上述，功率計是唯一能給出絕對正確的數字信號功率的儀器，如果使用正確，帶有信道測量功能或噪聲光標的頻譜儀也能給出非常準確的結果。確保每個人都能測到相同結果的最好和最簡單的方法就是用你所喜愛的方法和功率計的讀數比較，兩種方法的差可作為系統修正因子來修正。只要被測的信號類型和所用的設備（以及設備上的設置）不做改變，這個修正因子就有效。隨著數字設備的迅速發展，在一些專用設備（如CATV分析儀）和新型的頻譜分析儀都直接有數字信道平均功率電平測量功能，其原理都引入本文的概念。