怎么用频谱仪测量微弱信号 – RBW

频谱分析仪的主要用途之一是搜索和测量微弱电平信号。这种测量的最终限制是频谱仪自身产生的噪声。这些由各种电路元件的随机电子运动产生的噪声经过分析仪多级增益的放大最后作为噪声信号出现在显示屏上。

 

该噪声在频谱分析仪里通常称为显示平均噪声电平 (Displayed Average Noise Level,DANL ),也俗称为频谱仪的底噪或者灵敏度。

 

虽然使用一些技术可以测量略微低于 DANL 的信号,但是 DANL 始终限制着我们测量低电平信号的能力。事实上,如果一个输入信号接近于 DANL 的话,频谱仪对该信号的测量结果为 DANL+2.1~2.2 dB。如下图所示。

 

 

RBW,学名分辨率带,一般指频谱分析仪中频滤波器的 3 dB 带宽,是频谱分析仪一个非常重要的测试参数。

 

RBW(Resolution Bandwidth)代表两个不同频率的信号能够被清楚的分辨出来的最低频宽差异,两个不同频率的信号频宽如低于频谱分析仪的 RBW,此时该两信号将重叠,难以分辨。较低的 RBW 固然有助于不同频率信号的分辨与测量,但是低的 RBW 将滤除较高频率的信号成份,导致信号显示时产生失真。失真值与设定的 RBW 密切相关,较高的 RBW 固然有助于宽频带信号的侦测,但是这将增加噪底(Noise Floor),降低量测灵敏度,对于侦测低强度的信号易产生阻碍。因此适当的 RBW 宽度是正确使用频谱分析仪的重要参数。

 

调整 RBW 而信号振幅并无产生明显的变化,此时之 RBW 带宽即可加以采用。

 

较宽的 RBW 较能充分地反应输入信号频谱的波形与振幅,但较低的 RBW 将能区别不同频率的信号。也就是说 RBW 代表两个不同频率的信号能够被清楚的分辨出来的最低带宽差异,两个不同频率的信号带宽如低于频谱分析仪的 RBW,此时该两信号将重迭,难以分辨,较低的 RBW 固然有助于不同频率信号的分辨与量测,低的 RBW 将滤除较高频率的信号成份,导致信号显示时产生失真,失真值与设定的 RBW 密切相关,较高的 RBW 固然有助于宽带带信号的侦测,将增加噪声底层值(Noise Floor),降低量测灵敏度,对于侦测低强度的信号易产生阻碍。

 

下面这幅图解释了不同 RBW 对灵敏度的影响:

 

 

如果还是不够理解,可以看下面这幅图,更加形象:

 

 

RBW 也会影响信噪比或灵敏度。这是因为频谱仪自身产生的噪声是随机的并且在较宽频率范围内保持了恒定的幅度,因此,通过滤波器的总噪声功率由滤波器的带宽决定。

 

所以如果将分辨率带宽改变 10 倍,显示的噪声电平会改变 10 dB,如下图所示。

 

 

对于连续波(正弦波)信号,使用频谱分析仪所提供的最小的分辨率带宽将会获得最佳信噪比或灵敏度 2。但需要注意的是,降低分辨率带宽会延长扫描时间。

怎么用频谱仪测量微弱信号 – 输入衰减器篇

 

这一篇我们谈一谈输入衰减

 

 

衰减器是在指定的频率范围内,一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。

 

衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏电阻相配合组成可变衰减器,装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。

 

衰减器广泛的应用于电子设备中,它的主要用途是:

1、调整电路中信号的大小

2、在比较法测量电路中,可用来直读被测网络的衰减值

3、改善阻抗匹配,若某些电路要求有一个比较稳定的负载阻抗时,则可在此电路与实际

 

负载阻抗之间插入一个衰减器,能够缓冲阻抗的变化。

 

常用的固定衰减器有 L 型、T 型、桥 T 型、π型等,其中 L 型属于不对称衰减器,主要用于阻抗匹配;而 T 型、桥 T 型、π型属于对称衰减器,主要用于衰减。经典的三种π型衰减器、T 型衰减器和桥型衰减器,衰减效果较好,但是对于高频小信号,无源衰减网络选择π型或 T 型网络更加适合,因此选择π型网络做衰减。

 

作为频谱分析仪的第一部分电路,输入衰减器的作用是保证信号输入到混频器时处在合适的电平上,从而防止发生过载、增益压缩和失真。

 

由于衰减器是频谱仪的一种保护电路,所以它通常是基于参考电平值而自动设置,不过也能以 10 dB、5 dB、2 dB 甚至 1 dB 的步进来手动选择衰减值。

 

在频谱分析仪中,内部的微处理器可以改变中频增益从而补偿输入衰减器的变化。所以当改变输入衰减器时,分析仪输入的信号在显示器上的位置并不改变,只是显示的噪声上下移动。这时参考电平保持不变。如下图所示,当衰减从 10 dB 增加到 20 dB,DANL 上升而信号电平保持不变。

 

 

最小的输入衰减(0 dB)将会获得最佳信噪比,但不幸的是此时的阻抗匹配也是最差的,因此最好尽量避免 0 dB 的设置。当被测信号远大于噪声电平时,可以设置为自动衰减。当信噪比较小 (一般 ≤ 7 dB) 时,我们需要使用较低的输入衰减,以获得更高的信噪比,避免因为噪声功率和信号功率接近而导致偏高的测量误差。