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用頻譜分析儀測量十分臨近和相對弱小的信號解決方案

日期:2022-03-22 02:43
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摘要:

隨在用頻譜分析儀測量信號時,正確地設定分辨率帶寬( RES BW),是減少測量誤差、捕捉兩個十分鄰近和相對弱小信號的關鍵。我們知道,分辨率與頻譜儀中頻濾波器(IF濾波器)的帶寬有關,帶寬越窄,分辨率越高。除了濾波器的帶寬之外,形狀因數(shape factor)、濾波器類型、剩余調頻(residual FM)和噪聲邊帶也是設定分辨率帶寬時應考慮的因素。下面,我們將依次分析每一項。

首先,我們注意到,測試信號在頻譜分析儀顯示屏上不可能顯示為無限細的線,它本身有一定的寬度。當調諧通過信號時,其形狀是頻譜分析儀自身分辨率帶寬( IF濾波器)形狀的顯示。這樣,如果改變濾波器帶寬,就改變了顯示響應的寬度。規定分辨率帶寬為濾波器的3dB帶寬。3dB帶寬告訴我們如何將兩個相隔十分鄰近的等幅信號彼此分開,一般的說,如果兩信號的間隔大于或等于所選用分辨率帶寬濾波器的3db帶寬,兩個等幅信號就可以分辨出來。

例一,兩個等幅信號間隔 10kHz,用10kHz的分辨帶寬容易分開它們,因為兩個信號之間將有約為3db的下陷,很清楚,這表明了有一個以上的信號。

形狀因數(亦稱帶寬選擇性),是對頻譜分析儀分辨相鄰的不等幅信號的量度,對于給定的分辨濾波器,形狀因數是 60dB帶寬對3dB帶寬之比,通常頻譜分析儀IF濾波器具有≤15∶1的形狀因數。在我們測量兩個不等幅的鄰近信號時,如果小信號非常接近大信號,會因大信號而掩蔽小信號,換言之,小信號有可能掩埋在大信號的裙邊中。對于幅度相差60db的兩個信號,其間隔應至少是60dB帶寬的一半或小于一半(用近似3dB下降)。15∶1的形狀因數的含義是,1kHz分辨帶寬對應的60db帶寬是15kHz,它的一半是7.5kHz,如果大小信號間隔是10kHz,利用1kHz的分辨帶寬就能區分出它們。

例二,在上例中,兩個等幅信號間隔 10kHz,顯然,用10kHz分辨率區分信號是設有問題的,但是,對于相隔10kHz而幅度下降50dB的失真產物(小信號),則有可能被掩沒,如果3kHz濾波器的形狀因數是15∶1,濾波器下降60db的帶寬是45kHz,失真產物(小信號)將隱藏到測試信號(大信號)裙邊之下。重新設定一個分辨帶寬1kHz的窄帶濾波器,對應60dB的帶寬是15kHz,失真產物(小信號)就很容易被觀察到,因為60db帶寬的一半是7.5kHz,它小于頻帶的間隔10kHz,因此,本例測量所需設定的分辨帶寬應不大于1kHz。

影響分辨率的另一個因素是頻譜分析儀的剩余調頻,剩余調頻與頻譜分析儀的本地振蕩器的頻率穩定度相關,一個頻譜分析儀的分辨帶寬不可能做得非常窄,以致能觀察到它自身的不穩定度,如果它能夠這樣做,那幺我們將不能夠區分頻譜分析儀和加入信號兩者的剩余調頻,并且剩余調頻使顯示的信號模糊不清,以致在規定的剩余調頻內的兩個信號不能被分辨出來。這就意味著,頻譜分析儀的剩余調頻決定了可允許的*小分辨帶寬,同樣,它決定了等幅信號的*小間隔。用鎖相構造的本地振蕩器作為參考源可降低剩余調頻,也降低了*小可允許的分辨帶寬。高性能的頻譜分析儀之所以價格昂貴,就是因為它有較好的相位鎖定系統,具有較低的剩余調頻和較小的*小分辨帶寬。

噪聲邊帶 (亦稱相位噪聲),是一種調制邊帶,作為在信號響應的基底上的噪聲邊帶表現為不穩定性,這個噪聲可能掩蓋近端(靠近載波)低電平信號。換句話說,只考慮帶寬和形狀因數,我們可能會看到它,但是這些噪聲邊帶影響了高電平近端低電平信號的分辨率。邊帶噪聲一般只出現在*窄分辨帶寬的情況,因為較窄濾波器所需的響應時間較長,當掃描時間太快時,頻譜分析儀的分辨帶寬濾波器不能夠充分響應,即幅度下降、頻率向上移。為了保持正確的讀數狀態,我們應該遵循下面的掃描時間設置。

掃描時間≥ k×掃描間隔/(分辨率帶寬)2

從上式我們可以看到,同樣的掃描間隔( span),窄的分辨率帶寬(RES BW)意味著長的掃描時間(SWP)。這里,對于平頂濾波器,10≤k≤20,對于同步調諧模擬濾波器,2~5≤k。對于利用數字信號處理的頻譜分析儀,k≤1,這表明。,數字分辨帶寬有著優良的形狀因數和測量速度。一般頻譜分析儀能自動聯鎖掃描時間,根據選取的掃描間隔和分辨帶寬自動地選擇*快可允許的掃描時間,如果手動選取的掃描時間太快,顯示屏上會出現信息。

*后,需要指出的是,在測量中總會出現一定量的雜波,通常情況下雜波很小,可以忽略不計。但測量低電平信號時雜波問題就嚴重了,通常雜波占有很寬的頻帶,如果測量值含雜波電平,那幺測量誤差將會取決于雜波電平。分辨率帶寬較窄,允許雜波通過量較少,顯示器上的雜波層下降。分辨率帶寬變化 2倍,將導致雜波電平變化3dB。雜波電平的下降,可使原先被雜波掩蓋的較小信號也能測量到。如果我們通過調分辨率帶寬之后,信號依然接近噪聲(雜波),則可用調節衰減和視頻帶寬(VBW)來改進信號的可視度,對于衰減和視頻帶寬,本文不作具體分析。

綜上所述,適當窄的分辨帶寬,適當小的輸入衰減,適當的視頻帶寬(視頻帶寬≤ 0.1―0.01分辨帶寬)是我們用頻譜分析儀測量兩個十分鄰近或相對弱小的信號,減少測量誤差應掌握的基本方法。

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