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频谱仪带宽和检波器详解

 笑笑生77uvusv8 2020-09-23

频谱仪的设置中,带宽和检波器的设置非常重要,不同的设置带来不同的测试结果,用户在使用中如何正确设置?不同设置的读数差异如何理解?

在前文《频谱仪基础功能使用技巧》中,简化介绍了频谱仪的参数设置。本文进一步深入探讨频谱仪带宽和检波器的工作原理,帮助掌握频谱仪参数设置规则,从而理解测试结果的含义,及其不同参数设置带来的差异。

本文探讨的内容要点:

  • 频谱分析模式,未涉及宽带矢量分析模式

  • RBW定义、实现方法、扫描方式及其设置规则

  • 检波器定义、实现方法及其设置规则

  • 不同设置得到不同频谱读数的原因分析

分辨率带宽RBW

频谱仪分辨率带宽RBW,是指中频数字滤波器的-3dB频率宽度,体现频谱的频率最小间隔,也就是频率分辨率,现代频谱仪的RBW通常是数字滤波器的带宽。

RBW工作模式,通常有FFT模式和频率扫描Sweep模式。

  • FFT模式,本振扫描方式是步进的,STEP频率间隔较大,I/Q基带滤波器带宽大于STEP的1/2,每个测试点多点IQ信号采样,并进行FFT和数字滤波,采样率以及采样和过采样点数决定了频率分辨率,即RBW的数值,数字滤波器决定高斯形状及其形状因子。

  • Sweep模式,本振连续扫描,微小步进远小于RBW,I/Q数字基带滤波器组合成数字中频滤波器,并决定其形状和RBW,每个测试点得到1对I/Q数据。

  • 当前数字技术的发展,确定了FFT模式成为主流,尤其在较小RBW设置情况下测试速度优势明显,Sweep模式应用于-3dB高斯滤波器以外的其他类型滤波器,例如5极滤波器、RRC和信道滤波器等。另外,较大RBW(如>1MHz)的工作模式,一般采用Sweep。

  • Auto模式,根据测试带宽和测试时间等参数,按照上述规则,自动选择设置合适工作模式。

FFT模式

Sweep模式

动态示意图展现了频谱扫描方式与RBW滤波器,上图蓝色曲线代表中频滤波器的形状,因为本振的扫描,在频域上,中频滤波器和输入单载波位置发生相对变化,变化过程中,红蓝两线的交点变化形状与滤波器形状完全相同,而且此交点幅度对应此时中频电平,下方图示在载波频点处,放大观察的频谱绘制过程。

RBW设置:

  • 首选依据测试标准设置值,没有标准的情况下,兼顾频率分辨率、速度和灵敏度。

  • 减小RBW:频率分辨率提高,测试速度减慢,灵敏度提高、底噪声下降10lg(RBW1/RBW2)。

  • 通用频谱模式选择 -3dB带宽,EMI测试选择-6dB带宽定义。

  • 扫描方式FFT/Sweep自动设置Auto是自动最佳模式选择,无需手动切换设置。

视频带宽VBW

视频滤波器的作用使曲线变得平缓,是低通滤波器,带宽是VBW,VBW越小,曲线变化越平坦。现代频谱仪中的视频滤波器是数字低通滤波器,与多次平均的效果类似。视频滤波器去除噪声和毛刺,通常不影响窄带信号频谱测试电平的准确性。

VBW设置:

  • 首选依据测试标准设置值。

  • 通常设置VBW≥RBW。

  • 噪声信号分析时,可采用较小的VBW,获得平缓的均值。

检波器Detector

检波器是用来检测信号电压包络电平值的器件,在现代频谱仪中,检波器是一组算法,作用于中频I/Q采样值的电平模值。

图中显示检波器的算法,横轴是频率轴,纵轴对应中频电压包络;

虚线隔开的两个部分,各自对应了测试频谱上相邻的两个显示频点(Pixel n,n+1);

上半部分,是N个采样点和测试点,示意图中N=5,实际频谱仪应用中,样点数远大于此,数组V={v1,v2,...,vn}

最大峰值Max Peak
所有采样值中取一个最高值显示出来,算法max(V)
最小峰值Min Peak
在采样值中选一个最小值显示在像素点上,算法min(V)
自动峰值Auto Peak
同时显示最大及最小峰值,两点之间用垂直线相连
取样Sample
对中频信号的包络N个采样值只显示一个,如第一个,而且频谱上所有显示点均按照此规则,每N个点中只取第一个作为显示像素点,算法Vx=v1
均方根RMS
所有采样值的均方根,算法rms(V)
平均值AV
计算像素点对应的所有采样值的线性平均,算法mean(V)
准峰值QP
用于EMI干扰测量在标准中定义了充放电时间和脉冲响应的检波器

检波器设置:

  • RMS检波器得到平均功率

  • 由频谱分析扫描宽带SPAN和测试点数Points决定的频点间隔STEP=SPAN(Points-1),如果STEP>RBW,每个测试Point对应的N个频率不同的RBW采样点,那么不同检波器的读数有差异,例如,频谱仪输入单载波CW信号,STEP>RBW时,Peak (Max或Auto)读数等于信号实际电平,其它类型检波器的读数,小于实际值。

  • 频谱仪扫描时间(扫描速度)决定了采样点数量,相对较长的测试时间,可获取更多的样点,对于RMS和AV检波器的数值越稳定。

特别注意

  • 根据以上分析,要保证频谱数据准确,注意SPAN和点数设置,确保STEP<0.5*RBW.

  • 自动设置的扫描时间Auto sweep time是最短时间,而最佳的扫描时间设定方法,首先Auto,然后适当提高扫描时间,一般不小于100ms,这样设置更加准确。

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