频谱分析仪25问

原创加油射频工程师 2022-10-26 12:40

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1. 频谱仪的分辨率是怎么获得的呢？

在频谱仪上要区分两个相邻的信号，需要把RBW设置到合适的值。这个RB是通过频谱分析仪里面的滤波器实现的。为了获得10Hz到10Mhz的RBW,频谱仪一般使用三种滤波器，覆盖不同的RBW。分别为模拟滤波器，数字滤波器，FFT。

2. 为什么频谱分析仪没有信号的相位信息呢？

FFT的结果中包含了信号的相位信息。但是在频谱仪的测试结果中，只能看到幅度结果，找不到被测信号的相位信息。即使是正弦波也没有。

这是因为，在IF滤波器后面跟着包络检波器，所以只保留了信号的幅度特性，而相位特性则丢失了。

3. 测试正弦信号时，为什么VBW设置的再小，信号幅度也不会有变化呢？

包络检测器的后面为视频滤波器(video filter)，它定义了视频带宽（VBW）。视频滤波器滤除信号中的噪声中，可以平滑显示的迹线、使显示稳定。

正弦信号的包络恒定，所以经过包络检波器后，得到的是直流，所以视频滤波器的带宽大小不会影响信号幅度，即减小VBW的值，不会对其正弦信号的幅度产生影响。

4. 如果扫描时间(sweep time)被设置的太小会怎么样？

扫描时间与滤波器的瞬态响应有关。如果扫描时间被设置的太小，中频滤波器或视频滤波器无法达到稳定状态，从而导致幅度损失和信号显示失真（频率偏移）。

为了避免由于扫描时间短而导致的测量误差，频谱仪在正常工作模式下，是将分辨率带宽，视频带宽，扫描时间和span联动。四者之间，改变其中一个，剩下的三个会跟着改变。

在进行手动设置时，如果最小扫描时间没有满足，频谱仪通常会显示警告，比如UNCAL警告。

5. 怎么确认DUT的三阶互调产物的幅值没受混频器本身的影响？

频谱仪自身也会有非线性特性，这主要是由频谱仪内部的混频器和放大器产生。而频谱分析仪前端的衰减器基本不产生互调产物。

频谱分析仪自身的互调产物会受衰减器的设置值的影响，但是DUT的互调产物不会。所以如果调节混频器的衰减值时，三阶互调产物的值保持恒定，那就说明所测到的DUT的互调产物的幅度是正确的。

6. 频谱仪射频输入口的DC voltage是指什么？

对于工作在DC-coupled模式的频谱分析仪，该值对应于混频器能承受的最大直电源。大小通常为0V。

对于工作在AC-Coupled模式的频谱分析仪，该值对应于频谱分析仪输入处耦合电容器的介电强度。大小通常为50V。

7. 使用RMS检波器的时候，需要注意什么？

不管输入信号的时间特性，RMS检测器均能够测量其实际功率。

RMS检波器不允许通过减小视频带宽或者多条迹线求平均来平滑曲线。在使用RMS检波器时，VBW需要至少是RBW的3倍，以避免视频电压平均，因为这会导致类似噪声的信号权重不足，从而导致信道功率过太低。。

数字调制信号类似于噪声信号，对该种信号进行信道功率测量时，第一选择为RMS检波器。选用sample检波器，还需要费心换算。

8. 使用sample检波器的时候，需要注意什么？

Sample检波器，与RMS检波器不同，它是从分配给pixel的样本中选择一个值进行显示。所以如果要显示的SPAN远大于分辨率带宽（SPAN/ RBW>频率轴上的像素数），信号可能无法以正确显示。

在测量高斯噪声时，使用sample检波器时，其显示的迹线大约在噪声引起的IF信号包络的平均值附近变化。该平均值比RMS值低1.05 dB。如果对数电平显示模式下且VBW 下平均噪声，则显示的平均值又低1.45 dB。总共比RMS值低2.5 dB。

9. 什么时候用频谱仪的average功能？

频谱仪的average功能，可以通过对多次测量（扫描）进行平均，以平滑显示的迹线。用户可以输入要平均的扫描数。

但是有时候，这种平均方法会导致结果与使用窄带视频滤波器时的结果不同。

当使用sample检波器时，在对数电平显示模式下，显示的平均值比实际值低1.45 dB。在线性电平显示模式以及大视频带宽（VBW≥10·RBW）的情况下，可以获得真实的平均值。

对于RMS检测器，在线性模式或对数电平模式下均不允许轨迹平均。

10. 频谱仪的marker function重要不？

现代光谱分析仪使用LCD显示器来显示记录的光谱。因此，电平和频率显示的分辨率都受到象素限制。

所以频谱仪都使用marker function来进行突破该限制，以高的分辨率确定结果。

11. 扫描时间(sweep time)和RBW、VBW之间的关系

频谱仪的最大允许的扫描速度受IF滤波器和视频滤波器的瞬态响应限制。

如果VBW大于RBW，RBW降低N倍，则所需的最小扫描时间将增加N的平方倍。

如果VBW小于RBW，所需的最小扫描时间受视频滤波器的瞬态响应影响。将视频带宽减小N倍会导致扫描时间延长N倍。

12. 参考电平和衰减器的设置

参考电平是指频谱仪要显示的最大信号电平，即其屏幕上顶格的那个。RF衰减值和IF增益会根据参考电平自动调整。

为了避免大信号输入引起混频器及后续电路的非线性，需要设置RF衰减器的值。前端衰减器的大小会影响频谱仪的小信号识别，所以需要合理设置。

同时，为了获得对数放大器和包络检波器（模拟IF滤波器）或A / D转换器（数字IF滤波器）的总动态范围，需要调整IF放大器的增益。

13. 为什么参考电平设置的很小的时候，频谱仪自动给设置的衰减器的值还是10dB呢？

频谱仪会依据一定的标准，对参考电平和衰减器进行联动设置。一般标准是，保证level at input of first mixer with full drive=REF LEVEL-RF attenuation。

在非常低的参考电平下，比如-50dBm，频谱仪也始终会设置至少10 dB的RF衰减。这是因为，这样做，一则可以保护混频器，二来实现了良好的输入匹配，可以减少由于不匹配带来的测量误差。

14. Overdriving会在频谱仪的哪些点产生呢？

混频器，模拟中频处理器件(比如说对数放大器、包络检波器、ADC等)：

15. 如果我要测试30MHz的信号(-50dBm)，但是在1GHz处有一个比较大的信号(0dBm)。那我可以不借助滤波器，准确地测试出30MHz信号的性能么？

如果频谱仪具有预选滤波器(很多频谱仪采用YIG滤波器作为预选滤波器)，则可以认为相当于在频谱仪前面接了个滤波器。那自然可以准确测试出30MHz信号的性能。

没有预选滤波器的情况下，即使大信号过度驱动了混频器(该大信号不能被准确测量)，但是由于中频滤波器的作用，其旁边的小信号的幅度仍然能被准确测量。

16. 什么时候能得到频谱仪的最大灵敏度？

当然是RF衰减器设置为0dB的时候啦。如果这样还达不到你要的测试要求的话，可以外接LNA，但是要将LNA的增益考虑进去。

17. 当相邻很近的大小信号(比如间距100KHz)一起进入频谱仪的时候，除了和频谱仪的动态范围有关，还受什么影响？

频谱仪本质上就是一个接收机，所以和接收机的干扰信号抑制指标一样，对大小信号中的小信号的检测能力，还取决于本振的相噪。当年，因为干扰信号抑制指标要求比较高，所以经常和其他项目组的同事商量，共用那台高级频谱仪。

18. 频谱仪中的本振的环路带宽可调么？

频谱仪的本振环路带宽分三种：Wide PLL bandwidth,Medium PLL bandwidth,Narrow PLL bandwidth。

三种带宽的相位表现形式不一样：

PN大小（环路带宽内）：Wide BW

PN大小（环路带宽外）：Wide BW>Medium BW>Narrow BW

这三种环路带宽，频谱仪会自动根据测试场景进行调节。

比如当测试范围比较宽的时候，环路带宽外的相噪影响比较大，所以这个时候，频谱仪会自动选择Narrow PLL Bandwidth.

19. 为什么频谱仪在低频端(9KHz)的底噪会比较差？

当输入频率很低的时候(比如9KHz)，则LO的频率和IF的频率很接近。当RBW比较大时(0.5*BIF>fin)时，中频电路对LO频率抑制很小，本振信号也进入后面的检波电路，在屏幕上显示出来。该现象被称为LO feedthrough.可以通过减小RBW，来减小LO feedthrough.频谱仪厂家可能也会采取一些措施，来减少LO馈通。

20. 你给频谱仪输入一个信号，发现频谱仪上出现一个你和原信号之间找不到任何关联的信号，这是什么原因?

就如接收机的指标一样，频谱分析仪也有中频抑制度、镜频抑制度、用杂散响应。所以有时候，遇到屏幕上出现不明杂散的时候，可以先排除一下仪器的原因。

21. 测量低信噪比的数字调制信号，直接读数可以么？

测量低信噪比的数字调制信号时，使用RMS检波器。先输入信号，读出数值X，即S+N；然后只测量噪声，读出数值Y，即N；然后列个方程，即可得到S=x-y(其中x,y为X和Y的线性值)。文献中，采用了校准系数的方法，我算了几个列子，列个方程和采用校准系数，结果基本一致。

22. 对于手动操作和远程操作时，频谱仪的完成一次测量的时间一样么？

对于手动操作，一次测量，频谱仪需要的时间=sweep time+data processing+display

对于远程操作，一次测量，频谱仪需要的时间=sweep time+data processing+display+data output via IEEE bus

所以远程操作时，为了提高测试效率，可以将关掉屏幕显示。

23. 如果用频谱仪来测量相噪，你怎么确定你的相噪没有受到频谱仪底噪的影响呢？

先测量输入信号的相噪，并用频谱仪的记录功能，记录下相噪曲线。然后保持频谱仪设置不变，并且不给频谱仪输入，测出频谱仪的底噪。如果底噪在相噪曲线的下方，且低10dB以上，可以认为基本没影响(文献上说，只需要有个清晰的差别，我觉得应该是10dB以上)。否则的话，可以认为测到的相噪是不准确的。这边所说的测试相噪还是在频谱仪的测试频谱界面，不是指其专门测试相噪的界面。

24. 在进行ACPR(adjacent channel power ratio)时，RBW、VBW、检波器应该如何选择呢？

RBW设置为信道带宽的1%~3%, VBW>3*RBW，最好选择RMS检波器。并避免trace averaging.

25. 频谱仪与功率计相比，功率测量精度较差。但是进行杂散或相邻信道功率测量时，则选频谱仪。那怎么能知道频谱仪测量的误差范围呢？

可以计算出总测量不确定度。

Level Uncertainty Calculation for R&SFSV Signal and Spectrum Analyzer(该文献下载：链接：https://pan.baidu.com/s/1xElwLn3-UcgNkQSvC9AnMQ 提取码：fc99)介绍了一种计算总测量不确定的方法。