原创 如何提高频谱仪的幅度测量精度

扫频式超外差频谱仪通过混频器把输入信号变换到中频(IF)，在中频进行放大、滤波和检波处理。预选滤波器(有时是低通滤波器)主要用于滤除镜像频率的信号，频谱仪屏幕上显示的参考电平和中频放大器的增益有关，该放大器只是调节信号在屏幕上显示的垂直位置，不影响输入衰减器端的电平。屏幕的横轴是频率，纵轴是测得的信号电平，一般以线形的电压Volt或对数形式的dB表示。

频谱仪的幅度精确度通常有绝对精度和相对精度两种。绝对精度指的是信号的功率电平精度，单位为dBm；而相对精度指的是测量两个信号之间差值的精度，其中的一个信号作为另一个的参考，例如测量谐波信号的时候，一般测量谐波和基波的功率比。通过测量一个幅度和频率非常准确的校准源，以上两种精度都可以得到提高。

频谱仪中前端的信号处理元件如放大器、滤波器和混频器都是幅度测量误差的来源。在许多频谱仪设计中，采用更好的元件可以提高精度。安捷伦科技的高性能频谱仪PSA系列(如图2)，采用了一整套数字中频滤波器，可以避免模拟中频滤波器的幅度变化。但是仅仅提高整个信号处理链路中的部分元件，还不足以消除所有的误差来源，更好的了解频谱仪各个模块之间的相互作用，有助于减小误差，提高幅度测量精度。

幅度测量的精度为什么这么重要呢？例如有些通讯标准要求调制的载波功率不能超过某个特定的值，这对绝对精度提出了要求；过多的谐波或杂散信号会对其他的通信系统产生干扰，这对相对精度也提出了要求，这些系统中的放大器必须满足特定的线形度要求，以保证不会产生较高的谐波和杂散信号，对于这些系统中的滤波器必须同时测量通带和阻带特性。

频谱各个元件之间的相互作用是误差的来源之一。表1列举了部分幅度测量误差的来源。大多数仪器厂商在其产品的指标中都会同时注明绝对和相对不确定度。因为相对不确定度对两种测量都有影响，因此本文将重点讨论相对不确定度。

频谱仪的频率响应平坦度是幅度误差的主要来源之一。该指标描述的是相对幅度不确定度和频率的函数关系，受输入衰减器、混频器、本振幅度和输入滤波器的频响平坦度的影响。频响的不确定度一般有绝对和相对两种表示方法。相对不确定度描述的是整个频率范围内，相对于中央频点的最大可能幅度不确定度，一般比相同频段的绝对不确定度要小。但是为了得到某个带内相对幅度测量的频响不确定度，相对频响指标值还要乘二，以反映整个带内频响的峰-峰值，这会导致其通常比绝对频响指标还要高。

频谱仪通常采用YIG调谐滤波器作为预选滤波器，YIG滤波器也会影响频谱仪的频响特性。该滤波器必须精确的调谐和对准，以避免引入额外的频响变化，由于本振的扫描速度有限，因此YIG滤波器还要加上一些延迟和补偿，以保证其中心频率和本振同步。频谱仪的前端通常还加一个低通滤波器，在测量YIG预选器不能达到的低端频率的信号时(通常2GHz以下)，该低通滤波器用于滤除高频信号。尽管该滤波器也会影响整体的频响特性，但是其影响比YIG滤波器小很多。

由于部分频谱仪采用谐波混频技术，仪器内部实际上有很多个混频频段，每个频段都有特定的频响，因此在各个频段之间切换的时候也会引入不确定度。例如PSA系列到26.5GHz的E4440A频谱仪，内部分五个混频频段，分别为：3 Hz 到3 GHz, 2.85到 6.6 GHz, 6.2到13.2 GHz, 12.8到19.2 GHz, 18.7到26.5 GHz。当设置的频率跨度(Span)超过两个混频频段时，仪器会自动切换内部混频频段，从而引入幅度不确定度。当测量两个处于不同混频频段的信号的相对值时，总的不确定度等于两个频段的频响之和加上频带切换不确定度。如果指标中没有注明频带切换的不确定度，可以用以校准源为参考的绝对频响参数，来确定各个频段的总测量不确定度(见表1)。

频谱仪中另一个不确定度的来源是量程的可信度。当测量两个位于不同垂直位置(量程)的信号时，不同量程的可信度就会影响结果。检波器和ADC的线性度、对数/线形放大器的线形度都会影响量程的可信度。对于大部分对数放大器而言，其线形度随着输入点评的降低而恶化。

对于幅度接近的两个信号，量程的不确定约为零点几dB，对于幅度相差很大的信号，这个不确定度可达2dB。典型的量程可信度指标为：±0.4 dB/4 dB其累积最大值±1.0 dB。其中±0.4 dB/4 dB这个指标对于幅度相近的信号适用，而累积指标对于幅度相差较大的信号适用。

当频谱仪要测量不同电平的信号时，其灵活度可以通过调节参考电平来实现，但是调节参考电平也会引入不确定度。参考电通和输入衰减器和中频增益有关，其范围可以从显示平均底噪(DANL)调节到其能承受的最大输入电平。调节参考电平实际上就是调节中频放大器的增益，中频放大器本身(和所有的放大器一样)其增益都会随着幅度和频率变化。因此测试过程中，任何参考电平的调节都会引入不确定度。

参考电平通常通过仪器内部的标准参考源(当然也可以用外部源)进行校准。和很多功率计内置的标准源类似，PSA系列频谱仪内置一个频率为50MHz，功率为-25dBm的标准源，其幅度精度为±0.24 dB(而ESA-E系列通用频谱仪的内置标准源的幅度和频率和PSA一样，但是精度为±0.34 dB)。因此当设置参考电平为-25dBm、衰减器为10dB的时候，频谱仪的测量精度最高，因为频谱仪参考电平相关参数就是在这个状态下进行校准的。

参考电平不确定度这个指标通常这样给出：如±0.3 dB 在-20 dBm，随着参考电平偏离-20dBm，这个指标会有一定增大。需要注意的是不同仪器的指标里对“参考电平不确定度”可能会用不同的名词。例如，安捷伦科技的8560系列便携式频谱仪指标中用“中频增益不确定度”这个词，而PSA系列则用“参考电平精度”这个词。

由于射频微波衰减器的衰减值会随频率变化(有时甚至随温度变化)，因此步进衰减器的精度也是频率的函数。另外，参考电平校准时的衰减器设置如果和实际测量的设置不一样，也会引入不确定度。大多数衰减器的精度都是随着频率的升高而恶化的，衰减器切换的典型不确定度为±1 dB。

由于模拟滤波器的频响不是很理想，不同带宽的滤波器之间的输出幅度特性会有较大的差别。因此测量时转换分辨率带宽滤波器也会引入不确定度，特别是使用模拟滤波器时。而数字滤波器在这方面的表现就很好，但是数字滤波器的实现成本更高，因此在ESA系列中档频谱仪中，数字中频滤波器只做到300Hz，更高带宽的滤波器模拟的。

而高端的PSA系列的中频处理部分则采用全数字设计，还包含FFT分析和数字是扫频接收机。该设计不但提高了幅度测量精度，而且还提高了扫描速度。

改变屏幕显示每一格的尺度也会影响测量精度。例如把每格10dB的尺度改为每格1dB，这时频谱仪的对数/线形放大器的特性会有变化，这也会引入不确定度。当然在测量中保持刻度不变，可以避免这种误差。典型的线形-对数转换不确定度在参考电平位置为±0.25 dB，但是如果频谱仪此时显示的是已经保存的轨迹，这个不确定度对测量就没有影响。

总的相对幅度测量不确定度受上述所有因素的叠加影响。有一些误差来源于改变设置，如果衰减器、分辨率带宽、参考电平等设置不变，相关的所有不确定度就可以排除，总的不确定度就可以减至最小。例如PSA系列频谱仪由于采用全数字分辨率带宽滤波器，因此在切换分辨率带宽时，不会引入额外的误差，其精度远比采用模拟滤波器的频谱仪高。

为了提高相对幅度测量的精度，最简单的方法是在测量的过程中不要改变设置：不要改变分辨率滤波器设置，但是像PSA这样采用全数字滤波器的，可以改变分辨率带宽滤波器；参考电平校准和实际测量时，保证采用同样的衰减器设置；测试过程中不要改变每一格的尺度。

连接频谱仪和被测件之间的信号传输网络会影响被测信号的特性，因此这些网络的特性也必须被补偿掉。通常采用频谱仪内置的幅度修正功能，加上测试信号源和功率计，可以测出该网络的频率响应特性，把测量的结果做成一个表格存在频谱仪内部，测量时用表格中的数据进行修正即可。对于某些测试中必须用的天线、电缆等附件，也可以用上述的办法进行补偿。并且仪器可以存储很多组数据，以应对不同的设置。

下面是一个典型的计算不确定度的例子，本例中被测信号的频率为1GHz，幅度为-20dBm。为了对比不同仪器的测试精度，选用了高端的PSA系列4440A和中端的ESA-E系列E4402A频谱仪。各项设置均相同：衰减器为10dB，频率跨度为20KHz，参考电平为-10dBm，扫描时间设为自动，分辨率带宽为10KHz，视频带宽为1KHz。环境温度为室温(+20 到 +30°C)，E4440A PSA(数字中频滤波器)的标称绝对幅度不确定度为±0.24 dB，而ESA(模拟中频滤波器)的指标为±0.54 dB。上述的两个数字分别加上两款频谱仪的绝对频率响应，其和就是最坏情况下的不确定度。对于更高频率信号，特别是谐波测试时，由于仪器要切换内部混频频段，其不确定度会更大。

采用数字中频滤波器可以有效地提高频谱仪的测量精度。测量过程中，合理的仪器设置也可以保证测试的结果能满足仪器给出的最佳精度。

作者：Pablo Estrada，安捷伦科技公司