频谱分析仪校准规范的解读

赵承军

(无锡市计量测试中心，无锡214101)



频谱分析仪校准规范的解读

赵承军

(无锡市计量测试中心，无锡214101)

频谱分析仪校准规范(以下简称规范)于2013年8月发布并实施。相对于频谱分析仪检定规程(以下简称规程)，内容有较大的变化。校准规范很好地解决了检定规程里的不合理或不正确的地方。为了更好的理解、应用规范，本文作者对规范与规程中不同之处给出解释。

频谱分析仪；规程；规范

0 引言

JJG 501—2000《频谱分析仪检定规程》是以HP8563E频谱分析仪为例来编写的，其他型号的频谱分析仪参照执行。实际情况是频谱分析仪种类繁多，性能参数也各不相同，因此，很难判断它们的计量性能是否合格。针对规程所存在的不足，2013年8月颁布了JJF 1396—2013《频谱分析仪校准规范》，以技术规范替换了检定规程。本文将从测量方法和项目两方面，讨论规范和规程之间的异同并分析其原因。

1 测量方法的异同

1.1 频率读数

规程里，信号源和频谱分析仪的参考频率输入/输出没有连接在一起。

规范里，把信号源和频谱分析仪的参考频率输入/输出连接在一起，这两者就同步了，从而取消了由于参考频率引入的误差。这样所测的频率读数误差全部由混频器引入的误差，更准确地反映了频谱分析仪的频率特性。测量的频率读数误差与参考频率的准确度无关。

1.2 扫频宽度

规程里，是调节信号源的频率，使频谱仪峰值分别向左、右移到靠边框一格，然后计算带宽。手动调节会引入视觉误差和调节频率步进误差。

规范里，是通过信号源输出两个频率信号(频率差等于扫频宽度)，然后在频谱分析仪上读出这两个频率信号的示值误差。与规程里的方法比较，规范里的方法更准确、更便捷。

1.3 分辨力带宽

规范里增加了第二种测试方法。在第二种测试方法里根据频谱分析仪的功能又分为：有“ndB down”功能和无“ndB down”功能两种。

对于无“ndB down”功能的测试方法，实际使用中存在疑问。在左边电平(-3±0.5)dB处打开增量标记，那么标记的点距峰值点在(2.5～3.5)dB范围内；然后，在右边(0±0.5)dB处标记，考虑最大误差往同一方向偏差，那么测量的带宽可能在(左2.5～右2.0)dB或(左3.5～右4.0)dB，相对于3dB带宽这误差显然太大了。因此，若能把(-3±0.5)dB、(0±0.5)dB分别改为(-3±0.05)dB、(0±0.05)dB，则该问题就可得到解决。如果步进值较大，可在“sweeppoints”菜单下，适当增加扫描点数。如图1，扫描点数为2001点等。

根据工作经验，本人总结出不同于规程和规范的方法：频谱分析仪中心频率调到与信号源频率一致，垂直刻度1dB/格，分辨力带宽、扫宽适当(使波形尽量平坦，避免陡峭。)其他自动。按下“单次”扫描。按下峰值游标，再按下增量游标。调节频谱分析仪的增量游标，向左、右分别下降到约-3dB，读出频率增量f左(-3dB)、f右(-3dB)。根据公式：SPAN=f右(-3dB)-f左(-3dB)。

如图1，是向左下降到-3dB的测试图，同理可得到向右下降到-3dB的测试图。

图1 向左下降3dB测量图

1.4 噪声边带

规程里的方法，存在2个问题。首先，在横坐标方面，扫频宽度200kHz,当测量偏离载频±100kHz时，测量点正好在横坐标边沿，视觉误差较大。在测量±100Hz时也存在问题，当扫频宽度200kHz，相邻两采样点之间的频率差是333Hz(200kHz÷600=333Hz自动设置情况下显示点数是601点)。这时测量偏离载频±100Hz电平，信号可能扫描不到该点，频谱普分析仪的电平信号就会在相邻两点上跳动，因此，测量误差较大。解决方法是适当减小扫频宽度或增加扫描点数，使两点之间频率差小于100Hz。

其次，当频偏≥1kHz，噪声幅值波动比较大，大约10dB，见图2。

规范里的方法：扫频宽度10kHz,分辨力带宽RBW小于等于10Hz。打开频谱分析仪的峰值游标，再打开增量游标，将中心频率移到所测频偏处。扫频宽设置为0Hz，读取正负两个频偏处的增量电平绝对值，取最小值为ΔL，噪声边带=ΔL-10lgRBW。由于扫频宽度和分辨力带宽设置变小，解决了规程里的第一个问题。接着把扫频宽设置为0Hz，即把频谱分析仪从频域测试转换到时域测试(单频率点)，这样减少了由于频率波动引起幅值得波动。解决了规程里的第二个问题。

1.5 剩余调频

规范与规程里的方法基本相同，只是span从10kHz改为100Hz，RBW从1kHz改为10Hz，这样改动增加了分辨力，ΔF和ΔL测量准确度提高，灵敏度也提高了。规范里垂直刻度是用“对数”刻度，但是在《无线电电子学计量》要求用“线性”刻度，因为这样检测会更合理。

1.6 线性刻度

规范与规程里的方法基本一致，只是误差计算公式有差异。

规程是以衰减10dB的电平为参考，规范是以衰减0dB的电平为参考，所以分母值是不同的。

1.7 输入衰减转换的影响

规程里的方法：在频谱分析仪的输入端接一个50Ω负载阻抗，通过改变衰减值来测噪声电平的变化。噪声电平波动较大，引入测量误差也较大。另外输入信号为零，改变输入衰减没有实际意义，因此，该方法不能真实地反映输入信号随着输入衰减变化而导致输出信号变化的情况。即不能真实的反映频谱分析仪输入衰减转换的影响。

规范里的方法：通过信号源输出一个信号给频谱分析仪，通过改变衰减值来测量峰值电平的变化。峰值电平的波动变化很小，远小于噪声电平波动，因此，改善了测量准确度。

1.8 分辨带宽转换的影响

规范与规程里的方法基本一致，但规范里提出“固定S/RBW比率”，这一点很重要。因为S/RBW比率固定，则频谱分析仪显示的波形基本一致，这样测量才更准确、更合理。

另外，在校准之前，应把频谱分析仪和信号源的参考频率输出/输入连接在一起。否则当RBW较小时(如RBW≤30Hz)，可能发生中心频率偏移，若再以增量电平方法测量就会造成较大的偏差(规范里以RBW=30kHz作为参考值)。

1.9 显示平均噪声电平

噪声电平与输入衰减和分辨带宽密切相关。

规程里：输入衰减0dB，分辨力带宽为10Hz，其他参数按照自动设置，用电平显示线测量出的噪声电平(即DANLr)。

规范里的方法与规程基本相同，还增添了噪声电平的计算公式：DANL=DANLr-10lgRBW。按照公式计算，规范里的噪声电平值比规程里低10dB。噪声电平应该归一化到1Hz矩形频率带宽内的功率谱密度。

1.10 镜像响应

规程里的方法：频谱分析仪中心频率调到与信号源相同，扫宽40MHz,分辨力带宽10kHz，视频带宽100Hz，输入衰减为0dB，读出频谱分析仪信号电平。再将信号源频率调到f=fs+2fIF1(f=fs-2fIF1),读出频谱分析仪信号电平。

如果fIF1>10MHz，那么在频谱分析仪上就读不出镜像f=fs+2fIF1(f=fs-2fIF1)的信号电平，因为，频率超出扫宽40MHz(4fIF1>40MHz)。

另外，当扫宽40MHz时，相邻两点之间的频率差为66.7kHz(40MHz÷600=66.7kHz)。分辨力带宽10kHz时，当信号扫到两点之间时，频谱分析仪的电平信号就会在两点上跳动。另外，视频带宽为100Hz，对信号的轨迹进行平均和平滑，造成较大的测量误差。

规范里的方法完全避免了此种情况的出现。

1.11 输入频响

规范与规程里的方法基本相同，计算公式不同。

规范：FR=(LSA-LPM)-(LSAR-LPMR)，是频率响应。

1.12 三阶交调失真

规范与规程里的方法基本一致。

规程里直接测量出增量电平，没有给出混频器输入电平(混频器输入电平与三阶交调失真大小密切相关)，这一点不合理。频谱分析仪的性能指标一般直接给出二阶截断点和三阶截断点的数值。

规范里通过计算，给出二阶截断点(二次谐波失真校准)和三阶截断点的值，可以更直观地比较该项性能指标。

1.13 输入电压驻波比

规程里的方法比较复杂：信号源输出信号，通过回损电桥分别接到频谱分析仪和标网分析仪，然后测出驻波比。

规范里方法很简单：通过矢量网络分析仪输出一个信号到频谱分析仪，然后用网络分析仪的电压驻波比功能测出驻波比。

2 项目的比较

与规程相比，规范增加了几个项目，分别是绝对幅度、频率计数和功率带宽。

1)绝对幅度，这个项目很重要，因为频谱分析仪在实际使用时经常需要测量绝对幅度。

2)频率计数，该项目在需要精确测量频率时使用，可以提高频率测量的分辨力和准确度。

3)功率带宽，通常在频谱分析仪测量GSM、CDMA等系统的通道功率、邻道功率使用。

3 结束语

由于数字技术的快速发展，频谱分析仪的性能也越来越先进，原先的检定规程已不能适应新仪器的要求。比如检定规程的频率只开展到26.5GHz而校准规范开展到50GHz。另外，校准规范完善了校准电平、分辨力带宽、输入衰减转换影响、输入频响等项目的校准方法，还增加了频率计数和功率带宽的校准项目，并且在附录中给出了测量不确定度评定方法。这些改变使频谱分析仪校准规范有了很好的适用性。

[1] JJG 501—2000频谱分析仪检定规程.北京：中国计量出版社，2000

[2] JJF 1396—2013频谱分析仪校准规范.北京：中国质量出版社，2013

[3] 王志田.无线电电子学计量.北京：原子能出版社，2002

[4] 陈钦碧，王军恒.频谱分析仪检定工作中的一些体会.计量技术，2006(4)

[5] 罗伯特.A.威特.李景威，张伦译.频谱和网络测量.北京：科学技术文献出版社，1997

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.4.15