频谱仪测量小信号时的参数设置问题

蔡昊迪，刘建龙

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏苏州215011）

CAI Haodi，LIU Jianlong

（CEPREI-EAST，Suzhou 215011，China）

频谱仪测量小信号时的参数设置问题

蔡昊迪，刘建龙

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏苏州215011）

阐述了与频谱分析仪相关的参数的定义，重点介绍了通过改变扫频宽度、输入衰减和分辨力带宽等参数的设置来提高小信号功率测量精度的方法。

扫频宽度；输入衰减；分辨力带宽；视频带宽；噪声电平；前置放大器

0 引言

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，其能够将一个由许多频率分量组成的复杂信号分解成各个频率分量。通过观测信号的幅度能量与频率之间的关系，便可以测量出各种信号的特性，例如:频率、功率、失真、噪声、增益和调制等[1]。频谱分析仪是射频测试领域里不可缺少的重要设备之一，也是无线电计量工作中量值传递和溯源的重要标准，为了更好地发挥其作用，工程师不仅需要熟悉其原理和特性，还需要能够合理地进行参数设置，以减小测量误差等。尤其是在测量功率很小的信号时，为了更加准确地得到发射信号的功率，使其不被本机噪声干扰淹没，我们就必须要优化参数的设置，以便得到最佳测试结果。本文主要讨论如何通过改变频谱分析仪的参数设置来准确地测出小信号的功率值的方法。

1 部分重要参数的定义

a）扫频宽度（SPAN）

扫频宽度是指在频谱范围内所测量的频率的跨度，即频谱分析仪在一次接收信号中显示的频率范围，它的设置与中心频率相关。

b）扫频时间（SWEEP TIME）

扫描时间是指在扫频宽度内完成一次扫描所需的时间，分辨带宽和视频带宽设置将会对扫频时间产生影响。

c）分辨力带宽（RBW）

分辨力带宽指两个相邻频率的信号能够被清楚地分辨出来的最低频宽差。通过对它的设置，可以区分出两个频率相近的信号，分辨力带宽的设置将会影响读数的准确性与频谱的扫描速度。

d）视频带宽（VBW）

视频带宽指单一信号显示在屏幕上所需的最低频滤。它可以减少检波器输出的噪声变化，对噪声进行平滑处理，将微弱信号从噪声中分辨出来。

e）输入衰减（ATTEN）

输入衰减器主要用来扩大频谱分析仪的幅度测量上限，衰减较大信号的幅度，保证混频器相对于输入信号而言处于线性工作区内。

f）前置放大器（PREAMPLIFIER）

前置放大器是指用来放大微小信号的装置，其一般会将高频的噪音信号进行过滤后，再将信号放大。

g）信噪比（SNR）

信噪比是指发射的载波信号本身的功率与其伴随噪声功率的比值，在本文中，指经过放大器产生的信号电压与噪声电压的比值。

2 小信号功率测量

由于频谱分析仪自身的底噪关系，我们在测量小信号的时候会受其影响，因此想要提高功率测得的准确度，就需要通过调整扫频带宽，降低输入衰减、分辨力带宽，以及增加前置放大器等方法来实现[2]。这里主要以用安捷伦频谱仪E4440A监测一个频率为1 GHz、功率为-100 dBm的射频信号为例，进行详细的研究分析。

2.1 改变SPAN

因为被测信号的占用带宽是固定的，如果SPAN值过大，频谱分析仪对信号的分辨能力就会下降，被测的频谱显示会很集中，以致于看不清频谱的形状，从而得不到准确的功率值。为了能够准确地区别不同的SPAN设置所得到的测量结果，打开视频平均测量功能，采样值默认为100。将SPAN值分别设置为100 kHz和10 kHz，所得到的频谱图如图1-2所示。对比图1和图2可以看出，同样设置下的两个信号，将SPAN值由100 kHz变为10 kHz后，频谱分析仪测得的功率值精度提高了。

图1 将SPAN设置为100 kHz时的频谱图

图2 将SPAN设置为10 kHz时的频谱图

2.2 降低ATTEN

增加输入衰减器会减小进入混频器的信号，但是频谱分析仪的噪声的产生是在信号进入输入衰减器之后，因此衰减器的设置会影响SNR。此时进行放大补偿衰减值，可以保持显示信号不变，但是显示噪声电平会随中频增益而变化，它反映了输入衰减器设置的变化而引起的SNR的变化。因此，要想降低显示噪声电平，就必须把输入衰减降低，把信号从噪声中揭示出来[3]。将频谱仪的ATTEN分别设为10 dB和最小值0 dB，所得到的频谱图如图3-4所示，通过对比图3和图4可以看出，把ATTEN减到最小可以增加频谱仪的灵敏度。

图3 将ATTEN设为10 dB时测得的频谱图

图4 将ATTEN设为0 dB时测得的频谱图

图5 将RBW设为1 kHz时得到的频谱图

图6 将RBW设为100 Hz时得到的频谱图

2.3 改变RBW

信号和噪声经放大后进入到RBW滤波器。收窄RBW能够使较低的噪声到达分析仪的检波器，从而降低分析仪的显示平均噪声电平，增加显示动态范围。但是，RBW并不是越窄越好，因为过窄的RBW可能会使信号达不到峰值从而导致测量值不准确[4]。对于调制信号，RBW带宽过窄也会导致不能将信号边带包括在内，从而影响测量结果。需要注意的是，收窄RBW带宽虽然降低了噪声，但是延长了扫描时间，大大地降低了扫描速度。将RBW分别设置为1 kHz和100 Hz，所得到的频谱图如图5-6所示。对比图5和图6可以看出，将RBW设置为1 kHz时，频谱分析仪能够更好地分辨出-100 dBM的信号，但是将RBW设置为1 kHz时，能够实现更快的扫频。

2.4 改变VBW

通常，VBW的设置处在默认值的状态下，和RBW相同，它的设置不会影响后者，但后者的变化会影响前者。VBW处在RBW之后，虽然不能降低噪声，但可以平滑噪声谱线[5]。所以，当测试的低功率信号接近分析仪的底噪时，可以在保持分辨力带宽不变的情况下，通过单独地降低视频带宽的方式来提高功率信号的可见度。将VBW分别设置为100 Hz和10 Hz，得到的频谱图如图7-8所示。对比图7和图8可以看出，将VBW设置为10 Hz时，得到的噪声谱线更加平滑。

图7 将VBW设为100 Hz时得到的频谱图

图8 将VBW设为10 Hz时得到的频谱图

图9 未接入放大器时得到的频谱图

图10 接入8449B后得到的频谱图

2.5 接入PREAMPLIFIER

使用底噪较低的PREAMPLIFIER可以将小信号放大从而便于观测。在无线电计量工作中，经常需要校准GPS-101型信号发生器，该发生器的最低输出功率为-145 dBm。现在使用E4440A对其发射的-140 dBm的信号进行监测，打开视频平均测量功能，采样值默认为100。未接入放大器前，测得的频谱图如图9所示，从图9中可以看出，噪声干扰把信号完全覆盖了。接入在该频点30 dB增益的前置放大器8449B，将RBW和VBW等参数设置到最佳，然后重新测量，所得的结果如图10所示。从图10中可以看出，信号经放大后从噪声电平中被提取出来，此时将增益值进行作差补偿，便可以得到原信号功率。

3 结束语

频谱仪在无线电测量领域中使用非常频繁，其功能强大且多样化，在实际工作中，我们不仅需要知道常规的操作方法，还要通过准确的设置和操作取得理想的测量结果和效果，在测量低功率信号时，合理地调整参数的设置将有利于提高测量结果的精确程度。

[1]王志田.无线电电子学计量[M].北京:原子能出版社，2002.

[2]汪惟平.频谱分析仪的基本原理[J].现代电视技术，2000（1）:33-47.

[3]陈峰.用频谱仪进行准确的信号功率测量[J].电子设计应用，2009（8）:81-83.

[4]苏亚璇.频谱测量中分辨力带宽和视频滤波带宽的选择[J].计量技术，2002，45（10）:23-25.

[5]张美霞.使用频谱分析仪的视频滤波功能[J].国外电子计量技术，2000（4）:21；30.

Parameter Setting of Spectrum Analyzer for Small Signal Measurement

The definition of parameters related to spectrum analyzer is described.And the method of improving the measurement accuracy of small signal power by changing the parameters such as sweep width，input attenuation and resolution bandwidth is introduced emphatically.

SPAN；ATTEN；RBW；VBW；noise level；preamplifier

TM 935.21

A

：1672-5468（2017）02-0045-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.02.010

CAI Haodi，LIU Jianlong

（CEPREI-EAST，Suzhou 215011，China）

2016-09-13

蔡昊迪（1986-），男，江苏镇江人，工业和信息化部电子第五研究所华东分所工程师，主要从事无线电电子学计量工作。