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用頻譜分析儀測(cè)量十分臨近和相對(duì)弱小的信號(hào)解決方案

日期:2025-04-02 08:42
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摘要:

隨在用頻譜分析儀測(cè)量信號(hào)時(shí),正確地設(shè)定分辨率帶寬( RES BW),是減少測(cè)量誤差、捕捉兩個(gè)十分鄰近和相對(duì)弱小信號(hào)的關(guān)鍵。我們知道,分辨率與頻譜儀中頻濾波器(IF濾波器)的帶寬有關(guān),帶寬越窄,分辨率越高。除了濾波器的帶寬之外,形狀因數(shù)(shape factor)、濾波器類(lèi)型、剩余調(diào)頻(residual FM)和噪聲邊帶也是設(shè)定分辨率帶寬時(shí)應(yīng)考慮的因素。下面,我們將依次分析每一項(xiàng)。

首先,我們注意到,測(cè)試信號(hào)在頻譜分析儀顯示屏上不可能顯示為無(wú)限細(xì)的線(xiàn),它本身有一定的寬度。當(dāng)調(diào)諧通過(guò)信號(hào)時(shí),其形狀是頻譜分析儀自身分辨率帶寬( IF濾波器)形狀的顯示。這樣,如果改變?yōu)V波器帶寬,就改變了顯示響應(yīng)的寬度。規(guī)定分辨率帶寬為濾波器的3dB帶寬。3dB帶寬告訴我們?nèi)绾螌蓚€(gè)相隔十分鄰近的等幅信號(hào)彼此分開(kāi),一般的說(shuō),如果兩信號(hào)的間隔大于或等于所選用分辨率帶寬濾波器的3db帶寬,兩個(gè)等幅信號(hào)就可以分辨出來(lái)。

例一,兩個(gè)等幅信號(hào)間隔 10kHz,用10kHz的分辨帶寬容易分開(kāi)它們,因?yàn)閮蓚€(gè)信號(hào)之間將有約為3db的下陷,很清楚,這表明了有一個(gè)以上的信號(hào)。

形狀因數(shù)(亦稱(chēng)帶寬選擇性),是對(duì)頻譜分析儀分辨相鄰的不等幅信號(hào)的量度,對(duì)于給定的分辨濾波器,形狀因數(shù)是 60dB帶寬對(duì)3dB帶寬之比,通常頻譜分析儀IF濾波器具有≤15∶1的形狀因數(shù)。在我們測(cè)量?jī)蓚€(gè)不等幅的鄰近信號(hào)時(shí),如果小信號(hào)非常接近大信號(hào),會(huì)因大信號(hào)而掩蔽小信號(hào),換言之,小信號(hào)有可能掩埋在大信號(hào)的裙邊中。對(duì)于幅度相差60db的兩個(gè)信號(hào),其間隔應(yīng)至少是60dB帶寬的一半或小于一半(用近似3dB下降)。15∶1的形狀因數(shù)的含義是,1kHz分辨帶寬對(duì)應(yīng)的60db帶寬是15kHz,它的一半是7.5kHz,如果大小信號(hào)間隔是10kHz,利用1kHz的分辨帶寬就能區(qū)分出它們。

例二,在上例中,兩個(gè)等幅信號(hào)間隔 10kHz,顯然,用10kHz分辨率區(qū)分信號(hào)是設(shè)有問(wèn)題的,但是,對(duì)于相隔10kHz而幅度下降50dB的失真產(chǎn)物(小信號(hào)),則有可能被掩沒(méi),如果3kHz濾波器的形狀因數(shù)是15∶1,濾波器下降60db的帶寬是45kHz,失真產(chǎn)物(小信號(hào))將隱藏到測(cè)試信號(hào)(大信號(hào))裙邊之下。重新設(shè)定一個(gè)分辨帶寬1kHz的窄帶濾波器,對(duì)應(yīng)60dB的帶寬是15kHz,失真產(chǎn)物(小信號(hào))就很容易被觀(guān)察到,因?yàn)?0db帶寬的一半是7.5kHz,它小于頻帶的間隔10kHz,因此,本例測(cè)量所需設(shè)定的分辨帶寬應(yīng)不大于1kHz。

影響分辨率的另一個(gè)因素是頻譜分析儀的剩余調(diào)頻,剩余調(diào)頻與頻譜分析儀的本地振蕩器的頻率穩(wěn)定度相關(guān),一個(gè)頻譜分析儀的分辨帶寬不可能做得非常窄,以致能觀(guān)察到它自身的不穩(wěn)定度,如果它能夠這樣做,那幺我們將不能夠區(qū)分頻譜分析儀和加入信號(hào)兩者的剩余調(diào)頻,并且剩余調(diào)頻使顯示的信號(hào)模糊不清,以致在規(guī)定的剩余調(diào)頻內(nèi)的兩個(gè)信號(hào)不能被分辨出來(lái)。這就意味著,頻譜分析儀的剩余調(diào)頻決定了可允許的*小分辨帶寬,同樣,它決定了等幅信號(hào)的*小間隔。用鎖相構(gòu)造的本地振蕩器作為參考源可降低剩余調(diào)頻,也降低了*小可允許的分辨帶寬。高性能的頻譜分析儀之所以?xún)r(jià)格昂貴,就是因?yàn)樗休^好的相位鎖定系統(tǒng),具有較低的剩余調(diào)頻和較小的*小分辨帶寬。

噪聲邊帶 (亦稱(chēng)相位噪聲),是一種調(diào)制邊帶,作為在信號(hào)響應(yīng)的基底上的噪聲邊帶表現(xiàn)為不穩(wěn)定性,這個(gè)噪聲可能掩蓋近端(靠近載波)低電平信號(hào)。換句話(huà)說(shuō),只考慮帶寬和形狀因數(shù),我們可能會(huì)看到它,但是這些噪聲邊帶影響了高電平近端低電平信號(hào)的分辨率。邊帶噪聲一般只出現(xiàn)在*窄分辨帶寬的情況,因?yàn)檩^窄濾波器所需的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),當(dāng)掃描時(shí)間太快時(shí),頻譜分析儀的分辨帶寬濾波器不能夠充分響應(yīng),即幅度下降、頻率向上移。為了保持正確的讀數(shù)狀態(tài),我們應(yīng)該遵循下面的掃描時(shí)間設(shè)置。

掃描時(shí)間≥ k×掃描間隔/(分辨率帶寬)2

從上式我們可以看到,同樣的掃描間隔( span),窄的分辨率帶寬(RES BW)意味著長(zhǎng)的掃描時(shí)間(SWP)。這里,對(duì)于平頂濾波器,10≤k≤20,對(duì)于同步調(diào)諧模擬濾波器,2~5≤k。對(duì)于利用數(shù)字信號(hào)處理的頻譜分析儀,k≤1,這表明。,數(shù)字分辨帶寬有著優(yōu)良的形狀因數(shù)和測(cè)量速度。一般頻譜分析儀能自動(dòng)聯(lián)鎖掃描時(shí)間,根據(jù)選取的掃描間隔和分辨帶寬自動(dòng)地選擇*快可允許的掃描時(shí)間,如果手動(dòng)選取的掃描時(shí)間太快,顯示屏上會(huì)出現(xiàn)信息。

*后,需要指出的是,在測(cè)量中總會(huì)出現(xiàn)一定量的雜波,通常情況下雜波很小,可以忽略不計(jì)。但測(cè)量低電平信號(hào)時(shí)雜波問(wèn)題就嚴(yán)重了,通常雜波占有很寬的頻帶,如果測(cè)量值含雜波電平,那幺測(cè)量誤差將會(huì)取決于雜波電平。分辨率帶寬較窄,允許雜波通過(guò)量較少,顯示器上的雜波層下降。分辨率帶寬變化 2倍,將導(dǎo)致雜波電平變化3dB。雜波電平的下降,可使原先被雜波掩蓋的較小信號(hào)也能測(cè)量到。如果我們通過(guò)調(diào)分辨率帶寬之后,信號(hào)依然接近噪聲(雜波),則可用調(diào)節(jié)衰減和視頻帶寬(VBW)來(lái)改進(jìn)信號(hào)的可視度,對(duì)于衰減和視頻帶寬,本文不作具體分析。

綜上所述,適當(dāng)窄的分辨帶寬,適當(dāng)小的輸入衰減,適當(dāng)?shù)囊曨l帶寬(視頻帶寬≤ 0.1―0.01分辨帶寬)是我們用頻譜分析儀測(cè)量?jī)蓚€(gè)十分鄰近或相對(duì)弱小的信號(hào),減少測(cè)量誤差應(yīng)掌握的基本方法。

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