高频谱仪的幅度测量精度方案

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。
如何提高频谱仪的幅度测量精度

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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。

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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。

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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。