頻譜分析儀那些事兒--之動態(tài)范圍

對于信號分析儀一類的測量儀器來說，其結(jié)構(gòu)本質(zhì)上通常是一臺通用接收機。頻譜分析儀的動態(tài)范圍在測試信號的諧波失真、三階交調(diào)以及通信信道的峰均比、鄰道泄漏等

場景下都是非常重要的測試條件。

對比頻譜分析儀，不同大小的測量信號常需要不同的設(shè)置，也就是我們常無法同時測量一個很大值和另一個很小值。所以，動態(tài)范圍中的“范圍”是指頻譜分析儀在設(shè)置不變的條件下能夠同時測量的一個較大電平信號和一個較小電平信號的幅度差距，“動態(tài)”表明這個范圍并不是固定不變的，它依賴于實際所要進行的測量，也就是這個動態(tài)要看測量的目標(biāo)是什么。

通常我們所說的動態(tài)范圍指的是無失真動態(tài)范圍。頻譜分析儀作為一種通用接收機，動態(tài)范圍和其的前端的非線性部件有密切的關(guān)系，例如混頻器，放大器等，其中主要是混頻器失真的影響。混頻器（通常是二極管結(jié)構(gòu)）屬于典型的非線性器件，其實非線性器件響應(yīng)結(jié)果中永遠存在一定的失真，我們只是使用在某一段輸入-輸出近似線性工作區(qū)，也就是失真還沒有足夠大的條件下。

混頻器失真可以分兩類：幅度失真和頻率失真。

幅度失真，混頻器幅度輸出不再隨著輸入按照原有的線性規(guī)律變化，衡量標(biāo)準(zhǔn)一般使用輸出增益相對下降1dB 時所對應(yīng)的電平，稱之為增益壓縮。如圖所示

頻率失真，除了需要的中頻，混頻器產(chǎn)生了新的頻率分量，常用相對基波頻率的階數(shù)來描述。在使用頻譜分析儀測量單音信號及其諧波時，隨著輸入電平的增大，混頻器產(chǎn)生的諧波（Harmonics）頻率分量會越來越大；在使用頻譜分析儀測量多音信號及其諧波和各種交調(diào)時，隨著輸入電平的增大，混頻器產(chǎn)生的交調(diào)頻率分量也會越來越大。頻率失真通常使用基頻的階數(shù)來表示，階數(shù)越高的失真能量變化越劇烈，由于其變化率相對于基波高，所以當(dāng)基波到達一定水平時，二階和三階失真分量會顯著地發(fā)揮影響。四階以上的失真雖然變化率更大，但是起點更低，在還未能顯著發(fā)揮影響時通常輸入已經(jīng)到達了1dB 增益壓縮點，所以四階以上失真通常不予考慮。

很多情況下，測量目標(biāo)的失真和頻譜儀本身的失真是很相似的，頻譜儀的諧波和交調(diào)這些新增的頻率分量常會和我們需要測量的信號落在非常接近的頻率上，難以濾除；有的落在*相同的測量頻率上，增大了測量誤差。頻譜分析儀的這些失真決定了頻譜分析儀動態(tài)范圍的上限，也就是輸入信號達到一定的電平，失真就會顯著地影響到測量結(jié)果。如下圖所示，可以看到距離藍色雙音載波zui近的紅色三階交調(diào)信號幅度zui高，由于離載波很近，非常難以濾除；而二階失真信號通常離載波較遠，幅度也較低。三階交調(diào)是衡量頻譜分析儀抗失真性能的重要指標(biāo)。

而動態(tài)范圍的下限，由當(dāng)前設(shè)置下的DANL 大小決定。輸入衰減器在信號輸入的過程起到了非常重要作用，它決定了輸入端口的信號的衰減量，從而決定了進入混頻器的信號電平，也就是決定了混頻器產(chǎn)生的失真的大小，也同樣決定了系統(tǒng)噪聲系數(shù)的大小。

衰減器的衰減量很大時，DANL 會很高，但是混頻器的失真很小，這時上限允許的輸入更高，但不適合測量小信號；衰減器的衰減量很小時，DANL會很低，但是到達混頻器的信號電平相對就會很大，這種狀態(tài)下上限允許的輸入很低，不適合測量大信號，但是適合測試小信號。所以衰減器的設(shè)置顯著影響著到達混頻器的輸入電平的大小，也就是影響著動態(tài)范圍的大小，它對底噪和失真的作用正好相反，而底噪和失真恰是頻譜分析儀動態(tài)范圍的上下限，那么如何尋找到一個zui大的動態(tài)范圍？如下圖所示，通過調(diào)整衰減器設(shè)置，間接調(diào)整了混頻器的輸入電平，從而可以在DANL和失真尋找一個平衡點。這個點稱為*混頻器電平，指混頻器產(chǎn)生的非線性失真的各種分量，正好和當(dāng)前的DANL相等。增大衰減器，噪聲就會變高而失真降低，減小衰減器，失真就會變高而噪聲降低。

上面說明了噪聲和失真對動態(tài)范圍的折中關(guān)系，就像一個天平的兩端，根據(jù)測量的目標(biāo)來設(shè)置衰減器的不同設(shè)置。

由于在測量大信號的時候，載波近端的相位噪聲通常高于DANL，因此相位噪聲不僅決定著近端的頻率分辨力，也同時影響著近端的動態(tài)范圍。通常情況下，測量三階交調(diào)失真需要對載波近端的動態(tài)范圍有要求，這就受相位噪聲的影響。

如上圖所示，載波附近的動態(tài)范圍下限被相位噪聲抬高了，在測量距離較近的三階交調(diào)失真的時候，只有比較大的失真信號才能夠被顯示出來，否則會被相位噪聲淹沒；若此雙音距離比較遠，那么三階交調(diào)失真就可以被清楚的觀察到了。并不是所有情況下都能夠在zui大無失真動態(tài)范圍點進行測試，那么這些情況下，如果進行諧波，交調(diào)等項目的測試時，需要對被測載波信號的失真成分進行測量。在輸入電平較大時，若此時動態(tài)范圍設(shè)置的不合適，會造成頻譜分析儀內(nèi)部產(chǎn)生失真，這些失真和需要測量的信號疊加起來，無法判斷真實的測量結(jié)果。如何判斷失真是頻譜分析儀內(nèi)部產(chǎn)生的失真還是被測信號本身的失真呢？zui簡便的方法是通過頻譜分析儀的衰減器設(shè)置來快速判定。通過調(diào)整衰減器的衰減量，若失真分量的顯示值保持不變，則失真分量是輸入信號的一部分；若顯示值改變，則失真分量就是由內(nèi)部產(chǎn)生，或者是內(nèi)部信號和外部信號之和。通過繼續(xù)改變衰減器的值直到顯示的失真不再改變，這時的測量才是可信的。如果被測量信號的電平無法調(diào)整到*的混頻器電平范圍，這就需要增加單獨的外置衰減器或放大器。使用外置衰減器或放大器后，需要在測量結(jié)果中去掉這部分額外的差量。通常頻譜分析儀中的幅度功能里有參考偏移來設(shè)置補償。

在各種測量場景中，我們還會遇到各種關(guān)于范圍的表述。如下圖表示了頻譜分析儀中的不同場景中的范圍，zui下邊的藍色底是DANL，一般是在zui小RBW 和zui小衰減給出。

其中，紅色是儀器允許輸入的zui大電平，這是頻譜分析儀的標(biāo)稱測量范圍；橘色是無混頻器1dB 增益壓縮失真動態(tài)范圍；粉色是三階無交調(diào)失真動態(tài)范圍；綠色是二階無諧波動態(tài)范圍；棕色是噪聲邊帶無失真動態(tài)范圍。

需要注意的地方是，在分析這些動態(tài)范圍指標(biāo)時，常是針對*級混頻器做的指標(biāo)說明，因此通常在0dB 衰減下給出。例如，1dB 壓縮點的特性，在衰減器為0 的時候，系統(tǒng)的1 dB壓縮點就是混頻器的1dB壓縮點；而增加衰減器為10dB的話，系統(tǒng)的1dB壓縮點會隨之升高到10dB，看似指標(biāo)提升，其實暗含了特殊的條件。頻譜分析儀的其他二階，三階失真指標(biāo)等，基本上都是在0dB 衰減下給出。

沒有哪個動態(tài)范圍是的，不同動態(tài)范圍均是在不同的測量目的下使用，一定要根據(jù)相應(yīng)的測量場景，估算需要的上下限，通過調(diào)整前端的衰減器/放大器以及分辨率帶寬的設(shè)置，找到*的動態(tài)范圍。從上面幾部分的分析中可以看出，頻譜儀的動態(tài)范圍受四個因素影響:

※輸入混頻器的失真性能(非線性特性) ：1db 增益壓縮范圍，二階無失真范圍，三階無失真范圍等，決定了動態(tài)范圍上限。

※系統(tǒng)的噪聲系數(shù)(噪聲特性) ：影響著DANL 的高低，決定了遠端動態(tài)范圍下限。

※本振的相位噪聲(近端特性)：高于DANL 的相位噪聲，決定了近端動態(tài)范圍下限。

※分辨率帶寬RBW 的性能：影響著DANL 和相位噪聲能夠到達的zui低水平，決定了動態(tài)范圍的下限。

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