幅度特性的测量和表现方法

1）幅度范围

频谱分析仪可测量的最小信号幅度电平与最大信号幅度电平称为频谱分析仪的幅度范围。频谱分析仪可测量的最大信号由其最大安全输入电平决定，可测量的最小信号由频谱分析仪显示的平均噪声电平确定。例如，Agilent 8560EC系列频谱分析仪的安全输入电平是+30 dBm，那么其测量的最大连续波信号电平为+30 dBm。

2）噪声系数与灵敏度

（1）噪声系数

噪声系数定义为信号通过某一器件时，输入信噪比与输出信噪比的比值。用公式表示为：

式中：NF——噪声系数；

Si——输入信号功率；

Ni——输入噪声功率；

S0——输出信号功率；

N0——输出噪声功率。

对于频谱分析仪来说，其测量的输出信号S0等于输入信号Si，频谱分析仪内部产生的噪声功率折合到输入端口后与输入端本身的噪声功率之比，用分贝表示为：

频谱分析仪输入端的噪声功率可表示为：

式中：k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23（J/K）；

B——频谱分析仪的噪声带宽（Hz）；

T0——环境温度（K）。

由式（4-29）和式（4-30）可得频谱分析仪用分贝表示的输出噪声功率为：

（2）灵敏度

频谱分析仪的输出噪声电平就是频谱分析仪显示的噪声电平，只有输入信号大于输出噪声电平时，频谱分析仪才能测量输入信号电平的大小。频谱分析仪的灵敏度是指在特定带宽下，频谱分析仪测量最小信号的能力。频谱分析仪的灵敏度受到仪器噪声底的限制。噪声系数和灵敏度是衡量频谱分析仪检测微弱信号能力的两种方法。实质上，频谱分析仪的灵敏度就是频谱分析仪显示的平均噪声功率电平，用DNAL表示，它和噪声系数的关系为：

对于一般的频谱分析仪，其噪声带宽近似等于频谱分析仪分辨带宽RBW的1.2倍，且考虑在室温条件下，T0=290 K，则式（4-32）可进一步简化为：

式（4-33）是频谱分析仪在输入衰减ATTEN=0 dB时的灵敏度表达式，当频谱分析仪的射频输入衰减增加10 dB时，加在混频器上的输入信号电平降低了，而中频放大器的增益同时增加10 dB来补偿这个损失，其结果是频谱分析仪测量的输入信号电平不变。但是频谱分析仪的噪声电子放大了10 dB，结果导致频谱分析仪的灵敏度降低了10 dB。因此频谱分析仪灵敏度的完整表达式为：

式（4-34）表明了频谱分析仪的灵敏度与噪声系数、分辨带宽和射频输入衰减之间的关系。一般频谱分析仪技术手册中给出的是频谱分析仪灵敏度的指标，由式（4-34）很容易计算出频谱分析仪的噪声系数。

由前面讨论可知，频谱分析仪的灵敏度是由噪声系数、分辨带宽和射频输入衰减确定的，因此只要能降低频谱分析仪的噪声系数、减小分辨带宽和射频输入衰减，就可以提高频谱分析仪的灵敏度。

（3）改善频谱分析仪灵敏度的方法

①降低噪声系数法(www.xing528.com)

由频谱分析仪灵敏度的计算公式可知，降低频谱分析仪的噪声系数可以提高频谱分析仪的灵敏度。降低噪声系数常用的方法是在频谱分析仪输入端加前置放大器。如图4-29所示为频谱分析仪串接n级放大器示意图。

图4-29　频谱分析仪串接n级放大器示意图

图4-29中，F1，F2，…，Fn和G1，G2，…，Gn分别表示各级放大器的噪声系数和增益。值得注意的是：在频谱分析仪与前置放大器连接之前，要检查前置放大器的输出功率不能大于频谱分析仪的最大安全输入电平。可以证明，n级放大器和频谱分析仪串接后，其级联的噪声系数为：

在一般情况下，每一级放大器的增益远远大于1，因此总的噪声系数主要取决于第一级放大器的噪声系数，下面各级的噪声系数对输入端口噪声功率的影响将逐级减小，即第二级次之，末级最小。因此在实际工程应用中，通常在频谱分析仪的前端加一个宽频段、高增益、低噪声的前置放大器来降低接收机的噪声系数，从而改善频谱分析仪的灵敏度。

②减小分辨带宽法

由频谱分析仪的灵敏度定义可知，在给定带宽的情况下，灵敏度表征频谱分析仪测量最小信号的能力。频谱分析仪的噪声带宽等于1.2倍的分辨带宽，因此减小频谱分析仪的分辨带宽，可以提高频谱分析仪的灵敏度。例如，当频谱分析仪的其他参数不变时，分辨带宽RBW=100 Hz时的灵敏度比分辨带宽RBW=1 000 Hz时的灵敏度高10 dB。显然减小频谱分析仪的分辨带宽，可以提高频谱分析仪的灵敏度。值得注意的是：在实际应用中，频谱分析仪分辨带宽的设置受信号频率的稳定度及频谱分析仪其他参数设置的制约。

③减小射频输入衰减法

由频谱分析仪的灵敏度计算公式可知，在其他参数不变的情况下，减小频谱分析仪的射频输入衰减，可以提高频谱分析仪的灵敏度。例如，当频谱分析仪的分辨带宽等于1 kHz时，射频输入衰减等于0 dB时的灵敏度比射频衰减等于10 dB时的灵敏度高10 dB。显然频谱分析仪的射频输入衰减越小，其灵敏度越高。频谱分析仪的射频输入衰减一般最小等于0 dB，因此在小信号测量中，为了提高测试系统的灵敏度，射频输入衰减一般设置为0 dB。

3）动态范围

频谱分析仪的动态范围一般用dB表示，表征频谱分析仪输入端口同时存在的最大信号幅度与最小信号幅度的比值。最小信号指的是在给定不确定度的情况下，频谱分析仪所能测量的最小信号。频谱分析仪的动态范围可以决定低电平信号在大信号存在的情况下是否可见，是一个非常重要的性能指标。频谱分析仪显示的平均噪声电平（或称灵敏度）、相位噪声和内部失真等对频谱分析仪的动态范围均有很大的影响。因此，动态范围经常得不到更准确的描述。

图4-30　频谱分析仪动态范围的几种定义

如图4-30所示为从几个不同的方面给出的频谱分析仪动态范围的定义描述。例如，频谱分析仪的最大安全输入电平与给定的分辨带宽和射频衰减的显示噪声电平之差，称为测量范围；混频器压缩点与显示的噪声电平之差，称为信号噪声测量范围；信号失真电平与频谱分析仪显示噪声电平之差，称为信号失真范围。

（1）测量范围

由图4-30可知，频谱分析仪的测量范围是指在特定设置情况下，频谱分析仪所能测量的最大信号电平与最小信号电平的差值。一般地，加载到频谱分析仪输入端的最大功率电平是指不损坏前端硬件条件下的最大信号。目前大多数频谱分析仪的最大安全输入电平为+30 dBm（1 W）。频谱分析仪的噪声门限决定测量范围的最低限度。如果测量信号低于频谱分析仪的噪声电平，那么频谱分析仪将无法在屏幕上测量出信号大小。需要指出的是：当频谱分析仪可测量出+30 dBm的最大信号时，在相同状态参数设置下，不可能同时测量出最低的噪声电平。

（2）显示范围

频谱分析仪的显示范围指的是频谱分析仪CRT上已标定的幅度范围。如果频谱分析仪CRT显示有10格垂直刻度，且在对数模式下每格为10 dB，那么其显示范围达100 dB；如果选定每格为5 dB的话，那么其显示范围为50 dB。但是，频谱分析仪的对数放大器限定了显示范围，例如，对数放大器为85 dB，CRT显示器为10格，那么每格只有8.5 dB的校准格。

（3）混频器的压缩点

混频器的压缩点电平是在不降低所测量信号精度的条件下，所能输入频谱分析仪的最大功率电平。当频谱分析仪混频器的输入信号电平低于压缩点电平时，混频器的输出信号电平同输入信号电平成线性关系变化；随着混频器输入信号电平的增加，由于大部分信号能量形成畸变，转移函数变成非线性，在这时混频器可以认为被压缩，频谱分析仪所显示信号电平低于实际的信号电平。混频器压缩点指标是混频器总的输入电平低于频谱分析仪所压缩的信号电平，就是频谱分析仪显示的信号电平小于1 dB。测量高功率信号电平可通过设置频谱分析仪的射频输入衰减器限定频谱分析仪的混频器的输入功率来实现。

（4）内部失真

当用频谱分析仪测量谐波失真或交调失真时，内部失真是决定动态范围的因素之一。内部产生的交调和谐波失真是混频器输入信号幅度的函数。

大多数频谱分析仪采用的是二极管混频器，该混频器是非线性设备，通过理想二极管方程式表征其特性。用泰勒级数展开，可看出非线性器件输入的基波信号功率变化1 dB，会使输出在二阶失真、三阶失真分别有2 dB、3 dB的失真变化。频谱分析仪动态范围在基波和内部产生的失真不同。基波信号功率电平每变化1 dB，二阶谐波失真产物变化1 dBc（相对基波），而三阶失真产物变化2 dBc。

（5）噪声

影响频谱分析仪动态范围的噪声有两种：一是频谱分析仪的相位噪声；二是频谱分析仪的灵敏度。频谱分析仪的噪声是宽带信号，随着频谱分析仪分辨带宽RBW的增大，更多的随机噪声能量进入频谱分析仪的检波器，这样不仅增加频谱分析仪的相位噪声电平，而且也增加了频谱分析仪的噪声门限。因此，频谱分析仪的分辨带宽不同，其噪声门限和相位噪声不同，从而影响了频谱分析仪的动态范围。

灵敏度表征了频谱分析仪测量最小信号的能力，由频谱分析仪显示的平均噪声电平DNAI或噪声门限确定。当频谱分析仪测量两个频率间隔较远的信号时，其灵敏度是关键参数；当测量频率间隔相近的两个信号时，相位噪声是关键参数。这里相位噪声也称为频谱分析仪的边带噪声。相位噪声是由于频谱分析仪本振不稳定产生的，本振越稳定，相位噪声越低，系统的动态范围越大。

4）幅度精度

频谱分析仪测量的信号幅度的精度或不准确性称为幅度精度。幅度精度可分为绝对幅度精度和相对幅度精度。绝对幅度精度定义为频谱分析仪测量信号绝对电平的精度或不准确性；相对幅度精度定义为频谱分析仪进行信号幅度相对测量时的精度或不准确性。

当频谱分析仪对输入信号进行相对测量时，用信号的一部分或不同信号作为参考基准，例如，当频谱分析仪测量二次谐波失真时，用基波作为参考基准，只测量二次谐波相对基波的幅度差，而不关心绝对幅度的大小。影响频谱分析仪相对幅度精度的因素主要有：RF衰减转换的不确定性、频率响应、参考电平的精度、分辨带宽转换的不确定性和CRT刻度显示精度等。

绝对幅度精度是由频谱分析仪的校准器决定的。频谱分析仪的校准器安装在频谱分析仪的内部，提供一个幅度和频率都固定的信号，这样我们可以依据频谱分析仪的相对精度和绝对精度，求得其他频率和幅度。