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        如何提高頻譜儀測量弱小信號的能力

        2019-08-23 02:44:34陳敬華
        電子技術(shù)與軟件工程 2019年14期
        關(guān)鍵詞:頻譜儀混頻器衰減器

        文/陳敬華

        頻譜分析儀是觀測信號的基本手段之一,在無線電監(jiān)測、檢測以及無線電干擾的查找過程中經(jīng)常會(huì)遇到一些微弱的小信號,在應(yīng)用頻譜儀對小信號進(jìn)行監(jiān)測時(shí),如果頻譜儀參數(shù)設(shè)置不當(dāng),很難發(fā)現(xiàn)它們,甚至?xí)雎赃@些信號。本文對如何設(shè)置適當(dāng)參數(shù)以提高頻譜儀對微弱小信號的監(jiān)測能力進(jìn)行了探討。

        1 頻譜儀基本原理簡述

        最初的頻譜儀是掃描調(diào)諧超外差分析儀。隨著技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代數(shù)字實(shí)現(xiàn)替代了許多模擬電路的電路。頻譜儀的基本電路是超外差電路。超外差式頻譜儀結(jié)構(gòu)如圖1。

        輸入射頻信號經(jīng)過衰減器衰減后,進(jìn)入混頻器。經(jīng)混頻器與本振信號差頻,轉(zhuǎn)換為固定的中頻信號,然后通過中頻放大器放大、中頻濾波器濾出中頻信號并利用對數(shù)放大器進(jìn)行放大。后經(jīng)包絡(luò)檢波后變成基帶信號,通過視頻濾波后加到顯示器上進(jìn)行顯示。

        2 頻譜儀主要部分的作用

        2.1 衰減器主要作用

        (1)對大信號進(jìn)行衰減,控制該信號電平值低于頻譜儀的最大輸入電平,防止頻譜儀電路被燒壞。

        (2)調(diào)節(jié)輸入射頻信號到混頻器的最佳信號電平,以避免混頻壓縮和失真。

        (3)通過衰減器調(diào)節(jié)進(jìn)入混頻器的電平,可以提高頻譜儀動(dòng)態(tài)范圍。

        (4)提高測試的準(zhǔn)確性,因?yàn)榛祛l器是非線性器件,信號過大會(huì)產(chǎn)生諧波,干擾測試結(jié)果。

        2.2 混頻器

        將輸入信號和本振信號進(jìn)行混頻,混頻器混頻產(chǎn)生的信號中,包括輸入信號、本振信號以及它們的和與差。中頻信號落入中頻濾波器,經(jīng)處理就會(huì)被檢波并顯示。

        2.3 中頻放大器

        作用是對混頻后的中頻信號進(jìn)行放大,因?yàn)檩斎胄盘柦?jīng)過前置衰減器的衰減,信號電平降低,為了恢復(fù)信號幅度,需要對衰減進(jìn)行補(bǔ)償,但中頻放大器在對有用信號進(jìn)行放大的同時(shí)也會(huì)放大噪聲和干擾信號。

        2.4 中頻濾波器

        圖1:超外差式頻譜分析儀結(jié)構(gòu)圖

        混頻器產(chǎn)生的信號分量通過中頻濾波器,中頻濾波器會(huì)選出需要的信號同時(shí)抑制其他信號。中頻濾波器帶寬也稱為分辨率帶寬(RBW),頻譜分辨率指在顯示中通過3dB衰減來分辨兩個(gè)等幅信號的最小頻率偏移。一般情況下當(dāng)兩個(gè)等幅信號的頻率間隔大于或等于中頻濾波器的3dB帶寬時(shí),頻譜儀才能夠分辨它們;因此,我們用中頻濾波器的3dB帶寬來描述頻譜儀的分辨率帶寬(RBW)。RBW可以調(diào)節(jié),通過調(diào)節(jié)RBW可以找到合適帶寬的濾波器對頻率間隔很近的信號進(jìn)行分離。中頻濾波器可以減小噪聲帶寬,即RBW越小,噪聲帶寬就越窄,進(jìn)入頻譜儀的噪聲就越小,接收靈敏度就越高。頻譜儀的中頻濾波器通常有三種:

        (1)模擬濾波器;

        (2)數(shù)字濾波器;

        (3)FFT。

        2.5 包絡(luò)檢波器

        通過包絡(luò)檢波器,可以得到中頻信號的包絡(luò),射頻輸入信號的幅度信息都在中頻信號的包絡(luò)中。包絡(luò)檢波器的輸出隨中頻信號的包絡(luò)變化。

        2.6 對數(shù)放大器

        對信號電平按照對數(shù)函數(shù)來壓縮,減小檢波器所檢測的信號電平變化,同時(shí)用分貝讀數(shù)的對數(shù)刻度。

        2.7 視頻濾波器

        作用是濾除視頻信號中的噪聲,使軌跡平滑,結(jié)果顯示穩(wěn)定。視頻濾波器決定了視頻帶寬。在低信噪比的情況下,減小視頻帶寬來穩(wěn)定顯示,小信號會(huì)在頻譜中穩(wěn)定的顯現(xiàn)出來。

        3 測量微弱信號時(shí)頻譜儀的參數(shù)設(shè)置

        用頻譜儀對無線電信號進(jìn)行測量時(shí),由于頻譜儀自身本底噪聲的關(guān)系,在測量小信號時(shí),如果參數(shù)設(shè)置不當(dāng),會(huì)造成信號淹沒在噪聲中。要想用頻譜儀監(jiān)測、分析這些小信號,需要合理的設(shè)置頻譜儀的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

        3.1 適當(dāng)設(shè)置的輸入衰減

        為防止測量大信號時(shí),因信號過大燒毀混頻器和中頻處理電路或者避免輸入信號大于1dB壓縮點(diǎn)而導(dǎo)致的頻譜儀失真,通常在各種頻譜儀的混頻器前端都內(nèi)置衰減器,用來選擇最佳的混頻電平。測量得到的信號電平值不會(huì)因?yàn)樗p增加而下降,通常每當(dāng)衰減降低輸入信號電平時(shí)中頻放大器就會(huì)同時(shí)增加相等的信號電平來補(bǔ)償,因此其頻譜儀顯示的信號幅度大小會(huì)保持不變。但是,噪聲信號也會(huì)同時(shí)被放大,其本底噪聲會(huì)被抬高。輸入衰減器會(huì)降低信噪比。衰減器每衰減10dB,中頻放大器就會(huì)補(bǔ)償10dB,頻譜儀的底噪也就會(huì)抬高10dB。因此,要提高頻譜分析儀的靈敏度,就必須將衰減設(shè)置的盡可能小,降低噪聲電平,避免降低信噪比,使得小信號不會(huì)隱藏在噪聲中。

        3.2 合理設(shè)置前置放大器

        使用低噪放大器可以將信號放大,可以提高射頻輸入信號的S/N,用前置放大器配合頻譜儀很容易檢測出微小信號,使用放大器時(shí),增益要盡可能的大,噪聲要盡可能的小,尤其是對衛(wèi)星信號下行鏈路的弱信號進(jìn)行檢測。同時(shí),使用前置放大器時(shí)需要考慮到噪聲值和增益兩個(gè)重要因素。前置放大器的噪聲必須低于頻譜儀的噪聲,其噪聲系數(shù)要比所要放大的最小信號低3dB以上且增益要盡可能的大。噪聲系數(shù)加上前置放大器的增益要高于頻譜儀的底噪的,否則前置放大器達(dá)不到提高頻譜儀靈敏度的目的。另外在計(jì)算信號實(shí)際大小時(shí),要把外加的增益和損耗考慮進(jìn)來。

        3.3 選擇合適的分辨率帶寬(RBW)

        在利用頻譜儀監(jiān)測過程中,分辨率帶寬(RBW)的設(shè)置非常重要。頻譜儀的靈敏度與RBW的選擇有直接關(guān)系。RBW越小,噪聲帶寬越窄,,進(jìn)入頻譜分析儀的噪聲就越小。通過中頻濾波器的噪聲越小,則頻譜儀的平均噪聲電平就越低。頻譜儀的噪聲電平與分辨率帶寬成正比。如果RBW增加10倍,則噪聲會(huì)增加10倍進(jìn)入視頻濾波器,頻譜儀的平均噪聲電平就會(huì)增加10dB。

        因此,要提高頻譜儀對弱小信號的檢測能力,通常要將RBW設(shè)置的越小越好,以降低頻譜儀本底噪聲,使得弱小信號不被噪聲淹沒。

        3.4 減小視頻帶寬(VBW)

        視頻濾波器在包絡(luò)檢波器之后,視頻濾波器是一級低通配置,用于從視頻信號中濾除高頻成分定。對于有足夠信噪比的情況下測量信號,經(jīng)常選擇VBW與RBW相等。在低S/N的情況下,可以通過減小VBW,可以使弱信號會(huì)在頻譜中穩(wěn)定顯示出來。視頻濾波器雖然不會(huì)降低平均噪聲電平,可是能減少噪聲的峰值電平,顯示出被本底噪聲掩蓋的小信號。因此要提高頻譜儀對小信號的測量能力,VBW的設(shè)置的一般要小。

        3.5 Span(掃頻寬度)的設(shè)置

        掃頻寬度(Span)是指頻譜儀在頻譜測量時(shí)的顯示的頻率范圍,即從起始頻率到終止頻率的跨度。在測量時(shí),一個(gè)信號的占用帶寬通常是固定不變的。如果掃描寬度(SPAN)過大,頻譜顯示會(huì)比較集中,頻譜儀的分辨能力會(huì)下降,就會(huì)看不清頻譜的形狀,頻率、功率的測量精度就會(huì)下降。

        3.6 調(diào)整掃描時(shí)間

        掃描時(shí)間與掃頻寬度(SPAN)是對應(yīng)的。掃描時(shí)間、掃頻寬度(SPAN)、RBW他們的關(guān)系是一定的。掃描時(shí)間與SPAN成正比、與RBW的平方成反比。為了提高掃描速度,通常會(huì)希望掃描時(shí)間盡可能的短,可是當(dāng)掃描速度過快時(shí),頻譜儀的中頻濾波器可能無法充分響應(yīng),導(dǎo)致頻譜儀頻率上移,信號幅度下降。

        4 結(jié)束語

        頻譜儀在無線電測量領(lǐng)域中廣泛使用。頻譜儀的靈敏度反應(yīng)了其測量弱小信號的能力??梢酝ㄟ^使用前置放大器、改變衰減值、調(diào)整RBW和VBW、設(shè)置合適的掃頻寬度(SPAN)和掃描時(shí)間以及降低參考電平等方法來提高靈敏度。但頻譜儀的各參數(shù)之間是相互關(guān)聯(lián)的,例如使用前置放大器會(huì)減小頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍、衰減會(huì)增加輸入駐波比,降低測量精度、較低的RBW或VBW會(huì)增加掃描時(shí)間等等。所以在測量弱小信號時(shí),不能僅僅追求靈敏度,而忽略頻譜儀其他指標(biāo)。應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況,綜合考慮各方面因素,合理設(shè)置頻譜儀的各參數(shù),提高測量結(jié)果的精確程度。

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