頻譜分析儀測量場強方法探討
2014-10-21
頻譜分析儀測量場強方法探討
頻譜分析儀是一種應用廣泛的信號分析儀器。它可用來測量信號的頻率、電平、波形失真、噪聲電平、頻譜特性等，加上標準天線還可用來測量場強。它的主要特點是：能寬頻帶連續掃描，并將測得的信號在CRT屏上直觀地顯示出來。在整個頻段內，電平顯示范圍大于70dB，在無線電電波測量中可以很方便地看出頻譜占用和信號活動情況，所以在很多場合，頻譜儀正在替代場強儀成為電波測量中一種新的被廣泛應用的儀器。但必竟二者設計上有差異，因此使用側重面應有所有同，否則將會帶來很大的測量誤差。
一、電平刻度的轉換和阻抗匹配問題
通常，頻譜儀的顯示刻度單位是dBm，而在場強測量和有關電波傳播問題討論中，習慣采用dBμv/m為單位，因此首先就有一個單位轉換問題。實際上場強測量就是標準天線端感應電壓的測量，因此只要將頻譜儀的讀數換算成電壓單位，加上天線的天線系數即可求得待測場強。
頻譜儀的單位換算系數隨其輸入阻抗的不同而不同，對于50Ω系統
VdBuV=PdBm+107dB
而對于75Ω系統，則 VdBuV=PdBm+108.8dB
現代頻譜儀多采用微機處理，顯示刻度可以自動轉換。在實際測量中要特別注意天線阻抗與測試系統的匹配問題，避免產生失配誤差。由于頻譜儀在使用中是進行寬帶掃描，所以所用天線要求也都是寬帶天線，而寬帶天線的VSWR一般都較大，如果與頻譜儀聯接的不是匹配天線，則要對所用天線的天線系數重新校對。
在實際測量中，輸入衰減器不宜放在0dB的位置，如果衰減器置0，輸入信號直接接到混頻器上，則阻抗特性變差，造成較大的失配誤差。
二、防止頻譜分析儀過載
一般測試接收機的輸入端都有帶有調諧式高放電路，以抑制帶外信號，提高靈敏度。
而頻譜分析儀由于其寬帶連續快速掃描的特性，輸入端一般都直接接到第一混頻器上。當信號電平較高時，混頻器工作在非線性變頻狀態，將產生高階互調和混頻增益壓縮，而且過高的電平（一般大于5dBm）將燒壞混頻器，故在使用中要合理地選擇射頻衰減器以確保線性工作狀態。
為使混頻器進行線性變頻，中頻放大器進行線性放大，使示波屏上出現的假響應電平縮至最小，這就要求加在混頻器上的輸入信號功率越小越好；而為了擴大測量電平的動態范圍，則要求輸入功率越大越好。為此對輸入信號電平的選擇有如下三個規定：
（1）最佳輸入信號電平
在頻譜儀輸入混頻器上輸入信號時，使所產生的失真電平小于某個規定電平時的輸入信號電平叫最佳輸入電平。它隨混頻器的構造不同而有所不同，通常頻譜儀的最佳輸入電平是-30dBm。用這樣的電平輸入時，規定頻譜儀產生的失真電平和假響應電平小于-90dBm，即在-30dBm到-90dBm間出現的信號是真正的信號，這時，顯示器的動態范圍有60dB。
（2）線性輸入信號電平，使輸入混頻器的特性保持線性的最大輸入信號電平叫線性輸入電平。所謂“線性”，是指允許輸入混頻器有1dB的增益壓縮。增益壓縮1dB,約產生12.2%的誤差。當加到混頻器的信號電平在線性輸入電平范圍內時，則增益壓壓縮小于1dB，這并不意味著在頻譜儀顯示器上不同生失真響應和假響應。只有當輸入到混頻器的信號功率等于最佳輸入電平時，在示波屏上才不出現假響應。通常，頻譜儀的線性輸入電平是-5dBm到-10dBm，視輸入混頻器的特性而定。
（3）最大輸入電平;
頻譜儀輸入回的燒毀電平叫頻譜儀的最大輸入電平。它由輸入衰減器和混頻器的特性決定。輸入混頻器的燒毀電平的典型值是+10dBm，輸入衰減器的燒毀電平是+30dBm。
在實際測量中，為使測量不失真，或使假響應電平減至最小，應經常使用最佳輸入電平。就輸入端是單個大信號而言。采用最佳輸入電平，將會得到較滿意的測量結果。但當輸入端存在多個高電平信號時，即使這些信號可能在頻譜儀的工作頻帶外，終因輸入端沒有選擇性，這些信號功率的迭加很容易使混頻器過載產生高階交互調失真，從而產生假響應，因此有必要對所測信號以外的信號功率加以衰減，最好的辦法是加一個跟蹤濾波器，即預選器，如美國HP公司和西德R/S公司都有為其頻譜儀配套的預選器。
有些頻譜分析儀沒有配套的預選器，但可根據測量頻段加固定的帶通濾波器。此時，用頻譜分析儀和跟蹤信號發生器對通帶內波動、插入損耗仔細進行測量并一一記錄下來，在測量場強時計入到天線校正系數去。如果連帶通濾波器也沒有，那么可按照所測頻段配置合適的高通濾波器。實踐證明，強電臺及電磁干擾大多集中在中、短波及調頻波段、VHF低端，在采用高通濾波器后，可把被測頻段以下的信號衰減40dB以上，這樣可大大減少互調、交調失真。
檢驗混頻器是否工作在最佳狀態，可以采用射頻衰減器增加10dB，顯示減少10dB的方法驗證。通常，-30~-35dBm為混頻器的最佳工作狀態，即頻譜儀的最佳輸入電平為-30~-35dBm。最佳輸入電平的擇定為以后進一步的精確測量打下了良好基礎。
三、選擇合適的中頻帶寬
頻譜儀的中頻帶寬（又稱分辨率帶寬）很多，從1MHz到1kHz以下約有10檔左右。
但由于頻譜儀的連續掃描特性，它的濾波器是高斯型的矩形系數較大，一般60dB：3dB帶寬為10:1。而測試接收機的中頻濾波器矩形系數較小，一般60dB:6dB帶寬為2:1（一般測試接收機為雙調諧回路，且B3=0.8B6）。頻譜儀的噪聲系數較大，典型值為19dB，因此在頻帶寬相同的情況下，頻譜儀的噪聲電平比測試接收機高。
了解這些不同后，就可以根據實測情況及所測信號的特點，選擇合適的中頻帶寬。如果要測量間隔25KHz的兩相鄰信號，若它們的電平相差不大，則用10KHz的中頻帶寬就可以區分兩信號。如果電平相差較大，則必須用3kHz或1kHz的中頻帶寬才能區分兩信號。在選擇中頻帶寬時，還應注意掃描時間，太快會使濾波器來不及響應，導致測量不準。有些頻譜儀有自動調節功能，特別是現代較先進的它可將掃描時間自動調節到與掃描頻寬、中頻帶寬相適應。若是手動調節的，應注意一旦中頻帶寬改變，掃描時間也要相應地變化，以保證準確測量。
如果要測量較弱信號，就要減小中頻帶寬，使頻譜儀的噪聲電平低于被測信號。頻譜儀一般給出最小中頻帶寬以下的平均噪聲電平，中檔頻譜儀的典型值為-115dBm。為保證測量結果有效，應使信噪比優于6dB，故它可測量的最小電平為-109dBm即-2dBμV。實際上可測的最小電平還受到頻譜儀雜散響應指標的影響，而且當被測信號小于1μV時，通過機殼、電源線等引入干擾會使測量結果不可靠。
四、怎樣保證測量精度
測試接收機都裝有標準脈沖振蕩器，以便在測量狀態，如頻率、衰減器、中頻帶寬改變時隨時可進行校準。其測量精度主要由標準振蕩器的準確度及輸入失配誤差來決定，一般為±2dB
頻譜儀系采用固定頻率的標準信號進行校準，當測量頻率不同時就會產生誤差。同時，射頻衰減器參考電平、中頻帶寬、顯示刻度等的改變都會產生誤差。對于現代頻譜儀這些誤差一般為
校準信號絕對誤差; ±0.3dB
頻率響應（包括輸入失配); ±0.5~2dB
射頻衰減器改變; 1~2dB
參考電平改變; 0.5dB
中頻帶寬改變; 0.5~1dB
顯示刻度改變; 1dB
CRT顯示非線性誤差;1~2dB
粗看起來，這些誤差相加超過4.5dB，但實際上與測量方法有很大關系。測量時，如能保持與校準時的儀器設置狀態一樣，就可使誤差減至最小。一般是采用中頻替代法，即在不改變中頻帶寬及顯示刻度的情況下，通過改變參考電平。使校準信號電平與被測信號電平等于相應的參考電平時，則被測信號電平值等于校準信號電平值加上參考電平的改變量。值得注意的是，測量時保持信噪比大于12dB，這種測量的誤差僅取決于整個誤差的前四項可達到±2dB。當然，也可用一臺校準信號發生器的相同頻率來替代被測信號進行標定，那樣測出的精度會更高
五、對各種工業干擾場強的測量
目前頻譜分析儀所顯示的是被測信號的瞬時峰值，而國家標準和國際上對工業干擾推薦使用準峰值測量，準峰值檢波器可以模擬人耳對各種工業脈沖干擾的主觀特性，具有規定的充放電時間常數。國家標準規定準峰值檢波器的充、放電時間常數是：在150KHz~30MHz，為1ms和160ms；在30-1000MHz則是1ms和550ms。峰值檢波器的時間常數沒有明確的規定，其充電時間常數又遠遠小于準峰值檢波器，一般充電時間常數在微秒級，而放電時間常數則在毫秒級，甚至秒級。嚴格講來，按照CISPR對準峰值測量的規定，頻譜分析儀不完全適合準峰值測量的規定，頻譜分析儀不完全適合準峰值測量，但為了擴展應用范圍，美國HP公司、西德R/S公司和日本武田理研公司等均在其生產的頻譜儀上增加了CISPR測量（準峰值測量）一檔，作為選件配置（定貨時要說明）。使用時應注意，按照準峰值時間常數規定，頻譜儀的掃描速度要慢，一般應大于3~10s/MHz者手動掃描。顯然如果要進行寬頻率范圍或全頻段搜索掃描測量，這樣慢的掃速是無法令人接受的。但是加了CISPR檔的頻譜儀大多具有微處理器以及自動測試功能，所以只要在測量方法上稍加改進便可解決準峰值充、放電時間常數帶來的測量矛盾。此方法是先用峰值檔快速全頻段掃描，找出干擾最大的幾個頻率點，而后用準峰值在這幾個頻點附近慢慢地掃描，以判定是否合格。這些操作一般均可用自動測試軟件完成，也可以手動完成
此外，增加了CISPR檔的頻譜儀多半屬于臺式儀器，體積和重量都較大，僅適合于試驗室或固定臺站使用，不適于野外移動作業。
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