如何使用频谱仪测量微弱信号?

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频谱分析仪的主要用途之一是搜索和测量微弱电平信号。这种测量的最终限制是频谱仪自身产生的噪声。这些由各种电路元件的随机电子运动产生的噪声经过分析仪多级增益的放大最后作为噪声信号出现在显示屏上。

该噪声在频谱分析仪里通常称为显示平均噪声电平 (Displayed Average Noise Level,DANL ),也俗称为频谱仪的底噪或者灵敏度。

虽然使用一些技术可以测量略微低于DANL 的信号,但是 DANL 始终限制着我们测量低电平信号的能力。事实上,如果一个输入信号接近于DANL的话,频谱仪对该信号的测量结果为DANL+2.1~2.2 dB。如下图所示。

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RBW,学名分辨率带,一般指频谱分析仪中频滤波器的3 dB带宽,是频谱分析仪一个非常重要的测试参数。

RBW(Resolution Bandwidth)代表两个不同频率的信号能够被清楚的分辨出来的最低频宽差异,两个不同频率的信号频宽如低于频谱分析仪的RBW,此时该两信号将重叠,难以分辨。较低的RBW固然有助于不同频率信号的分辨与测量,但是低的RBW将滤除较高频率的信号成份,导致信号显示时产生失真。失真值与设定的RBW密切相关,较高的RBW固然有助于宽频带信号的侦测,但是这将增加噪底(Noise Floor),降低量测灵敏度,对于侦测低强度的信号易产生阻碍。因此适当的RBW宽度是正确使用频谱分析仪的重要参数。

 

调整RBW而信号振幅并无产生明显的变化,此时之RBW带宽即可加以采用。

较宽的RBW较能充分地反应输入信号频谱的波形与振幅,但较低的RBW将能区别不同频率的信号。也就是说RBW代表两个不同频率的信号能够被清楚的分辨出来的最低带宽差异,两个不同频率的信号带宽如低于频谱分析仪的RBW,此时该两信号将重迭,难以分辨,较低的RBW固然有助于不同频率信号的分辨与量测,低的RBW将滤除较高频率的信号成份,导致信号显示时产生失真,失真值与设定的RBW密切相关,较高的RBW固然有助于宽带带信号的侦测,将增加噪声底层值(Noise Floor),降低量测灵敏度,对于侦测低强度的信号易产生阻碍。

下面这幅图解释了不同RBW对灵敏度的影响:

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如果还是不够理解,可以看下面这幅图,更加形象:

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RBW也会影响信噪比或灵敏度。这是因为频谱仪自身产生的噪声是随机的并且在较宽频率范围内保持了恒定的幅度,因此,通过滤波器的总噪声功率由滤波器的带宽决定。

所以如果将分辨率带宽改变 10 倍,显示的噪声电平会改变 10 dB,如下图所示。

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对于连续波(正弦波)信号,使用频谱分析仪所提供的最小的分辨率带宽将会获得最佳信噪比或灵敏度2。但需要注意的是,降低分辨率带宽会延长扫描时间。

 

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