頻譜分析儀校準(zhǔn)規(guī)范的解讀

趙承軍

(無錫市計(jì)量測(cè)試中心，無錫214101)

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頻譜分析儀校準(zhǔn)規(guī)范的解讀

趙承軍

(無錫市計(jì)量測(cè)試中心，無錫214101)

頻譜分析儀校準(zhǔn)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱規(guī)范)于2013年8月發(fā)布并實(shí)施。相對(duì)于頻譜分析儀檢定規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱規(guī)程)，內(nèi)容有較大的變化。校準(zhǔn)規(guī)范很好地解決了檢定規(guī)程里的不合理或不正確的地方。為了更好的理解、應(yīng)用規(guī)范，本文作者對(duì)規(guī)范與規(guī)程中不同之處給出解釋。

頻譜分析儀；規(guī)程；規(guī)范

0 引言

JJG 501—2000《頻譜分析儀檢定規(guī)程》是以HP8563E頻譜分析儀為例來編寫的，其他型號(hào)的頻譜分析儀參照?qǐng)?zhí)行。實(shí)際情況是頻譜分析儀種類繁多，性能參數(shù)也各不相同，因此，很難判斷它們的計(jì)量性能是否合格。針對(duì)規(guī)程所存在的不足，2013年8月頒布了JJF 1396—2013《頻譜分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》，以技術(shù)規(guī)范替換了檢定規(guī)程。本文將從測(cè)量方法和項(xiàng)目?jī)煞矫妫懻撘?guī)范和規(guī)程之間的異同并分析其原因。

1 測(cè)量方法的異同

1.1 頻率讀數(shù)

規(guī)程里，信號(hào)源和頻譜分析儀的參考頻率輸入/輸出沒有連接在一起。

規(guī)范里，把信號(hào)源和頻譜分析儀的參考頻率輸入/輸出連接在一起，這兩者就同步了，從而取消了由于參考頻率引入的誤差。這樣所測(cè)的頻率讀數(shù)誤差全部由混頻器引入的誤差，更準(zhǔn)確地反映了頻譜分析儀的頻率特性。測(cè)量的頻率讀數(shù)誤差與參考頻率的準(zhǔn)確度無關(guān)。

1.2 掃頻寬度

規(guī)程里，是調(diào)節(jié)信號(hào)源的頻率，使頻譜儀峰值分別向左、右移到靠邊框一格，然后計(jì)算帶寬。手動(dòng)調(diào)節(jié)會(huì)引入視覺誤差和調(diào)節(jié)頻率步進(jìn)誤差。

規(guī)范里，是通過信號(hào)源輸出兩個(gè)頻率信號(hào)(頻率差等于掃頻寬度)，然后在頻譜分析儀上讀出這兩個(gè)頻率信號(hào)的示值誤差。與規(guī)程里的方法比較，規(guī)范里的方法更準(zhǔn)確、更便捷。

1.3 分辨力帶寬

規(guī)范里增加了第二種測(cè)試方法。在第二種測(cè)試方法里根據(jù)頻譜分析儀的功能又分為：有“ndB down”功能和無“ndB down”功能兩種。

對(duì)于無“ndB down”功能的測(cè)試方法，實(shí)際使用中存在疑問。在左邊電平(-3±0.5)dB處打開增量標(biāo)記，那么標(biāo)記的點(diǎn)距峰值點(diǎn)在(2.5～3.5)dB范圍內(nèi)；然后，在右邊(0±0.5)dB處標(biāo)記，考慮最大誤差往同一方向偏差，那么測(cè)量的帶寬可能在(左2.5～右2.0)dB或(左3.5～右4.0)dB，相對(duì)于3dB帶寬這誤差顯然太大了。因此，若能把(-3±0.5)dB、(0±0.5)dB分別改為(-3±0.05)dB、(0±0.05)dB，則該問題就可得到解決。如果步進(jìn)值較大，可在“sweeppoints”菜單下，適當(dāng)增加掃描點(diǎn)數(shù)。如圖1，掃描點(diǎn)數(shù)為2001點(diǎn)等。

根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，本人總結(jié)出不同于規(guī)程和規(guī)范的方法：頻譜分析儀中心頻率調(diào)到與信號(hào)源頻率一致，垂直刻度1dB/格，分辨力帶寬、掃寬適當(dāng)(使波形盡量平坦，避免陡峭。)其他自動(dòng)。按下“單次”掃描。按下峰值游標(biāo)，再按下增量游標(biāo)。調(diào)節(jié)頻譜分析儀的增量游標(biāo)，向左、右分別下降到約-3dB，讀出頻率增量f左(-3dB)、f右(-3dB)。根據(jù)公式：SPAN=f右(-3dB)-f左(-3dB)。

如圖1，是向左下降到-3dB的測(cè)試圖，同理可得到向右下降到-3dB的測(cè)試圖。

圖1 向左下降3dB測(cè)量圖

1.4 噪聲邊帶

規(guī)程里的方法，存在2個(gè)問題。首先，在橫坐標(biāo)方面，掃頻寬度200kHz,當(dāng)測(cè)量偏離載頻±100kHz時(shí)，測(cè)量點(diǎn)正好在橫坐標(biāo)邊沿，視覺誤差較大。在測(cè)量±100Hz時(shí)也存在問題，當(dāng)掃頻寬度200kHz，相鄰兩采樣點(diǎn)之間的頻率差是333Hz(200kHz÷600=333Hz自動(dòng)設(shè)置情況下顯示點(diǎn)數(shù)是601點(diǎn))。這時(shí)測(cè)量偏離載頻±100Hz電平，信號(hào)可能掃描不到該點(diǎn)，頻譜普分析儀的電平信號(hào)就會(huì)在相鄰兩點(diǎn)上跳動(dòng)，因此，測(cè)量誤差較大。解決方法是適當(dāng)減小掃頻寬度或增加掃描點(diǎn)數(shù)，使兩點(diǎn)之間頻率差小于100Hz。

其次，當(dāng)頻偏≥1kHz，噪聲幅值波動(dòng)比較大，大約10dB，見圖2。

規(guī)范里的方法：掃頻寬度10kHz,分辨力帶寬RBW小于等于10Hz。打開頻譜分析儀的峰值游標(biāo)，再打開增量游標(biāo)，將中心頻率移到所測(cè)頻偏處。掃頻寬設(shè)置為0Hz，讀取正負(fù)兩個(gè)頻偏處的增量電平絕對(duì)值，取最小值為ΔL，噪聲邊帶=ΔL-10lgRBW。由于掃頻寬度和分辨力帶寬設(shè)置變小，解決了規(guī)程里的第一個(gè)問題。接著把掃頻寬設(shè)置為0Hz，即把頻譜分析儀從頻域測(cè)試轉(zhuǎn)換到時(shí)域測(cè)試(單頻率點(diǎn))，這樣減少了由于頻率波動(dòng)引起幅值得波動(dòng)。解決了規(guī)程里的第二個(gè)問題。

1.5 剩余調(diào)頻

規(guī)范與規(guī)程里的方法基本相同，只是span從10kHz改為100Hz，RBW從1kHz改為10Hz，這樣改動(dòng)增加了分辨力，ΔF和ΔL測(cè)量準(zhǔn)確度提高，靈敏度也提高了。規(guī)范里垂直刻度是用“對(duì)數(shù)”刻度，但是在《無線電電子學(xué)計(jì)量》要求用“線性”刻度，因?yàn)檫@樣檢測(cè)會(huì)更合理。

1.6 線性刻度

規(guī)范與規(guī)程里的方法基本一致，只是誤差計(jì)算公式有差異。

規(guī)程是以衰減10dB的電平為參考，規(guī)范是以衰減0dB的電平為參考，所以分母值是不同的。

1.7 輸入衰減轉(zhuǎn)換的影響

規(guī)程里的方法：在頻譜分析儀的輸入端接一個(gè)50Ω負(fù)載阻抗，通過改變衰減值來測(cè)噪聲電平的變化。噪聲電平波動(dòng)較大，引入測(cè)量誤差也較大。另外輸入信號(hào)為零，改變輸入衰減沒有實(shí)際意義，因此，該方法不能真實(shí)地反映輸入信號(hào)隨著輸入衰減變化而導(dǎo)致輸出信號(hào)變化的情況。即不能真實(shí)的反映頻譜分析儀輸入衰減轉(zhuǎn)換的影響。

規(guī)范里的方法：通過信號(hào)源輸出一個(gè)信號(hào)給頻譜分析儀，通過改變衰減值來測(cè)量峰值電平的變化。峰值電平的波動(dòng)變化很小，遠(yuǎn)小于噪聲電平波動(dòng)，因此，改善了測(cè)量準(zhǔn)確度。

1.8 分辨帶寬轉(zhuǎn)換的影響

規(guī)范與規(guī)程里的方法基本一致，但規(guī)范里提出“固定S/RBW比率”，這一點(diǎn)很重要。因?yàn)镾/RBW比率固定，則頻譜分析儀顯示的波形基本一致，這樣測(cè)量才更準(zhǔn)確、更合理。

另外，在校準(zhǔn)之前，應(yīng)把頻譜分析儀和信號(hào)源的參考頻率輸出/輸入連接在一起。否則當(dāng)RBW較小時(shí)(如RBW≤30Hz)，可能發(fā)生中心頻率偏移，若再以增量電平方法測(cè)量就會(huì)造成較大的偏差(規(guī)范里以RBW=30kHz作為參考值)。

1.9 顯示平均噪聲電平

噪聲電平與輸入衰減和分辨帶寬密切相關(guān)。

規(guī)程里：輸入衰減0dB，分辨力帶寬為10Hz，其他參數(shù)按照自動(dòng)設(shè)置，用電平顯示線測(cè)量出的噪聲電平(即DANLr)。

規(guī)范里的方法與規(guī)程基本相同，還增添了噪聲電平的計(jì)算公式：DANL=DANLr-10lgRBW。按照公式計(jì)算，規(guī)范里的噪聲電平值比規(guī)程里低10dB。噪聲電平應(yīng)該歸一化到1Hz矩形頻率帶寬內(nèi)的功率譜密度。

1.10 鏡像響應(yīng)

規(guī)程里的方法：頻譜分析儀中心頻率調(diào)到與信號(hào)源相同，掃寬40MHz,分辨力帶寬10kHz，視頻帶寬100Hz，輸入衰減為0dB，讀出頻譜分析儀信號(hào)電平。再將信號(hào)源頻率調(diào)到f=fs+2fIF1(f=fs-2fIF1),讀出頻譜分析儀信號(hào)電平。

如果fIF1>10MHz，那么在頻譜分析儀上就讀不出鏡像f=fs+2fIF1(f=fs-2fIF1)的信號(hào)電平，因?yàn)?，頻率超出掃寬40MHz(4fIF1>40MHz)。

另外，當(dāng)掃寬40MHz時(shí)，相鄰兩點(diǎn)之間的頻率差為66.7kHz(40MHz÷600=66.7kHz)。分辨力帶寬10kHz時(shí)，當(dāng)信號(hào)掃到兩點(diǎn)之間時(shí)，頻譜分析儀的電平信號(hào)就會(huì)在兩點(diǎn)上跳動(dòng)。另外，視頻帶寬為100Hz，對(duì)信號(hào)的軌跡進(jìn)行平均和平滑，造成較大的測(cè)量誤差。

規(guī)范里的方法完全避免了此種情況的出現(xiàn)。

1.11 輸入頻響

規(guī)范與規(guī)程里的方法基本相同，計(jì)算公式不同。

規(guī)范：FR=(LSA-LPM)-(LSAR-LPMR)，是頻率響應(yīng)。

1.12 三階交調(diào)失真

規(guī)范與規(guī)程里的方法基本一致。

規(guī)程里直接測(cè)量出增量電平，沒有給出混頻器輸入電平(混頻器輸入電平與三階交調(diào)失真大小密切相關(guān))，這一點(diǎn)不合理。頻譜分析儀的性能指標(biāo)一般直接給出二階截?cái)帱c(diǎn)和三階截?cái)帱c(diǎn)的數(shù)值。

規(guī)范里通過計(jì)算，給出二階截?cái)帱c(diǎn)(二次諧波失真校準(zhǔn))和三階截?cái)帱c(diǎn)的值，可以更直觀地比較該項(xiàng)性能指標(biāo)。

1.13 輸入電壓駐波比

規(guī)程里的方法比較復(fù)雜：信號(hào)源輸出信號(hào)，通過回?fù)p電橋分別接到頻譜分析儀和標(biāo)網(wǎng)分析儀，然后測(cè)出駐波比。

規(guī)范里方法很簡(jiǎn)單：通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出一個(gè)信號(hào)到頻譜分析儀，然后用網(wǎng)絡(luò)分析儀的電壓駐波比功能測(cè)出駐波比。

2 項(xiàng)目的比較

與規(guī)程相比，規(guī)范增加了幾個(gè)項(xiàng)目，分別是絕對(duì)幅度、頻率計(jì)數(shù)和功率帶寬。

1)絕對(duì)幅度，這個(gè)項(xiàng)目很重要，因?yàn)轭l譜分析儀在實(shí)際使用時(shí)經(jīng)常需要測(cè)量絕對(duì)幅度。

2)頻率計(jì)數(shù)，該項(xiàng)目在需要精確測(cè)量頻率時(shí)使用，可以提高頻率測(cè)量的分辨力和準(zhǔn)確度。

3)功率帶寬，通常在頻譜分析儀測(cè)量GSM、CDMA等系統(tǒng)的通道功率、鄰道功率使用。

3 結(jié)束語

由于數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，頻譜分析儀的性能也越來越先進(jìn)，原先的檢定規(guī)程已不能適應(yīng)新儀器的要求。比如檢定規(guī)程的頻率只開展到26.5GHz而校準(zhǔn)規(guī)范開展到50GHz。另外，校準(zhǔn)規(guī)范完善了校準(zhǔn)電平、分辨力帶寬、輸入衰減轉(zhuǎn)換影響、輸入頻響等項(xiàng)目的校準(zhǔn)方法，還增加了頻率計(jì)數(shù)和功率帶寬的校準(zhǔn)項(xiàng)目，并且在附錄中給出了測(cè)量不確定度評(píng)定方法。這些改變使頻譜分析儀校準(zhǔn)規(guī)范有了很好的適用性。

[1] JJG 501—2000頻譜分析儀檢定規(guī)程.北京：中國計(jì)量出版社，2000

[2] JJF 1396—2013頻譜分析儀校準(zhǔn)規(guī)范.北京：中國質(zhì)量出版社，2013

[3] 王志田.無線電電子學(xué)計(jì)量.北京：原子能出版社，2002

[4] 陳欽碧，王軍恒.頻譜分析儀檢定工作中的一些體會(huì).計(jì)量技術(shù)，2006(4)

[5] 羅伯特.A.威特.李景威，張倫譯.頻譜和網(wǎng)絡(luò)測(cè)量.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1997

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.4.15