頻譜分析儀檢波方式的分析與研究

摘 要:頻譜分析儀是常用的射頻測(cè)量?jī)x器之一。在測(cè)試和分析各種信號(hào)時(shí)，必須選擇合適的檢波方式才能正確反映它們的特性，如果選擇不合適的檢波方式可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)誤差或者錯(cuò)誤。介紹頻譜分析儀的多種檢波方式，詳細(xì)分析采樣檢波、最大峰值檢波、最小峰值檢波、自動(dòng)峰值檢波、普通檢波、平均值檢波、均方根檢波、準(zhǔn)峰值檢波的特點(diǎn)和用途，最后總結(jié)了各種檢波方式的區(qū)別。

關(guān)鍵詞:采樣檢波;最大峰值檢波;最小峰值檢波;自動(dòng)峰值檢波;普通檢波;平均值檢波;RMS檢波;準(zhǔn)峰值檢波

中圖分類號(hào):TN911文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)01-097-03

Analysis and Research of Detector Types of Spectrum Analyzer

CHEN Min，LIU Ping

(Institute of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing，211100，China)

Abstract:Spectrum analyzer is one of the radio frequency measuring instruments in common use.Appropriate detector types should be chosen to analyze and measure a variety of signals to show their characteristics correctly，the results would be inaccurate or absolutely wrong when inappropriate detector types are chosen.Various kinds of detector types of spectrum analyzer are introduced，the features and applications of sample detector，max peak detector，min peak detector，auto peak detector，normal detector，average detector，RMS detector and quasi-peak detector are analyzed in detail，the differences among them are concluded.

Keywords:sample detector;max peak detector;min peak detector;auto peak detector;normal detector;average detector;RMS detector;quasi-peak detector

0 引 言

在使用頻譜分析儀測(cè)試和分析各種類型的信號(hào)時(shí)，必須正確設(shè)置檢波方式。與頻譜儀的檢波方式相關(guān)的一個(gè)重要概念是“像素點(diǎn)[1，2]”。把頻譜儀所顯示的頻譜等分為n個(gè)像素點(diǎn)，當(dāng)頻譜跨度很大時(shí)，每個(gè)像素點(diǎn)都要包含相對(duì)較大頻率范圍的信息，而每個(gè)像素點(diǎn)只能顯示一個(gè)數(shù)值，并不能把包含的所有采樣點(diǎn)的信息都直觀地顯示出來。

像素點(diǎn)數(shù)量和頻域上的像素點(diǎn)寬度定義如下:

像素點(diǎn)的數(shù)量=(掃描點(diǎn)數(shù)-1)

像素點(diǎn)寬度=頻譜跨度/(掃描點(diǎn)數(shù)-1)

不同頻譜儀的采樣率并不相同，但是減小頻譜跨度或者增加掃描時(shí)間都會(huì)提高采樣率，每個(gè)像素點(diǎn)所包含的采樣點(diǎn)都會(huì)隨之增加。而像素點(diǎn)和像素點(diǎn)寬度的概念非常重要，它可以幫助人們區(qū)分以下八種檢波方式。

1 采樣檢波

采樣檢波[1-4]是指從每個(gè)像素點(diǎn)中包含的所有采樣點(diǎn)中隨機(jī)地抽取出一個(gè)采樣點(diǎn)顯示出來。它可以很好地顯示噪聲波動(dòng)的隨機(jī)性。每個(gè)像素點(diǎn)中包含的采樣點(diǎn)越多，采樣檢波就越能更好地顯示噪聲波動(dòng)的隨機(jī)性。然而采樣檢波并不能用來分析其他信號(hào)，譬如用它分析連續(xù)正弦信號(hào)，當(dāng)頻譜儀設(shè)置像素點(diǎn)寬度遠(yuǎn)大于分辨濾波器帶寬時(shí)，會(huì)出現(xiàn)幅度顯示誤差甚至是信號(hào)完全丟失。這是因?yàn)椴蓸訖z波采樣是隨機(jī)的，他不一定會(huì)把像素點(diǎn)中的信號(hào)恰好采樣出來。

2 最大峰值檢波

最大峰值檢波[1-4]的作用是從每個(gè)像素點(diǎn)中取出最大峰值點(diǎn)并顯示出來。即使像素點(diǎn)寬度遠(yuǎn)大于分辨濾波器帶寬，也不會(huì)發(fā)生輸入信號(hào)丟失的情況。而當(dāng)掃描時(shí)間很短，且像素點(diǎn)寬度遠(yuǎn)小于分辨濾波器帶寬時(shí)，其顯示數(shù)值和采樣檢波相同，這是因?yàn)槊總€(gè)像素點(diǎn)中的采樣點(diǎn)只有一個(gè)。

最大峰值檢波是很多頻譜儀的原始設(shè)置檢波方式，可見它是最常用的檢波方式之一。最大峰值檢波的用途很廣，除連續(xù)波信號(hào)外，還可以用來測(cè)試脈沖信號(hào)，同時(shí)也是EMC測(cè)試中常用的檢波方式。

3 最小峰值檢波

與最大峰值檢波相對(duì)應(yīng)的是最小峰值檢波[1-4]，顧名思義，它是從每個(gè)像素點(diǎn)中取出最小峰值點(diǎn)并顯示出來。雖然大部分頻譜儀都會(huì)提供這種檢波方式，但是它卻并不常用。最小峰值檢波可以從噪聲中分辨出微小的連續(xù)正弦信號(hào)，這是因?yàn)樗梢院芎玫匾种骑@示噪聲，顯示噪聲波動(dòng)的最小電平。另外EMC測(cè)試中，如果要從脈沖信號(hào)中分辨出連續(xù)正弦信號(hào)，這時(shí)就需要使用它。從圖1中可以知道采樣檢波、最大峰值檢波、最小峰值檢波的原理與區(qū)別。

圖1 采樣檢波、最大峰值檢波、最小峰值檢波的原理與區(qū)別

4 自動(dòng)峰值檢波

自動(dòng)峰值檢波[1，3]是羅德與施瓦茨公司頻譜儀采用的一種檢波方式，又被稱為最大最小峰值檢波。它的原理非常簡(jiǎn)單，它同時(shí)從每個(gè)像素點(diǎn)中取出最大峰值點(diǎn)和最小峰值點(diǎn)并顯示出來，并用一條垂線把最大峰值點(diǎn)和最小峰值點(diǎn)連接起來。在測(cè)試噪聲時(shí)，相對(duì)于采樣檢波可以分析噪聲波動(dòng)的隨機(jī)性，自動(dòng)峰值檢波則可以分析噪聲波動(dòng)的范圍。如果在測(cè)試噪聲過程中增加掃描時(shí)間，還可以使顯示噪聲帶變寬。自動(dòng)峰值檢波原理如圖2所示。

圖2 自動(dòng)峰值檢波原理

5 普通檢波

相對(duì)于羅德與施瓦茨公司的頻譜儀采用自動(dòng)峰值檢波方式，安捷倫公司的頻譜儀采用普通檢波方式[2，4]，這種檢波方式的正式名稱是rosenfell檢波。普通檢波的原理與自動(dòng)峰值檢波相比更加復(fù)雜，但兩者也有相似之處。普通檢波原理如圖3所示。

圖3 普通峰值檢波原理

圖3中總共有10個(gè)像素點(diǎn)，序列號(hào)為偶數(shù)的像素點(diǎn)顯示的是各自像素點(diǎn)內(nèi)的最小峰值點(diǎn)。而序列號(hào)為奇數(shù)的像素點(diǎn)顯示的雖然是最大峰值點(diǎn)，但是這個(gè)最大峰值點(diǎn)并不只限于各自像素點(diǎn)內(nèi)。它首先會(huì)把序列號(hào)為奇數(shù)的像素點(diǎn)內(nèi)的最大峰值點(diǎn)與該像素點(diǎn)之前的一個(gè)像素點(diǎn)內(nèi)的最大峰值點(diǎn)比較大小，然后取出兩者中的最大值點(diǎn)并顯示出來。如圖3中第7個(gè)像素點(diǎn)顯示的數(shù)值實(shí)際上是第6個(gè)像素點(diǎn)內(nèi)的最大峰值，這是因?yàn)榈?個(gè)像素點(diǎn)的最大峰值小于第6個(gè)像素點(diǎn)的最大峰值。

因此，這種檢波方式可能會(huì)導(dǎo)致顯示點(diǎn)相對(duì)于實(shí)際位置發(fā)生偏移，但是偏移量與整個(gè)頻譜跨度相比很小，甚至可以忽略不計(jì)。同時(shí)，安捷倫公司的頻譜儀會(huì)通過移動(dòng)本振信號(hào)的起止頻率來補(bǔ)償這種誤差。

普通檢波適用于把連續(xù)正弦信號(hào)從噪聲中分辨出來。

6 平均值檢波

頻譜儀的每個(gè)像素點(diǎn)包含了很多采樣點(diǎn)的幅度信息，而平均值檢波[1-4]會(huì)有效地利用該像素點(diǎn)內(nèi)所有采樣點(diǎn)的信息，對(duì)分配到每個(gè)像素點(diǎn)的所有采樣點(diǎn)的數(shù)值做線性刻度上的平均。

線性平均定義如下:

VAV=1/N∑Ni = 1vi

式中:VAV為電壓的平均值(單位:V);

N為分配到每個(gè)像素點(diǎn)的采樣點(diǎn)的數(shù)量;

vi為每個(gè)采樣點(diǎn)的包絡(luò)電壓數(shù)值(單位:V)。

線性平均可以對(duì)信號(hào)的包絡(luò)電壓幅度進(jìn)行線性平均，通常在EMC測(cè)試窄帶信號(hào)的時(shí)候需要使用。這時(shí)若在對(duì)數(shù)刻度上取平均會(huì)造成很大的失真，因?yàn)閷?duì)數(shù)算法會(huì)對(duì)高幅度信號(hào)有較大的壓縮。

在相同的測(cè)試時(shí)間里，平均值檢波顯示的數(shù)值不會(huì)有很大的波動(dòng)，而取樣檢波顯示數(shù)值會(huì)有很大的波動(dòng)。如果增加掃描時(shí)間，會(huì)使采樣點(diǎn)的數(shù)量增加，可以有效地平滑軌跡。

平均值檢波可用于測(cè)試信號(hào)的平均值。對(duì)于連續(xù)正弦信號(hào)，平均值檢波與最大峰值檢波的數(shù)值相等，但對(duì)于脈沖或者調(diào)制信號(hào)，平均值檢波要低于最大峰值檢波。

7 RMS檢波

RMS檢波[1-4]又稱為有效值檢波或者均方根檢波，它計(jì)算分配到每個(gè)像素點(diǎn)內(nèi)所有采樣點(diǎn)的數(shù)值，計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)頻譜內(nèi)的信號(hào)功率。在計(jì)算有效值時(shí)，所有采樣點(diǎn)的數(shù)值均采用線性刻度。有效值可通過下式得出:

VRMS=1N∑Ni=1v2i

式中:VRMS為電壓的有效值(單位:V);

N為 每個(gè)像素點(diǎn)所分配的采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù);

vi為每個(gè)采樣點(diǎn)的包絡(luò)電壓數(shù)值(單位:V)。

再根據(jù)阻抗值R就可以計(jì)算出信號(hào)的實(shí)際功率:

P=V2RMS/R

在使用RMS檢波時(shí)，增加掃描時(shí)間，會(huì)使參與計(jì)算的采樣點(diǎn)增多，起到平滑軌跡的作用。但是不允許通過減小視頻濾波器帶寬或者蹤跡平均來平滑顯示軌跡，因?yàn)檫@樣做會(huì)使顯示數(shù)值變小，造成失真。

在使用RMS檢波時(shí)，視頻濾波器帶寬必須大于等于3倍的分辨濾波器帶寬。

8 準(zhǔn)峰值檢波

CISPR規(guī)定EMC測(cè)試脈沖干擾需要使用準(zhǔn)峰值檢波[5]。一般情況下，EMI接收機(jī)必然帶有準(zhǔn)峰值檢波方式，但是頻譜儀卻不一定帶有這種檢波方式，部分高級(jí)頻譜儀通過選件的形式附帶這種檢波方式[6]。準(zhǔn)峰值檢波[1-4]可以看成是一種加權(quán)形式的峰值檢波，它的測(cè)試數(shù)值不僅與測(cè)試信號(hào)的幅度有關(guān)，而且與測(cè)試信號(hào)的時(shí)間分布和重復(fù)頻率有關(guān)。

測(cè)試脈沖干擾信號(hào)時(shí)，最大峰值檢波的測(cè)試數(shù)值只能反映脈沖的幅度，而準(zhǔn)峰值檢波的測(cè)試數(shù)值不僅可以反映脈沖的幅度，還可以反映脈沖的時(shí)間分布和重復(fù)頻率[5，7，8]。例如兩個(gè)具有相同幅度的脈沖，其中一個(gè)脈沖的重復(fù)頻率是10 Hz，另一個(gè)脈沖的重復(fù)頻率是100 Hz。采用準(zhǔn)峰值檢波會(huì)發(fā)現(xiàn)10 Hz重復(fù)頻率的脈沖的測(cè)試數(shù)值明顯要低于100 Hz重復(fù)頻率的脈沖的測(cè)試數(shù)值，而采用最大峰值檢波則會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者的數(shù)值相同。如果采用平均值檢波來測(cè)試這兩個(gè)脈沖信號(hào)，雖然兩者平均值有區(qū)別，但卻不能測(cè)試出兩者的幅度。另外需要注意的是幅度大、重復(fù)頻率低的脈沖信號(hào)與幅度小、重復(fù)頻率高的脈沖信號(hào)可能會(huì)有相同的準(zhǔn)峰值輸出。而對(duì)于連續(xù)正弦信號(hào)，準(zhǔn)峰值檢波，最大峰值檢波，平均值檢波的測(cè)試數(shù)值相等。

準(zhǔn)峰值檢波測(cè)試所需要的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于最大峰值檢波，測(cè)試的效率相對(duì)較低。實(shí)際EMC測(cè)試中首先用最大峰值檢波進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)楦鞣N檢波方式當(dāng)中，最大峰值檢波得到的測(cè)試數(shù)值必然最高，而且所需的測(cè)試時(shí)間也相對(duì)較少。如果首輪最大峰值檢波測(cè)試數(shù)值比標(biāo)準(zhǔn)給定的準(zhǔn)峰值檢波或者平均值檢波的限值要低，則以后的試驗(yàn)不用進(jìn)行。如果最大峰值檢波測(cè)試中有部分頻段的測(cè)試數(shù)值高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的準(zhǔn)峰值檢波或者平均值檢波的限值，就再取該頻段補(bǔ)做準(zhǔn)峰值檢波或者平均值檢波的測(cè)試。即使這樣，整個(gè)測(cè)試時(shí)間也短于全部用準(zhǔn)峰值檢波或者平均值檢波的時(shí)間。

表1對(duì)各種檢波方式是否能夠測(cè)試連續(xù)正弦信號(hào)、脈沖信號(hào)、隨機(jī)干擾噪聲信號(hào)及其測(cè)試效果進(jìn)行了總結(jié)[1-10]。

表1 各種檢波方式應(yīng)用場(chǎng)合的區(qū)別

連續(xù)正弦信號(hào)脈沖信號(hào)隨機(jī)干擾噪聲

采樣

檢波不可以測(cè)試，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試信號(hào)丟失不可以測(cè)試可以測(cè)試噪聲波動(dòng)隨機(jī)性

最大峰值檢波可以測(cè)試可以測(cè)試脈沖信號(hào)幅度，但不能測(cè)試其時(shí)間分布或者重復(fù)頻率測(cè)試無意義

最小峰值檢波可以測(cè)試，但不常用不可以測(cè)試測(cè)試無意義

自動(dòng)峰值檢波可以測(cè)試不可以測(cè)試可以測(cè)試噪聲波動(dòng)范圍

普通檢波可以測(cè)試不可以測(cè)試可以測(cè)試噪聲波動(dòng)范圍

平均值檢波

可以測(cè)試可以測(cè)試脈沖信

號(hào)線性平均值，但

不能測(cè)試其幅度

可以測(cè)試噪聲線性平均值

RMS檢波

可以測(cè)試可以測(cè)試脈沖

信號(hào)功率，但不

能測(cè)試其幅度

可以測(cè)試噪聲功率

準(zhǔn)峰值

檢波

可以

測(cè)試

CISPR推薦用來測(cè)試

脈沖信號(hào)，既可以測(cè)試

其幅度，又可以測(cè)試其

時(shí)間分布或者重復(fù)頻率

測(cè)試

無意義

9 結(jié) 語

對(duì)于各種類型的信號(hào)，如果選擇不合適的檢波方式，會(huì)導(dǎo)致誤差甚至是完全錯(cuò)誤的結(jié)果。只有了解各種檢波方式的特點(diǎn)和用途，才能對(duì)不同類型信號(hào)進(jìn)行正確地測(cè)試與分析。

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