如何提高頻譜儀測量弱小信號的能力

文/陳敬華

頻譜分析儀是觀測信號的基本手段之一，在無線電監測、檢測以及無線電干擾的查找過程中經常會遇到一些微弱的小信號，在應用頻譜儀對小信號進行監測時，如果頻譜儀參數設置不當，很難發現它們，甚至會忽略這些信號。本文對如何設置適當參數以提高頻譜儀對微弱小信號的監測能力進行了探討。

1 頻譜儀基本原理簡述

最初的頻譜儀是掃描調諧超外差分析儀。隨著技術的發展，現代數字實現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。超外差式頻譜儀結構如圖1。

輸入射頻信號經過衰減器衰減后，進入混頻器。經混頻器與本振信號差頻，轉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放大器進行放大。后經包絡檢波后變成基帶信號，通過視頻濾波后加到顯示器上進行顯示。

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）調節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）通過衰減器調節進入混頻器的電平，可以提高頻譜儀動態范圍。

（4）提高測試的準確性，因為混頻器是非線性器件，信號過大會產生諧波，干擾測試結果。

2.2 混頻器

將輸入信號和本振信號進行混頻，混頻器混頻產生的信號中，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，經處理就會被檢波并顯示。

2.3 中頻放大器

作用是對混頻后的中頻信號進行放大，因為輸入信號經過前置衰減器的衰減，信號電平降低，為了恢復信號幅度，需要對衰減進行補償，但中頻放大器在對有用信號進行放大的同時也會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構圖

混頻器產生的信號分量通過中頻濾波器，中頻濾波器會選出需要的信號同時抑制其他信號。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衰減來分辨兩個等幅信號的最小頻率偏移。一般情況下當兩個等幅信號的頻率間隔大于或等于中頻濾波器的3dB帶寬時，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可以調節，通過調節RBW可以找到合適帶寬的濾波器對頻率間隔很近的信號進行分離。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）數字濾波器；

（3）FFT。

2.5 包絡檢波器

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

2.6 對數放大器

對信號電平按照對數函數來壓縮，減小檢波器所檢測的信號電平變化，同時用分貝讀數的對數刻度。

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，結果顯示穩定。視頻濾波器決定了視頻帶寬。在低信噪比的情況下，減小視頻帶寬來穩定顯示，小信號會在頻譜中穩定的顯現出來。

3 測量微弱信號時頻譜儀的參數設置

用頻譜儀對無線電信號進行測量時，由于頻譜儀自身本底噪聲的關系，在測量小信號時，如果參數設置不當，會造成信號淹沒在噪聲中。要想用頻譜儀監測、分析這些小信號，需要合理的設置頻譜儀的相關參數設置。

3.1 適當設置的輸入衰減

為防止測量大信號時，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壓縮點而導致的頻譜儀失真，通常在各種頻譜儀的混頻器前端都內置衰減器，用來選擇最佳的混頻電平。測量得到的信號電平值不會因為衰減增加而下降，通常每當衰減降低輸入信號電平時中頻放大器就會同時增加相等的信號電平來補償，因此其頻譜儀顯示的信號幅度大小會保持不變。但是，噪聲信號也會同時被放大，其本底噪聲會被抬高。輸入衰減器會降低信噪比。衰減器每衰減10dB，中頻放大器就會補償10dB，頻譜儀的底噪也就會抬高10dB。因此，要提高頻譜分析儀的靈敏度，就必須將衰減設置的盡可能小，降低噪聲電平，避免降低信噪比，使得小信號不會隱藏在噪聲中。

3.2 合理設置前置放大器

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，增益要盡可能的大，噪聲要盡可能的小，尤其是對衛星信號下行鏈路的弱信號進行檢測。同時，使用前置放大器時需要考慮到噪聲值和增益兩個重要因素。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，否則前置放大器達不到提高頻譜儀靈敏度的目的。另外在計算信號實際大小時，要把外加的增益和損耗考慮進來。

3.3 選擇合適的分辨率帶寬（RBW）

在利用頻譜儀監測過程中，分辨率帶寬(RBW)的設置非常重要。頻譜儀的靈敏度與RBW的選擇有直接關系。RBW越小，噪聲帶寬越窄，，進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，則噪聲會增加10倍進入視頻濾波器，頻譜儀的平均噪聲電平就會增加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，可以使弱信號會在頻譜中穩定顯示出來。視頻濾波器雖然不會降低平均噪聲電平，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的設置的一般要小。

3.5 Span（掃頻寬度）的設置

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

3.6 調整掃描時間

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

4 結束語

頻譜儀在無線電測量領域中廣泛使用。頻譜儀的靈敏度反應了其測量弱小信號的能力。可以通過使用前置放大器、改變衰減值、調整RBW和VBW、設置合適的掃頻寬度（SPAN）和掃描時間以及降低參考電平等方法來提高靈敏度。但頻譜儀的各參數之間是相互關聯的，例如使用前置放大器會減小頻譜儀的動態范圍、衰減會增加輸入駐波比，降低測量精度、較低的RBW或VBW會增加掃描時間等等。所以在測量弱小信號時，不能僅僅追求靈敏度，而忽略頻譜儀其他指標。應該根據實際情況，綜合考慮各方面因素，合理設置頻譜儀的各參數，提高測量結果的精確程度。