頻譜分析儀的相位噪聲和本底噪聲

一、相位噪聲

雖然我們看不到頻譜分析儀本振系統(tǒng)的實際頻率抖動，但仍能觀察到本振頻率或相位不穩(wěn)定性的明顯表征，這就是相位噪聲 (有時也叫噪聲邊帶)。沒有一種振蕩器是絕對穩(wěn)定的，它們都在某種程度上受到隨機噪聲的頻率或相位調(diào)制的影響。如前所述，本振的任何不穩(wěn)定性都會傳遞給由本振和輸入信號所形成的混頻分量，因此本振相位噪聲的調(diào)制邊帶會出現(xiàn)在幅度遠(yuǎn)大于系統(tǒng)底噪的那些頻譜分量周圍 (圖 1-1)。顯示的頻譜分量和相位噪聲之間的幅度差隨本振穩(wěn)定度而變化，本振越穩(wěn)定，相位噪聲越小。它也隨分辨率帶寬而變，若將分辨率帶寬縮小 10 倍，顯示相位噪聲電平將減小10dB。

圖 1-1 只有當(dāng)信號電平遠(yuǎn)大于系統(tǒng)底噪時, 才會顯示出相位噪聲

圖1-2 相位噪聲對于小信號測試的影響

相位噪聲頻譜的形狀與分析儀的設(shè)計，尤其是用來穩(wěn)定本振的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)有關(guān)。在某些分析儀中，相位噪聲在穩(wěn)定環(huán)路的帶寬中相對平坦，而在另一些分析儀中，相位噪聲會隨著信號的頻偏而下降。相位噪聲采用 dBc (相對于載波的 dB 數(shù)) 為單位，并歸一化至 1 Hz 噪聲功率帶寬。有時在特定的頻偏上指定，或者用一條曲線來表示一個頻偏范圍內(nèi)的相位噪聲特性。

通常，我們只能在分辨率帶寬較窄時觀察到頻譜儀的相位噪聲，此時相位噪聲使這些濾波器的響應(yīng)曲線邊緣變得模糊。使用前面介紹過的數(shù)字濾波器也不能改變這種效果。對于分辨率帶寬較寬的濾波器，相位噪聲被掩埋在濾波器響應(yīng)曲線的邊帶之下，正如之前討論過的兩個非等幅正弦波的情況。

在任何情況下，相位噪聲都是頻譜儀分辨不等幅信號能力的最終限制因素。如圖3-3所示，根據(jù) 3 dB 帶寬和選擇性理論我們應(yīng)該能夠分辨出這兩個信號，但結(jié)果是相位噪聲掩蓋了較小的信號。

頻譜儀的本振信號的相位噪聲，經(jīng)過混頻器混頻，將在輸入信號上產(chǎn)生相應(yīng)的相位噪聲，這就意味著即使是輸入一個理想的正弦信號，頻譜儀的本振相位噪聲也將在顯示的譜線上疊加，如果輸入信號夾帶相位噪聲，頻譜儀的顯示軌跡就包含了輸入信號和本振信號合成的相位噪聲。本振的相位噪聲很差的情況下，輸入信號鄰近的小信號就無法檢測出來。

相位噪聲主要影響頻譜儀的分辨率和動態(tài)范圍。

圖1-3. 相位噪聲阻礙了對非等幅信號的分辨

二、頻譜儀的本底噪聲

頻譜分析儀的主要用途之一是搜索和測量低電平信號。這種測量的最終限制是頻譜儀自身產(chǎn)生的噪聲。這些由各種電路元件的隨機電子運動產(chǎn)生的噪聲經(jīng)過分析儀多級增益的放大最后作為噪聲信號出現(xiàn)在顯示屏上。該噪聲在頻譜分析儀里通常稱為顯示平均噪聲電平 (Displayed Average NoiseLevel，DANL)。雖然使用一些技術(shù)可以測量略微低于DANL 的信號，但是 DANL 始終限制著我們測量低電平信號的能力。

本底噪聲是頻譜儀靈敏度的重要度量指標(biāo)，決定了頻譜儀可以檢測到的最小電平。

如FSQ(RS 的一款頻譜儀) -148dBm@10Hz,0dB 衰減

假設(shè)Rfatt 為30dB

計算出：本底噪聲= -80.5dBm

這時候測試不出來-80dBm 的信號

圖1-4 RFatt與平均顯示電平

圖1-5 RBW與平均顯示電平

頻譜分析儀顯示的噪聲本底電平依賴于衰減器的設(shè)置，如圖3-4，每增加10dB的衰減量，顯示的噪聲電平將提高10dB。

因為熱噪聲頻率功率密度在噪聲帶寬內(nèi)是連續(xù)的，所以顯示的本底噪聲電平是與選取的中頻濾波器(RBW)的帶寬有關(guān)，可以通過計算而得。如圖3-5，RBW每增加10倍，噪聲電平增大約10dB。圖中，RBW為1MHz和300KHz時，本底噪聲電平較低，S/N較高，信號的功率測試時，基本不受RBW影響，但RBW為3MHz時，本底噪聲電平與信號功率比較接近，是信號的功率測量值偏高。

1.3 1dB 壓縮點

dB壓縮點定義：由于器件飽和區(qū)的影響，增益降低1dB的點。與截止點類似，1dB壓縮點可以指輸入電平或輸出電平。對于功率放大器來說，通常給出輸出1dB壓縮點，對于頻譜儀來說，為輸入的1dB壓縮點。(相類似于LNA的IP1dB)

圖1-6 1dB壓縮點定義

頻譜儀的1dB壓縮點特性主要受第一級混頻器(衰減為0dB)決定，標(biāo)稱的1dB壓縮點指的是混頻器輸入端口的電平。增加衰減器的設(shè)置值，1dB壓縮點會隨衰減器的增大而以同樣的數(shù)值增加。

為了避免過載失真，最大輸入電平應(yīng)該遠(yuǎn)低于1dB壓縮點。

1.4 動態(tài)范圍

動態(tài)范圍是頻譜分析儀同事處理不同電平信號的能力。動態(tài)范圍的限值依賴于實際所要進行的測量，動態(tài)范圍下限是由自然噪聲或相位噪聲決定的，動態(tài)范圍的上限是由1dB壓縮點或由頻譜儀過載而造成的失真決定的。動態(tài)范圍可以以不同的方式定義，和我們平時所說的顯示范圍的概念不一樣。

電平顯示范圍，從平均噪聲電平到最大輸入的電平。頻譜儀為了顯示最大輸入電平的信號，常常需要將衰減器設(shè)置的非常大，這樣頻譜儀顯示的噪聲就不可能是最小值。頻譜儀為了顯示接近平均噪聲電平的信號，衰減器設(shè)置到足夠小，這時候也不能夠測試最大輸入電平的信號。

所以最大動態(tài)范圍通常是在最小分辨率帶寬的情況下，顯示的噪聲電平作為下限，1dB壓縮點作為上限。如果達(dá)到第一級混頻器的輸入電平高出1dB壓縮點，那么將產(chǎn)生混頻器非線性失真，使用較小的RBW時，失真產(chǎn)物就會明顯地顯示出來(他們不會被噪聲淹沒)，此時的頻譜測量就不能明確反映被測設(shè)備的真實頻譜。

圖1-7 最大無互調(diào)范圍和最大諧波抑制能夠有效衡量儀器動態(tài)范圍

對于混頻器電平的選取需要找到合適的折中，如果ATT過大，混頻器電平將降低，頻譜儀產(chǎn)生的失真信號和互調(diào)產(chǎn)物就很微弱，但與此同時對于輸入信號而言，信噪比降低，這種情況下，動態(tài)范圍的下限就有固有躁底決定。

另一方面，如果混頻器電平過高，失真和互調(diào)產(chǎn)物超過自然躁底，而在頻譜儀上清晰分辨出來。實際測量中，無失真顯示頻譜范圍是非常重要的。它由互調(diào)產(chǎn)物或是高次諧波失真限制這個范圍，我們稱這個范圍為無互調(diào)范圍或是最大諧波抑制，兩者是由混頻器電平和所選的RBW決定的。如果互調(diào)產(chǎn)物或者高次諧波電平與噪聲電平相等，則達(dá)到了相應(yīng)的最大值。

ATT值與內(nèi)部混頻器電平(失真信號，互調(diào)產(chǎn)物)，對混頻器的電平選取應(yīng)該找到合適的折中理論上射頻最大無互調(diào)范圍: 2X [IP3-Ldanl]/3

討論下圖 1-8 a、b。