信號分析儀（也稱為頻譜分析儀）通常用于測量微弱信號，包括已知信號和未知信號。通過噪聲校正、本底噪聲擴(kuò)展 (NFE) 和優(yōu)化信號分析儀設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最佳靈敏度，從而更輕松地檢測和測量微弱信號。

信號分析儀的靈敏度性能通常會列在儀器指標(biāo)中，最常見的是顯示平均噪聲電平 (DANL) 或噪聲系數(shù) (NF)。DANL 以dBm/Hz為單位，定義為在給定頻率范圍內(nèi)，負(fù)載端接 50 歐姆、輸入衰減為 0 dB、1Hz分辨率帶寬 (RBW) 下，信號分析儀的本底噪聲幅度。

信號分析儀的本底噪聲由兩部分組成：噪聲系數(shù)（NFSA）和熱噪聲能量。后者的幅度描述了信號分析儀輸入端存在的熱噪聲能量，通常用kTB表示：

?k = 玻爾茲曼常數(shù) (1.38 x 10-23焦耳/開爾文)

?T = 設(shè)備周圍環(huán)境溫度 (開爾文)

?B = 測量噪聲的帶寬 (Hz)

影響靈敏度的設(shè)置

經(jīng)過正確校準(zhǔn)的信號分析儀，能夠準(zhǔn)確反映輸入端口所加信號幅度。通常施加到輸入端口的信號，如0dBm的信號，測量和顯示的電平應(yīng)在0dBm左右，誤差在分析儀的精度范圍內(nèi)。衰減或增益的變化會改變這種關(guān)系。

具體來說，輸入衰減的增加將對應(yīng)于信號分析儀中頻（IF）部分的等效增益增加。這樣做是為了在分析儀顯示上保持校準(zhǔn)的電平或信噪比，這可以通過改善本底噪聲來實(shí)現(xiàn)。外部衰減也會產(chǎn)生類似的結(jié)果。下面的公式確定了信號分析儀的本底噪聲，它是衰減、分辨率帶寬的函數(shù)，其中包含的“10*log(RBW)”項(xiàng)，用于補(bǔ)償大于1Hz的RBW。

本底噪聲=DANL + 衰減 + 10*log(RBW)

公式定義了一個(gè)可用于改善本底噪聲的關(guān)系，適用于使用內(nèi)部前置放大的情況。對于使用外部前置放大的情況，可以使用下面的公式來計(jì)算修正后的DANL，該公式由級聯(lián)噪聲系數(shù)公式推導(dǎo)而來，信號分析儀的增益為1。將該系統(tǒng)視為前置放大器和信號分析儀的組合，該公式通常表示為：

NF系統(tǒng)= NF前置放大器+[(NFSA - 1)/

G前置放大器]

外部前置放大可以在一定程度上改善本底噪聲，但并非沒有代價(jià)。在這種情況下，外部前置放大會給系統(tǒng)引入非線性失真，這也會妨礙信號分析儀對大信號的測量。解決這個(gè)問題的方法是使用內(nèi)部前置放大，因?yàn)樗梢愿鶕?jù)測量需求的變化進(jìn)行開關(guān)，而不是持續(xù)處于開啟狀態(tài)。因此，這種解決方案在自動化測試環(huán)境中特別有用。

通過改變衰減、RBW和前置放大設(shè)置來提高信號分析儀的靈敏度。多數(shù)現(xiàn)代信號分析儀還具有測量儀表本底噪聲并相應(yīng)地在信號測量結(jié)果中對其進(jìn)行校正的方法。

噪聲校正

當(dāng)用信號分析儀測量被測設(shè)備DUT時(shí)，分析儀屏幕上顯示的頻譜是DUT輸入信號、熱噪聲和NFSA的組合。當(dāng)斷開DUT與輸入端的連接，換上50歐姆終端時(shí)，分析儀屏幕上得到的跡線純粹是熱噪聲和NFSA，被定義為分析儀的本底噪聲。

隨著信號分析儀技術(shù)的進(jìn)步，可以借助大量平均運(yùn)算來測量其本底噪聲，并將其存儲到一個(gè)稱為“校正跡線”的文件中。當(dāng)連接并測量DUT輸入信號時(shí)，它會將得到的結(jié)果跡線保存到一個(gè)稱為“測量跡線”的文件中。噪聲校正就是通過下面的公式 獲得結(jié)果跡線，即去除多余噪聲后的 DUT 輸入信號頻譜。

結(jié)果跡線 = 測量跡線[DUT 輸入信號+kTB+NFSA]- 校正跡線[ kTB + NFSA] = DUT輸入信號

注意，所有值在進(jìn)行減法之前都從對數(shù)（dBm）轉(zhuǎn)換為線性值（毫瓦，mW），結(jié)果跡線再轉(zhuǎn)換回dBm并在信號分析儀的屏幕上顯示。這樣做便于觀察低電平信號，同時(shí)由于消除了信號分析儀本底噪聲帶來的誤差，使得幅度測量更準(zhǔn)確。

圖1展示了一種使用跡線運(yùn)算進(jìn)行噪聲校正的相對簡單的方法。首先在輸入端接的情況下對信號分析儀的本底噪聲進(jìn)行平均，并將結(jié)果保存到跡線1（黃色）。然后連接DUT，捕獲其信號并保存到跡線2（藍(lán)色）。使用跡線運(yùn)算對這兩個(gè)跡線進(jìn)行功率減法，并將結(jié)果保存到跡線3（紫色）。當(dāng)輸入信號接近信號分析儀的本底噪聲時(shí)，噪聲校正的效果最為顯著。

這種方法的主要問題是，每次更改設(shè)置時(shí)，必須斷開DUT并連接50歐姆負(fù)載。一種無需移除DUT就能測量校正跡線的方法是增加輸入衰減（比如增加到70dB），使信號分析儀的本底噪聲遠(yuǎn)高于DUT輸入信號，然后將其保存為校正跡線。此時(shí)，校正跡線將包含下面公式所示的分量。

校正跡線 = DUT輸入信號 + kTB + NFSA + 衰減

如果（kTB + NFSA + 衰減）>> DUT輸入信號，則可以忽略DUT輸入電平，并根據(jù)下面公式設(shè)置校正跡線。

校正跡線 = kTB + NFSA + 衰減

通過從公式中減去已知的衰減，可以得到手動方法中使用的原始校正跡線，如下面公式所示。

校正跡線 = kTB + NFSA

這個(gè)過程的問題在于，校正跡線僅對信號分析儀當(dāng)前的設(shè)置有效。改變中心頻率、掃寬和RBW等設(shè)置會使校正跡線中存儲的值失效。更好的方法是知道所有頻率點(diǎn)的具體NFSA，然后對任何設(shè)置應(yīng)用校正跡線。

是德科技的X系列信號分析儀利用名為“本底噪聲擴(kuò)展”的高級校準(zhǔn)功能來測量和存儲分析儀頻率范圍內(nèi)以及各種衰減器和信號路徑上的殘余本底噪聲，作為其本底噪聲擴(kuò)展功能（NFE）的一部分（圖2）。這些數(shù)據(jù)隨后存儲在儀器的內(nèi)存中。當(dāng)用戶在分析儀上開啟NFE功能時(shí)，分析儀會根據(jù)儀器的當(dāng)前設(shè)置和存儲的噪聲系數(shù)值計(jì)算出校正跡線。這消除了手動操作那樣需要測量分析儀本底噪聲的步驟，大大簡化了噪聲校正的使用，并消除了每次設(shè)置改變時(shí)測量儀器本底噪聲所需的額外時(shí)間。為了使NFE有效工作，使用足夠多的跡線平均至關(guān)重要，建議至少進(jìn)行10次跡線平均。

圖 2. Keysight N9042B UXA 信號分析儀的NFE功能有助于提高低電平信號靈敏度。藍(lán)色跡線表示未使用 NFE 的 頻譜響應(yīng)。紫色跡線表示將 NFE 從關(guān)閉狀態(tài)切換到開啟狀態(tài)后的同一信號，本底噪聲降低了約 10 dBm。

圖3. 在1GHz處檢測到一個(gè)基波信號，在其兩側(cè)還可以看到兩個(gè)較低電平的信號。提高信噪比會使較低電平的信號更清晰可見。提高信噪比的一個(gè)快速方法是降低本底噪聲。通過使用NFE來實(shí)現(xiàn)。

圖4. 選擇頂部的第三個(gè)測量欄選項(xiàng)，選擇“NFE”軟鍵，選擇“自適應(yīng)”或“完全”。此外，開啟跡線平均，并設(shè)置足夠數(shù)量的跡線平均（≥10次平均）。

圖5. 藍(lán)色跡線為測量相同的信號，開啟了自適應(yīng)NFE。本底噪聲降低了約5dB，較低電平的信號更容易檢測到。

圖6顯示了“表征本底噪聲”校準(zhǔn)，可通過“系統(tǒng)設(shè)置”→“校準(zhǔn)”→“高級”→“表征本底噪聲”來設(shè)置。在使用NFE功能之前，可能需要表征本底噪聲以獲得最佳結(jié)果。分析儀每年會自動提醒用戶應(yīng)該運(yùn)行“表征本底噪聲”校準(zhǔn)；也可以更頻繁地運(yùn)行它以確保獲得最佳結(jié)果。

Keysight X系列分析儀中的其他應(yīng)用和測量選件也會使用噪聲校正方法。頻譜分析儀中的功率套件測量，如鄰道功率（ACP），自X系列信號分析儀首次推出以來就具備噪聲校正功能。其他測量如快速功率（FP2）也有噪聲校正功能。此外，每當(dāng)重復(fù)測量已知的重復(fù)性數(shù)字信號時(shí)，可以通過數(shù)學(xué)方法降低相關(guān)的本底噪聲。

在討論的噪聲校正方法中，熱噪聲（kTB）和NFSA都被減去，從而提高了檢測和測量可能被本底噪聲掩蓋的低電平信號的靈敏度。這些方法及其結(jié)果在許多情況下是有效的。而當(dāng)測量值接近或等于儀器的本底噪聲時(shí)，就可能會出現(xiàn)問題。如果它們相等，結(jié)果將是負(fù)無窮 dB。在應(yīng)用NFE時(shí)，要使用足夠多的平均來減少校正后本底噪聲的隨機(jī)變化。

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