頻譜分析儀（也稱(chēng)為信號(hào)分析儀）的測(cè)量項(xiàng)目之一是確定被測(cè)設(shè)備DUT（例如放大器）的三階截止點(diǎn)TOI。TOI用于評(píng)估因非線性效應(yīng)而導(dǎo)致調(diào)制信號(hào)失真的應(yīng)用中所用到的器件的線性度參數(shù)。由于不確定度會(huì)根據(jù)頻譜分析儀的設(shè)置而發(fā)生顯著變化，因此這種測(cè)量極具挑戰(zhàn)性。使用傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)量方法，工程師需要在動(dòng)態(tài)范圍、測(cè)量時(shí)間、可重復(fù)性和不確定度之間做出權(quán)衡以?xún)?yōu)化這些設(shè)置，來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的測(cè)量。

【手動(dòng)測(cè)量】

TOI 的測(cè)量是利用頻率 f1和 f2的兩個(gè)基音，測(cè)量頻率2f1-f2和2f2-f1處兩個(gè)三階失真產(chǎn)物的相對(duì)電平來(lái)實(shí)現(xiàn)?；舴让吭黾?1 dB，三階失真產(chǎn)物的絕對(duì)電平就會(huì)增加 3 dB，相對(duì)電平 (dBc) 變化會(huì)增加 2 dB，如圖 1 所示。

圖 1. 基音（f1、f2）幅度的變化會(huì)導(dǎo)致失真分量幅度發(fā)生變化

通過(guò)測(cè)量DUT輸出電平的相對(duì)失真水平，可以計(jì)算出失真產(chǎn)物等于基波的理論水平。這就是TOI點(diǎn)。從數(shù)學(xué)上講，該點(diǎn)由公式1給出：

TOI (dBm) = AFund- (d/2)[1]

其中，AFund=基波信號(hào)電平（dBm）

d = 基波信號(hào)與失真之差（dBc）

例如：基波信號(hào)為 -10 dBm，基波與失真之差為 -64 dBc，則 TOI = ?10 -(-64/2) = 22dBm。

另外，可以畫(huà)一條斜率為 2 的線，表示相對(duì)于 DUT 輸出電平的失真變化關(guān)系。圖 2 展示了一個(gè) TOI 圖的示例：當(dāng) DUT 在 –10 dBm 基波輸出電平時(shí)，其三階互調(diào)失真產(chǎn)物為 –64 dBc。由此可以得到 DUT 的三階截止點(diǎn)（TOI）為 +22 dBm。

圖 2. 圖中DUT的 TOI 為 +22 dBm

需要注意的是，頻譜分析儀的 DANL是RBW的函數(shù)。相對(duì)于在 1 Hz 帶寬下的歸一化 DANL 值，當(dāng)RBW增大時(shí)，噪聲底會(huì)按照公式 2 的規(guī)律上升。

DANL (dB) = 10Log (RBW)[2]

DANL 值（以 dB 為單位）是相對(duì)于 1 Hz RBW 設(shè)置的歸一化結(jié)果。RBW 每增加 10 倍，本底噪聲也會(huì)增加10dB，如圖 3 所示。

圖3. DANL與混頻器電平的關(guān)系

頻譜分析儀自身也會(huì)在與被測(cè)設(shè)備（DUT）產(chǎn)生失真的相同頻率處，產(chǎn)生內(nèi)部的三階互調(diào)失真產(chǎn)物。這些失真產(chǎn)物與混頻器電平相關(guān)，而非DUT的輸出電平。正是這種區(qū)別，使得測(cè)量 DUT時(shí)，其TOI顯著高于頻譜分析儀自身 TOI。圖2展示了一個(gè)頻譜分析儀 TOI 為 +15 dBm 時(shí)，相對(duì)于混頻器電平的失真曲線。

公式3給出的混頻器電平，可以通過(guò)增加或減少頻譜分析儀的輸入衰減來(lái)設(shè)置。理想情況下，頻譜分析儀內(nèi)部產(chǎn)生的失真產(chǎn)物應(yīng)遠(yuǎn)小于 DUT 產(chǎn)生的失真產(chǎn)物。如果頻譜分析儀內(nèi)部失真產(chǎn)物與 DUT 的失真產(chǎn)物相等，那么測(cè)量的不確定度會(huì)介于 +6 dB 與負(fù)無(wú)窮大之間（取決于兩信號(hào)的相位關(guān)系）。

混頻器電平=輸入電平–外部衰減–輸入衰減[3]

最佳的混頻器電平是在給定的分辨率帶寬RBW下，頻譜分析儀的內(nèi)部失真產(chǎn)物恰好等于其本底噪聲時(shí)的電平。在這種情況下，可以平衡掉內(nèi)部失真和噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響。

混頻器電平與DANL（1 kHz RBW）的關(guān)系曲線，顯示出隨著混頻器電平提高，信噪比（SNR）也會(huì)改善。在本例中，當(dāng)混頻器電平為 –30 dBm 時(shí)，能夠得到 –90 dB 的信噪比。

當(dāng) DUT 輸出電平為 –10 dBm，衰減為20dB時(shí)，頻譜分析儀的混頻器電平就是 –30 dBm（如圖2所示）。頻譜分析儀的 TOI 曲線顯示，其內(nèi)部產(chǎn)生的三階失真產(chǎn)物相對(duì)于混頻器電平為 –90 dBc。這就使得DUT 與頻譜儀內(nèi)部產(chǎn)生的失真產(chǎn)物之間有 26 dB 的裕量。

如果需要更大的動(dòng)態(tài)范圍，就必須通過(guò)增加衰減來(lái)進(jìn)一步降低混頻器電平。但這樣會(huì)導(dǎo)致頻譜分析儀的本底噪聲升高，需要通過(guò)減小分辨率帶寬RBW來(lái)補(bǔ)償。降低 RBW 會(huì)增加測(cè)量時(shí)間，通常如下式所示：

掃描時(shí)間=（K * 掃寬）/ (RBW)2

其中 K 是一個(gè)常數(shù)，取決于頻譜分析儀型號(hào)和設(shè)置。

通過(guò)調(diào)整分析儀的本振 (LO) 并使用快速傅里葉變換 (FFT)，可以縮短窄 RBW 的掃描時(shí)間。對(duì)于窄RBW，F(xiàn)FT掃描時(shí)間比傳統(tǒng)LO掃描速度更快，X 系列信號(hào)分析儀會(huì)自動(dòng)將掃描類(lèi)型切換為 FFT掃描。

手動(dòng)對(duì)被測(cè)器件DUT進(jìn)行TOI測(cè)量時(shí)，最佳方法是增大內(nèi)部衰減，直到顯示的失真分量幅度不再變化。此時(shí)，來(lái)自頻譜分析儀內(nèi)部產(chǎn)生的失真不再對(duì)顯示的被測(cè)器件 (DUT) 三階失真分量產(chǎn)生影響。

測(cè)量結(jié)果的差異主要是由于失真產(chǎn)物的信噪比 (SNR) 低于頻譜分析儀的本底噪聲而造成的?？梢酝ㄟ^(guò)減小RBW和/或采用平均來(lái)提高測(cè)量的可重復(fù)性。通常，可以通過(guò)跡線平均或?qū)BW降低到小于RBW來(lái)減少這種差異，通過(guò)對(duì)噪聲跡線欠響應(yīng)，從而改善失真產(chǎn)物的信噪比 (SNR)。通過(guò)提高失真產(chǎn)物相對(duì)于 DANL 的信噪比，可以顯著提高 TOI 測(cè)量的可重復(fù)性。值得注意的是，當(dāng) VBW 小于 RBW 時(shí)，分析儀將不再使用快速掃描（選件 FS1/FS2），因此從時(shí)間角度來(lái)看，降低 RBW 而非視頻平均可能更有利。

無(wú)論采用哪種方法，都需要額外的測(cè)量時(shí)間。是德科技X 系列信號(hào)分析儀具有本底噪聲擴(kuò)展 (NFE) 功能，可以通過(guò)減去分析儀的殘余本底噪聲來(lái)進(jìn)一步降低頻譜測(cè)量本底噪聲。此外，均方根 (RMS) 功率平均等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)測(cè)量時(shí)間方面的優(yōu)化，同時(shí)也能改進(jìn)信噪比（ SNR）。

【優(yōu)化方法】

如圖 4 所示，是德科技X系列信號(hào)分析儀的自動(dòng)化、一鍵式TOI測(cè)量允許用戶(hù)快速設(shè)置測(cè)量，以獲得最佳精度和動(dòng)態(tài)范圍，而無(wú)需進(jìn)行傳統(tǒng)手動(dòng)優(yōu)化方法中的諸多權(quán)衡選擇。使用此測(cè)量，用戶(hù)可以手動(dòng)設(shè)置中心頻率和掃寬，也可以按下“Auto Tune”軟鍵讓分析儀自動(dòng)設(shè)置這些參數(shù)。按下“Adjust Attenuation for Minimum Clip”按鈕，可以快速設(shè)置最佳衰減水平。系統(tǒng)將自動(dòng)檢測(cè)和測(cè)量?jī)蓚€(gè)基波信號(hào)，并在屏幕上測(cè)量和顯示失真分量的相對(duì)電平(dBc)。如果在使用“自動(dòng)調(diào)諧”功能時(shí)無(wú)法檢測(cè)到失真分量，可以采取一些額外步驟來(lái)檢測(cè)和測(cè)量被測(cè)器件的TOI。可以降低RBW和/或內(nèi)部衰減，以便檢測(cè)和測(cè)量失真分量。圖 4 展示了我們使用兩個(gè)高性能信號(hào)源和 N9042B UXA 信號(hào)分析儀的示例測(cè)量設(shè)置。

圖 4. 測(cè)試裝置使用兩個(gè)信號(hào)源，分別產(chǎn)生頻率為1000 MHz 和 999 MHz、-3.00 dBm 的CW信號(hào)（f1和f2）。每個(gè)信號(hào)源連接一個(gè)隔離器，然后連接到一個(gè)分路器，分路器的輸出連接到分析儀的輸入。

圖5. 按 MODE/MEAS 鍵找到 TOI 軟鍵，進(jìn)入 TOI 應(yīng)用程序

自動(dòng) TOI 測(cè)量將計(jì)算并顯示測(cè)量結(jié)果，如下所示，參見(jiàn)圖 6。

圖 6. 通過(guò)自動(dòng)化、一鍵式 TOI 測(cè)量，可以快速設(shè)置測(cè)量以獲得最佳精度和動(dòng)態(tài)范圍

用戶(hù)還可以將測(cè)量方法改為零掃寬而非掃描測(cè)量，以便在優(yōu)化測(cè)量速度的同時(shí)進(jìn)行高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量。測(cè)量以較寬的RBW掃描整個(gè)跡線，并測(cè)量?jī)蓚€(gè)基波信號(hào)的幅度電平。然后，儀器以可選的RBW測(cè)量?jī)蓚€(gè)失真分量。失真分量在零掃寬下以用戶(hù)定義的駐留時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，如圖 7 所示。增加駐留時(shí)間可以增加平均樣本的數(shù)量，從而改善方差。

圖 7. 顯示 TOI 應(yīng)用程序中的零掃寬測(cè)量選項(xiàng)。該功能包括用戶(hù)可選的 RBW 和駐留時(shí)間，以及在測(cè)量后自動(dòng)計(jì)算 TOI 值

傳統(tǒng)平均方法的測(cè)量時(shí)間比零掃寬方法更長(zhǎng)。這是因?yàn)槠鋻呙钑r(shí)間因降低RBW而增加了平方律運(yùn)算時(shí)間。零掃寬測(cè)量?jī)H測(cè)量目標(biāo)頻率，包括兩個(gè)連續(xù)波頻率和三階產(chǎn)物的頻率。

傳統(tǒng)上，TOI 測(cè)量采用手動(dòng)技術(shù)，帶來(lái)測(cè)量時(shí)間、測(cè)量重復(fù)性和測(cè)量不確定度方面的影響。現(xiàn)在，用戶(hù)可以通過(guò)自動(dòng)化、一鍵式 TOI 測(cè)量解決方案，完成更快、更優(yōu)化的 TOI 測(cè)量，避免了傳統(tǒng)測(cè)量方法帶來(lái)的諸多不利因素。

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