缅甸玉和国际

頻譜分析系列:如何選擇顯示檢波器

2020-04-11 來源:微波射頻網作者:海川 我要評論(0) 字號:

之所以介紹頻譜儀的顯示檢波器,是因為在寬帶信號功率測試、功率譜密度測試及相噪測試等應用中,對顯示檢波器的選擇有一定的要求。如果選擇的檢波器不合適,那么將無法準確完成測試。本文的目的也是想讓初學者對這一塊內容有更多的認識,從而能夠根據所測參數選擇合適的檢波器。

何為顯示檢波器(detector)?為什么需要顯示檢波器?

由名稱可以看出,顯示檢波器是與結果的顯示相關的,它決定了頻譜儀如何顯示測試結果。初學者很容易混淆包絡檢波器和顯示檢波器,二者其實是完全不同的,在圖1所示的傳統頻譜儀架構中,采用了硬件包絡檢波器,直接提取出IF信號的包絡。顯示檢波器如何工作呢?

顯示檢波器應用于采用數字IF 處理的現代頻譜儀中,并不是包絡檢波器,本質上就是一種數字算法。簡單地講,現代頻譜儀中末級IF信號經過ADC轉換為數字信號,由于ADC采樣率較高,頻譜儀在一次完整的掃描周期內會有很多樣點數需要處理和顯示,那么如何顯示這些樣點將由顯示檢波器決定!

圖1。 傳統頻譜儀架構示意圖

舉例:頻譜儀設置4000個掃頻點,總掃描時長為400ms,假設頻譜儀中ADC的采樣率為200MS/s,則每個頻點對應多少個樣點數據呢?

此處不考慮IF filter (RBW filter)的瞬態響應時間,假設總時長400ms全部應用于數據采集,則每個掃頻點包含的采集時間為:400ms/4000=0.1ms。

缅甸玉和国际那么在0。1ms內ADC采集的樣點數為:0。1ms x 200MS/s = 20000 個樣點。這意味著每一個掃頻點將包含20000個樣點,那么該如何顯示出來呢?

總不能將這么多個樣點都顯示在這個掃頻點上吧?!

缅甸玉和国际因此,為了解決如何顯示的問題,就引入了顯示檢波器。

所謂顯示檢波器,就是一種數學方法,決定了如何顯示每個掃頻點的結果。比如,從20000個樣點中選取幅值最大或者最小的樣點顯示出來。

值得一提的是,頻譜儀實際中如何顯示這些樣點,所要考慮的因素比上述例子復雜得多,還要考慮顯示屏幕的像素、LO調諧步進及Span的大小等因素。盡管如此,對于顯示檢波器作用的理解,使用上述例子已經足夠了。

頻譜儀主要有哪些顯示檢波器呢?

首先了解一下顯示檢波器的位置,圖2給出了現代頻譜儀數字IF處理的基本架構,經ADC離散后的數字IF會最終轉換為IQ數據,顯示檢波器將依據IQ幅度決定如何顯示頻譜測試結果。

圖2. 顯示檢波器決定了如何顯示頻譜測試結果

業界頻譜儀所支持的顯示檢波器類型比較多,常用的檢波器包括:最大值、最小值、自動峰值(AP, Auto Peak)、平均值(AVG, Average)及均方根值(RMS)檢波器。為了便于說明,依然沿用上面的例子,假設每個掃頻點包含20000個樣點數據。

缅甸玉和国际表1中給出了這五種顯示檢波器的含義,最大值和最小值檢波器比較容易理解,就是選取樣點中幅度最大值和最小值顯示出來。自動峰值檢波器是將最大值和最小值都顯示出來,表現形式是最大值和最小值之間直連,也就是一個掃頻點顯示的是一條豎直的線。自動峰值檢波器通常是頻譜儀默認的設置,這也是為什么一打開頻譜儀就看到“很厚”的底噪的原因!

表1. 常用的顯示檢波器類型

檢波器類型檢波器含義描述
最大值從20000個樣點數據中選取幅值最大的樣點顯示出來
最小值從20000個樣點數據中選取幅值最小的樣點顯示出來
自動峰值從20000個樣點數據中的最大值和最小值直連顯示出來
平均值對20000個樣點數據進行算術平均后,將平均值顯示出來
均方根值對20000個樣點數據進行幾何平均后,將平均值顯示出來

下面分別給出了平均值檢波器和均方根值檢波器對應的數學公式:

Ai表示第i個樣點的幅值:

ARMS是信號幅度的有效值,由其可以計算出信號的真實的平均功率:

式中,R為系統參考阻抗,Pi為第i個樣點對應的功率值。選擇RMS檢波器時,計算得到的功率P為N個樣點功率值的平均值。

下面考慮一個簡單的場景:理想CW信號的頻譜測試,沒有任何噪聲,那么使用上述任一種檢波器得到的結果都是相同的。因為對于理想CW信號,由IQ數據計算得到幅值就是個常數。

但實際上,隨機噪聲無處不在,得到的IQ數據上也疊加了噪聲,如果參與平均的樣點數足夠多,則隨機噪聲的平均值趨于零,使用AVG檢波器得到的結果可以忽略隨機噪聲,可以準確測試CW信號的功率。而使用RMS檢波器得到的結果則是信號和噪聲的總功率。

如果CW信號的SNR比較高,那么采用AVG和RMS檢波器的測試結果相當;如果信號比較微弱,可以考慮采用AVG檢波器以更好地抑制噪聲。

如果要測試寬帶信號的功率,比如測試數字調制信號的功率或者噪聲功率譜密度等,務必要將顯示檢波器選擇為RMS檢波器!因為只有RMS檢波器測得的結果才是寬帶信號真實的平均功率!

顯示檢波器與頻譜儀的跡線模式有什么區別?

初學者還比較容易混淆顯示檢波器和跡線模式,下面簡單介紹一下。

頻譜儀常用的跡線模式包括Clear/Write、Max。 Hold、Min。 Hold、Average等,它們與上面介紹的最大值、最小值及平均值檢波器是完全不同的。跡線模式是對多次掃頻結果進行處理的,而顯示檢波器是對同一個頻點所包含的樣點數進行處理,從數據處理流程看,使用顯示檢波器在前,而跡線模式生效在后。

比如Max. Hold,就是將多次掃頻曲線的最大值顯示出來并固化在屏幕上,對于同一個頻點,當出現更大的幅值時,才會進行刷新。當測試跳頻信號的頻譜時,結果發現譜線的位置一直在跳動,此時便可以打開Max. Hold跡線模式,只要觀測的時間夠長,那么就可以觀察到所有跳頻點的頻譜。

類似地,Average跡線模式是將多次掃頻測試結果進行線性或者對數平均后顯示出來。測試微弱的CW信號時,可以使用Average跡線模式,從而讀取穩定的測試結果。

如何選擇顯示檢波器?

針對這個問題,下面給出了五種測試場景。

I. CW信號測試

比如單音/多音信號測試、雜散、諧波及交調失真測試等,只要具有較強的SNR,采用默認的自動峰值檢波器即可。對于雜散和諧波測試,由于信號較弱,為了得到更好的結果,可以考慮采用AVG或者RMS檢波器,以平均噪聲,提高測試精度。

II. 寬帶信號測試

典型的寬帶信號,比如數字調制信號,或者寬帶噪聲信號,如果要測試這類信號的總功率或者功率譜密度,只有選擇RMS檢波器,測得的結果才能反映真實的功率特性。為了得到平滑的頻譜曲線,建議將掃描時間設置長一些,這樣會有更多的樣點數參與平均,平均值會越來越穩定。

得到平滑的頻譜曲線后,還可以進一步完成ACLR / ACPR和占用帶寬OBW的測試,RMS檢波器可以保證得到穩定、精確的測試結果!

值得一提的是,采用RMS檢波器后,VBW必須要大于RBW,否則測試結果會偏低!默認情況下,VBW和RBW是聯動設置的,可以滿足這一點。

III. 射頻脈沖信號測試

如果只是要得到射頻脈沖信號的包絡譜顯示或者線狀譜顯示,則使用默認的自動峰值檢波器即可。如果要使用帶寬積分法測試信號的平均功率,則依然要求選擇RMS檢波器。

IV. 總諧波失真測試

對于基波信號功率測試,選擇自動峰值檢波器即可。對于諧波信號功率的測試,有兩種方法可以選擇:(1) 單獨測試每個諧波的功率,換算成線性功率后再相加求和,最后取對數,即為總諧波功率;(2) 直接使用帶寬積分法測試總諧波功率,需要設置為RMS檢波器。

V. 相位噪聲測試

基于頻譜儀的相位噪聲測試,無論是手動測試,還是使用軟件自動測試,都屬于直接法測試。首先確定載波功率,然后再確定一定偏移頻率處的功率譜密度,二者的比值即為相位噪聲。

如果手動測試相位噪聲,需要考慮的因素比較多,后面會專門展開細述。對于顯示檢波器的選擇,由于相位噪聲也屬于寬帶噪聲,因此也要求使用RMS檢波器。

小結

文中著重介紹了頻譜儀顯示檢波器的相關內容,其實顯示檢波器的選擇并不難,測試場景可能多種多樣,但是信號的形式就那么幾種,只要掌握了每一種顯示檢波器的含義,再結合信號類型及需要測試的參數選擇合適的檢波器即可。

小文雖短但不乏精華,希望大家持續關注“微波射頻網”,后續精彩不斷~

微波射頻行業人士 | 相聚在這里
【10大細分領域的微信技術交流群】
訂閱微信公眾號
訂閱微信公眾號
加群管理員為好友
加群管理員為好友

更多信息,進入無線射頻測試、微波測量專欄

主題閱讀: 頻譜儀  檢波器