頻譜分析儀：如何選擇顯示檢波器

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(nèi)容有更多的認識，從而能夠根據(jù)所測參數(shù)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(jié)果的顯示相關(guān)的，它決定了頻譜儀如何顯示測試結(jié)果。初學者很容易混淆包絡(luò)檢波器和顯示檢波器，二者其實是*不同的，在圖1所示的傳統(tǒng)頻譜儀架構(gòu)中，采用了硬件包絡(luò)檢波器，直接提取出IF信號的包絡(luò)。顯示檢波器如何工作呢？
顯示檢波器應用于采用數(shù)字IF 處理的現(xiàn)代頻譜儀中，并不是包絡(luò)檢波器，本質(zhì)上就是一種數(shù)字算法。簡單地講，現(xiàn)代頻譜儀中末級IF信號經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)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(nèi)會有很多樣點數(shù)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(tǒng)頻譜儀架構(gòu)示意圖
舉例：頻譜儀設(shè)置4000個掃頻點，總掃描時長為400ms，假設(shè)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(shù)據(jù)呢？
此處不考慮IF filter (RBW filter)的瞬態(tài)響應時間，假設(shè)總時長400ms全部應用于數(shù)據(jù)采集，則每個掃頻點包含的采集時間為：400ms/4000=0.1ms。
那么在0.1ms內(nèi)ADC采集的樣點數(shù)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？！
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(shù)學方法，決定了如何顯示每個掃頻點的結(jié)果。比如，從20000個樣點中選取幅值大或者小的樣點顯示出來。
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(diào)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(jīng)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(xiàn)代頻譜儀數(shù)字IF處理的基本架構(gòu)，經(jīng)ADC離散后的數(shù)字IF會終轉(zhuǎn)換為IQ數(shù)據(jù)，顯示檢波器將依據(jù)IQ幅度決定如何顯示頻譜測試結(jié)果。

圖2. 顯示檢波器決定了如何顯示頻譜測試結(jié)果
業(yè)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：大值、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(shè)每個掃頻點包含20000個樣點數(shù)據(jù)。
表1中給出了這五種顯示檢波器的含義，大值和小值檢波器比較容易理解，就是選取樣點中幅度大值和小值顯示出來。自動峰值檢波器是將大值和小值都顯示出來，表現(xiàn)形式是大值和小值之間直連，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(shè)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
 

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(shù)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(tǒng)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(jié)果都是相同的。因為對于理想CW信號，由IQ數(shù)據(jù)計算得到幅值就是個常數(shù)。
但實際上，隨機噪聲無處不在，得到的IQ數(shù)據(jù)上也疊加了噪聲，如果參與平均的樣點數(shù)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(jié)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(jié)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(jié)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(shù)字調(diào)制信號的功率或者噪聲功率譜密度等，務(wù)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(jié)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(qū)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，它們與上面介紹的大值、小值及平均值檢波器是*不同的。跡線模式是對多次掃頻結(jié)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(shù)進行處理，從數(shù)據(jù)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大值顯示出來并固化在屏幕上，對于同一個頻點，當出現(xiàn)更大的幅值時，才會進行刷新。當測試跳頻信號的頻譜時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(jié)果進行線性或者對數(shù)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(wěn)定的測試結(jié)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(diào)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(jié)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(shù)字調(diào)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(jié)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(shè)置長一些，這樣會有更多的樣點數(shù)參與平均，平均值會越來越穩(wěn)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(wěn)定、精確的測試結(jié)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(jié)果會偏低！默認情況下，VBW和RBW是聯(lián)動設(shè)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(luò)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，后取對數(shù)，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(shè)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(jié)
文中著重介紹了頻譜儀顯示檢波器的相關(guān)內(nèi)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(jié)合信號類型及需要測試的參數(shù)選擇合適的檢波器即可。

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