提高頻譜儀靈敏度的方法

1、提高頻譜儀靈敏度的方法閱讀（88）次2007-04-1017:01:29Tue|對(duì)于一個(gè)無線電頻譜監(jiān)測(cè)工作者，無線電監(jiān)測(cè)的任務(wù)越來越艱巨，干擾查處的任務(wù)越來越多，如何快速有效地進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)是我們面臨的困難問題，特別是對(duì)于類似衛(wèi)星下行鏈路信號(hào)這類比較弱的信號(hào)如何能夠快速的識(shí)別并記錄下來是我們經(jīng)常遇到的困難。我們?cè)谶M(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)時(shí)，常常會(huì)用到頻譜分析儀，利用頻譜分析儀和相關(guān)的天線、饋線、放大器以及配套設(shè)備來完成對(duì)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，因此，在此主要是針對(duì)頻譜分析儀來分析如何快速有效地捕獲弱信號(hào)，并給出幾點(diǎn)可行的建議。要解決頻譜儀捕獲弱信號(hào)的問題就要從頻譜儀的重要指標(biāo)頻譜分析儀的靈敏度出發(fā)進(jìn)行分析。頻譜分析儀的

2、靈敏度定義為它所顯示的平均噪聲電平，如果一個(gè)信號(hào)的電平等于顯示的平均噪聲電平，它將以近似3dB突起顯示在平均噪聲電平之上，這一信號(hào)被認(rèn)為是最小的可測(cè)量信號(hào)電平，但是如果不用視頻濾波器平均噪聲，那么就不能看到這一現(xiàn)象了。圖1頻譜分析儀基本原理框圖那么影響頻譜議靈敏度的因素有哪些要回答這個(gè)問題，就需要了解頻譜議的基本原理。從頻譜議的工作原理中我們可以分析出那些因素會(huì)影響頻譜議的靈敏度，通過對(duì)這些因素的控制來提高頻譜分析儀的靈敏度，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)弱信號(hào)的目的。1頻譜分析儀的基本組成和工作原理頻譜分析儀的功能是要分辨輸入信號(hào)中各個(gè)頻率成份并測(cè)量各頻率成份的頻率和功率。為了完成該功能，頻譜分析儀主要采用超

3、外差方式進(jìn)行掃描一調(diào)諧，其特點(diǎn)是頻率覆蓋范圍寬并且允許在中頻（IF）進(jìn)行信號(hào)處理。圖1是頻譜儀的基本原理框圖，圖中的中頻頻率是輸入信號(hào)通過與本振信號(hào)的和頻或差頻產(chǎn)生的，本振受斜波發(fā)生器的控制，在斜波發(fā)生器的控制下，本振頻率將從低到高的線性變化。這樣在顯示時(shí)，斜波發(fā)生器產(chǎn)生的斜波電壓加到顯示器的X軸上，檢波器輸出視頻信號(hào)通過放大、采樣、數(shù)字化后接到Y(jié)軸上，當(dāng)斜波發(fā)生器對(duì)本振頻率進(jìn)行掃描時(shí)顯示器上將自動(dòng)繪出輸入信號(hào)的頻譜。檢波器輸出端的低通濾波器稱為視頻濾波器，用在分析掃描時(shí)對(duì)響應(yīng)進(jìn)行平滑。頻譜分析儀依靠中頻濾波器分辨各頻率成份，檢波器測(cè)量信號(hào)功率，依靠本振和顯示橫坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到信號(hào)的頻率值。

4、由圖l可以看出，對(duì)頻譜分析儀的靈敏度起關(guān)鍵作用的是衰減器、放大器、中頻濾波器以及視頻放大器，下面將針對(duì)這幾個(gè)部分分別進(jìn)行詳細(xì)說明，指出它們是如何影響頻譜分析儀的靈敏度的以及影響的程度如何。2提高頻譜儀靈敏度的方法(1)衰減器設(shè)置對(duì)靈敏度的影響輸入信號(hào)的電平不隨衰減增力口而下降，這是因?yàn)槊慨?dāng)衰減降低加到檢波器的信號(hào)電平10dB時(shí)，中放(IF)增益同時(shí)增加10dB來補(bǔ)償這個(gè)損失，其結(jié)果使儀表顯示的信號(hào)幅度保持不變。但是，噪聲信號(hào)將會(huì)受到放大器的影響很大，其電平被放大，增加了10dBo既然內(nèi)部噪聲主要由中放第一級(jí)產(chǎn)生，因而輸入衰減器不影響內(nèi)部噪聲電平。但是，輸入衰減器影響到混頻器的信號(hào)電平，并降低信

5、噪比。通過對(duì)頻譜分析儀衰減器的操作，可以得出一個(gè)結(jié)論，即衰減器衰減量每增加10dB,頻譜儀顯示噪聲電平提高10dB。這樣要提高頻譜分析儀的靈敏度就需要將衰減設(shè)置的盡可能小，降低噪聲電平的值，使得信號(hào)不被噪聲淹沒。(2)分辨率帶寬在頻譜分析儀中，頻率分辨率是一個(gè)非常重要的概念，它是由中頻濾波器的帶寬所確定的，這個(gè)帶寬決定了儀器的分辨帶寬。例如，濾波器的帶寬是100kHzo那么譜線頻率就有100kHz的不確定性，也即在一個(gè)濾波器的帶寬頻率范圍內(nèi)，如果出現(xiàn)了兩條譜線的話，則儀器不能檢出這兩條譜線，而只顯示一條譜線，此時(shí)儀器所反映的譜線電平(功率)是這兩條譜線的電平功率的疊加。因此會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差。所以

6、，對(duì)于兩條緊密相關(guān)的譜線，其分辨力取決于濾波器的帶寬。儀表內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲是寬帶白色噪聲。即它在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的電平是平坦的隨機(jī)噪聲，與分辨率帶寬濾波器相比，它的頻帶是寬的。因此，分辨率帶寬濾波器只通過一小部分噪聲能量到包絡(luò)檢波器。如果分辨率帶寬增加（或減少）10倍，則增加（或減少）10倍的噪聲能量到達(dá)檢波器，并且顯示的平均噪聲電子將增加（或減少）10dB。顯示的噪聲電平和分辨率帶寬RBW之間的關(guān)系是：噪聲電平變化（dB）=10log（分辨率帶寬2/分辨率帶寬1）例如：RBW從100kHz變到10kHz,噪聲電平變化為：噪聲電平變化（dB）；10log（10/100）=10dB頻譜儀中濾波器會(huì)對(duì)

7、中放產(chǎn)生的寬帶白噪聲有頻帶抑制功能，所以RBW越小，通過中頻濾波器的噪聲能量越小，則通過檢波后顯示噪聲的電平越低。頻譜分析儀的最低噪聲電平（和最慢掃描時(shí)間）是在最小分辨率帶寬下得到的。在設(shè)置分辨帶寬時(shí)，我們考慮的是儀器是否能充分響應(yīng)輸入信號(hào)時(shí)有足夠的帶寬，正確的方法是展寬濾波器的帶寬，當(dāng)在屏幕上觀察到信號(hào)載波幅度不再增加時(shí)，就表示中頻濾波器對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)已有足夠的帶寬了。通過對(duì)頻譜分析儀RBW勺操作，可以得出一個(gè)結(jié)論，即分辨率帶寬每增加10倍，頻譜儀顯示噪聲電平提高10倍。這樣要提高頻譜分析儀的靈敏度就需要將分辨率帶寬設(shè)置的盡可能小，降低噪聲電平的值，使得信號(hào)不被噪聲淹沒。（3）視頻帶寬頻譜

8、儀顯示出信號(hào)加噪聲，因此當(dāng)信號(hào)接近噪聲電平時(shí)，附加的噪聲疊加在掃描線上，致使更難讀取信號(hào)。在圖1中的檢波器之后的濾波器稱為檢波濾波器又叫視頻濾波器，它是一個(gè)低通濾波器，它的作用可以減少檢波器輸出的噪聲變化，揭示一些已被掩蓋且接近本底噪聲的信號(hào)，如果是測(cè)量噪聲功率，它還有助于穩(wěn)定測(cè)量。檢波器輸出端往往存在直流分量和交流分量，直流分量代表著中頻帶寬內(nèi)存在的能量，所以通過視頻濾波器可達(dá)到提取直流分量去除一些交流分量，這樣能給出更穩(wěn)定的無噪聲輸出。采用寬帶濾波器時(shí)噪聲的波動(dòng)較大，采用窄帶濾波器時(shí)波動(dòng)將會(huì)減少，兩種情況下的噪聲平均值卻一樣，也就是說該濾波器不會(huì)降低平均噪聲電平，但能減少噪聲的峰值電平。因

9、而能暴露出用較寬視頻濾波器不能看到的低電平信號(hào)。雖然它不能改善靈敏度，但能改善鑒別力和在低信噪比情況下測(cè)量的可重復(fù)性。在某些情況下，如分析一些特殊的噪聲信號(hào)時(shí)，我們則需要較寬的視頻濾波器帶寬(VBvy,以便觀察和分析,所以我們可根據(jù)不同的情況來設(shè)置視頻濾波器的帶寬。視頻濾波器的帶寬和分辨帶寬的關(guān)系是：檢波前的噪聲可以通過較窄的分辨帶寬來降低，從而降低檢波器的噪聲輸出電平；檢波后的噪聲則通過窄帶視頻濾波器來平滑減少噪聲波動(dòng)，但不能降低噪聲的平均功率電平。需要注意的是：減小VBW可以對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行平滑，但并不是得到該噪聲信號(hào)的功率平均值。減小VBW利于噪聲背量下CW言號(hào)檢測(cè)。通過對(duì)頻譜分析儀VBW

10、勺操作，可以得出一個(gè)結(jié)論，視頻濾波器不會(huì)降低平均噪聲電平，但能減少噪聲的峰值電平，通過減小視頻濾波器帶寬能暴露出用較寬視頻濾波器不能看到的低電平信號(hào)，從而使得信號(hào)不被噪聲淹沒。(4)前置放大器在對(duì)弱信號(hào)的監(jiān)測(cè)中，特別是對(duì)于衛(wèi)星發(fā)射的下行鏈路信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，需要加前置放大器，否則，信號(hào)將很難看到或者可能根本看不到，因?yàn)樾l(wèi)星發(fā)射的信號(hào)傳播到地面需要經(jīng)過很長的路徑，使得信號(hào)傳播的損耗就很大，信號(hào)到達(dá)地面后，將變得非常微弱，如果沒有放大器，就很難捕捉到。前置放大器有內(nèi)部和外部之分，內(nèi)部前置放大器需要選件，隨設(shè)備購置，工作頻率范圍一般為3GH4外部前置放大器可根據(jù)要監(jiān)測(cè)的頻率范圍，選擇相應(yīng)的放大器，放大

11、器的增益要足夠大，以便進(jìn)行監(jiān)測(cè)。外置放大器對(duì)頻譜分析儀靈敏度的改善=放大器增益一放大器噪聲系數(shù)。通過使用放大器對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的接收發(fā)現(xiàn)，放大器能夠明顯地改善系統(tǒng)的接收效果，但是，需要特別注意，接收到的信號(hào)強(qiáng)度包含了放大器的增益，因此在計(jì)算信號(hào)的實(shí)際強(qiáng)度時(shí)，需要將天線增益、放大器增益以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的其它增益或損耗均排除掉，才能夠得到信號(hào)的實(shí)際強(qiáng)度。3總結(jié)通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)提高頻譜儀靈敏度的技術(shù)方法有多種，可以選擇最小的輸入衰減、最窄的分辨帶寬和充分利用視頻濾波器以及使用前置放大器，使用這些技術(shù)后可以明顯地提高頻譜議的靈敏度，從而可使許多被噪聲淹沒的信號(hào)突出地反映在頻譜儀顯示屏幕上，也可以使許多難以觀察的信號(hào)更加清晰地與噪聲區(qū)別開來。但是這些技術(shù)是不