利用频谱仪测量数字信号的几种方法分析

在数字电视、数字传输、数据通信中，其信号是采用多种调制方式的数字信号，这时的数字信号电平已不能用一般传统的方法来定度和测量，本文将引入每赫兹带宽功率（dBmV/Hz）法解决数字电平测量。

概述

电压是电子学的基本参数，也称电平。电平和电压是同一个参数，一般来说，它们的区别在于单位不同。电压是以伏（V）作单位，如V、mV、μV、kV等；电平是以dB作单位，如dBv、dBmV、dBμV等。

电信号的电平，一般都是用正弦波的有效值为基准，以热电偶测量功率来定度它的电压值（电平值），我们也叫做电平（电压）的有效值。这就是说信号电平和功率之间是以热电偶所产生的热量来联系的。我们知道，电功率是与信号波形无关的，而对于电平来说，我们所定度的正弦波那一定是无失真正弦波，否则要引入误差。

为了准确地测量信号的电平，一般正弦波信号不言而喻地用常规电平表示测量有效值，如果是脉冲信号则一般测量它的峰值。在电视信号测试中，因为视频信号相当复杂，其信号大小是以行同步脉冲的峰值来定度，因此测定行同步脉冲峰值。

随着数字技术的发展，数字通信、计算机网路，数字电视的发展，各种调制的数字信号出现，它们怎样测量，这是一个非常重要的问题。目前常见的数字信号有FSK、PSK、ASK、CDMA、TDMA、FDMA、QPSK、QAM等。从测量的角度来看，无论那种调制数字信号，都可以把它当作在一定带宽内的噪声来对待。因此，我们用每赫兹功率电平（dBmV/Hz）的概念，将一定带宽的功率来表征信道的功率（dBmV），称为平均功率电平。

频谱仪通常是测量正弦波的电平有效值，因此在测量数字信号时极不准确。在这里，将论述几种用频谱仪测量数字信号的方法，普通光标法、噪声光标法以及信道功率测量法。

频谱仪的普通光标法

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用频谱仪测量某个信号通常的做法是把光标放在信号上并读出读数，见图1。但这个光标给出的读数不太正确。你可以试着比较一下图1和图2。图2的唯一变化是频谱仪的分辨率带宽采用30kHz而不是图1中的10kHz。值得注意的是，尽管此时信号本身并没有发生任何变化，图2上的信号电平（从光标上读出）为13.1dBmV，而不是图1所读出的8.2dBmV。再则整个扫描波形在显示屏上向上方移动了（然而信号和参考电平实际上没有任何变化）。引起这种现象的原因是频谱仪所测量出的读数值是落入分辨率带宽滤波器之内的所有信号的总功率。当分辨率带宽增加（从10kHz～30kHz），在滤波器带宽内的能量也增加，这样就引起了显示图形上的变化。

熟悉用频谱仪测C/N的工程师都很清楚这种现象，这种由分辨率带宽引起的误差是可以修正的。现在我们想测量出数字信道的总功率，就需要将显示的功率转换为信道功率，即仅是平均功率电平，公式为：

信道平均功率电平 = 显示的功率电平+10log（信道带宽/分辨率带宽）+修正因子 单位：dBmV

这个修正因子是必须要的，因为对分辨率带宽滤波器捕获的噪声量而言，分辨率带宽与滤波器的3dB带宽并不完全相等。换句话说，一个10kHz的滤波器的噪声带宽并不是绝对10kHz，它有个矩形系数问题。修正因子中的另一个因素是对数放大器，因它把输入信号变成对数形式的显示，这个对数放大器并不能很合适转换噪声类型的信号。总的修正因子通常为1～2dB，可以从频谱仪厂家获得这个修正值。

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用频谱仪测量数字信号应使用采样检波器，而不是峰值检波器。而同时视频带宽必须设置足够低使得信号看上去很平滑，一次次扫描测量图形不出现明显变化。

频谱仪噪声光标法

噪声光标法是目前测量像数字信号这样的噪声类型的信号电平的最好方法，在大多数新型的频谱仪上都有这种功能。它通过用1Hz带宽显示功率（dBmV/Hz）方法克服了前面所讲的误差，如图3所示。信道功率的计算按下述公式：

信道平均功率电平 = 显示的功率电平+10log（信道带宽） 单位：dBmV

它不需要其他的修正因子，分辨带宽的设置并不改变噪声光标的读数。

当使用某些特定的频谱仪时，有件事要注意。被测信号一定要填充（跨越）显示屏的几个格子，即信道带宽尽可能接近频谱仪扫描带宽。这是由于噪声光标所显示的值实际上是1～2个格子中所有噪声的平均值。图4表示了不正确的测量情况，其被测信号与图3是相同的，但是其扫描带宽增加了，结果信号显得很窄，连一个格子也没有充满，此时的噪声光标读出的是 -32.2dBmV/Hz，而不是-30dBmV/Hz，这是因为它把信道旁边的真正噪声功率也一起平均，而那里不含有任何信号功率。如果仔细看这张图，你会发现光标的上下位置实际上比信号所显示的曲线要低一些。

信道功率测量法

为了测试方便，有些最新的频谱仪拥有特别设计的算法来修正前面提到的所有误差，并直接显示数字信道的实际功率电平值。这项功能很有用，它避免了测量中的错误。你可以按照厂家提供的简单测量步骤完成准确的测试。

在CATV测量仪器中，为了测量数字频道功率，也采用这种方法测量。如美国安科特纳SDA系列CATV分析仪采用这种方法直接读出QAM、OPR、OPSK、VSB、CAP-16、DVB/ACTS、TDMA的数字信号平均功率电平。

综合上述，功率计是唯一能给出绝对正确的数字信号功率的仪器，如果使用正确，带有信道测量功能或噪声光标的频谱仪也能给出非常准确的结果。确保每个人都能测到相同结果的最好和最简单的方法就是用你所喜爱的方法和功率计的读数比较，两种方法的差可作为系统修正因子来修正。只要被测的信号类型和所用的设备（以及设备上的设置）不做改变，这个修正因子就有效。随着数字设备的迅速发展，在一些专用设备（如CATV分析仪）和新型的频谱分析仪都直接有数字信道平均功率电平测量功能，其原理都引入本文的概念。

值得说明的是，本文所讨论的数字信号电平是用功率来定度，以每赫带宽功率法来解决数字信道功率测量，其单位是dBmV表征。有人称之为信号功率、信道功率，有人称之为数字信号电平、信道电平等。笔者想，为了与其他定度的量值混淆，应称为信道平均功率电平或数字信号平均功率电平，简称平均功率电平。

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