频谱分析中避免较大幅度误差方法 - 全文

近年来，现代频谱分析仪在低频模拟精度与数字信号处理（DSP）器件方面取得了极大的改进，尤其是前端中频（IF）滤波器。虽然频谱分析仪在RF频率具有较高的精度，但在微波频率的精度并未普遍得到改善。由于某些应用对现代频谱分析仪的要求极高（包括利用高级宽带数字调制格式进行信号分析），即使采用最佳的频谱分析仪设计也难以实现较高精确度。幸好，安捷伦科技最新的MXA信号分析仪平台中集成了精心的硬件设计与巧妙的测量算法，可帮助用户保持最佳精度而无需特殊的输入信号或外部测试信号。

微波频谱分析仪采用可调谐预选滤波器，通过去除多余的混频器镜像（mixerimage）以及本地振荡器（LO）的谐波响应来改善性能。不幸地是，这些预选器不稳定，必须频繁地调谐，而且正确的预选器调谐通常要求在感兴趣频率处的信号近似为CW统计分布。在新型MXA信号分析仪中，一个完整的噪声源被用作预选滤波器的调谐信号，这有助于确保滤波器精度成为该仪器中自动例行程序的要素。

工作在26.5GHz的现代频谱分析仪具有一个“低频带”和一个“高频带”信道，如图1所示。低频带通常可工作在3GHz或更高频率。在低频带上，信号上变频到接近4GHz或更高的高IF频段，然后再下变频到接近300MHz的较低IF频段。这种双变频方式可以极大地减少混频器镜像响应。

“高频带”频率范围实际上不能通过与低频带范围一样的模块图来创建，这是因为初级IF放大器将不得不工作在某个频率下，该频率下的放大器噪声和失真总是无法满足操作人员的要求。如图1所示的备选模块采用单个转换步骤到IF输出。在这个模块图中，初级混频器中的镜像响应仅通过两倍IF大小的频率（或大约600MHz）来间隔。这些镜像在频谱分析仪中不受欢迎。因此，可采用可调谐预选滤波器（带通滤波器）来去除镜像。

为实现微波频率下所要求的抑制性能和调谐带宽，预选滤波器以钇铁石榴石（YIG）技术为基础。YIG球的行为被控制在一个精确的磁场中，可产生用于去除来自频谱分析仪信道的多余镜像与响应的滤波器通带谐振。YIG预选器通常具有大约40到80MHz的通带带宽，可以在一个较宽的微波频率范围内进行调谐。当用于高达26.5GHz的频率时，需要极高的谐振器品质因数（Q），导致截止频率过高，同时也造成幅度和频率的不稳定性。调谐后漂移是YIG调谐带通滤波器不稳定特性的一种表现。用于调谐YIG球谐振频率的磁铁随着所选频率的变化而加热或冷却。磁铁的温度变化会影响磁铁的尺度及磁场强度，从而影响滤波器调谐的频率。磁铁/球结构的机械老化过程类似，同样导致不稳定性增大。同样，调谐电流和滤波器中心频率之间的关系并不能通过任何简单的代数函数来精确建模。因此，即使调谐非常稳定，但也会存在调谐误差。结果就是频率调谐误差导致幅度误差（图2）。

图2a显示了一个典型的YIG滤波器响应。x轴表示频率，但由于YIG滤波器的频率几乎与调谐电流成正比，x轴也可以被认为是YIG滤波器的调谐电流。在这个例子中，较小的调谐电流误差映射成工作点上与通带斜率成正比的幅度误差。设计工作点是-4dB响应点之间的中点，因为就调谐误差而言该设计非常鲁棒。可以通过利用现代频谱分析仪进行测量的方式调节YIG滤波器。用户可以直接调节工作电流，或执行“预选器取中 （preselectorcenter）”操作。由于频谱分析仪的幅度响应是在对预选器调谐取中的条件下进行出厂校准的，所以取中是最佳操作。请注意，预选器的调谐精度变差将导致幅度精度降低。

图2b显示了YIG滤波器取中操作的重要性。A点表示用于对YIG滤波器频率响应进行出厂校准的坐标位置。该点位于新型分析仪室温下的响应曲线上。其水平位置在-4dB（相对峰值）响应频率之间的中点。B点位于一条平移（congruent）曲线上，当环境温度改变时，垂直位移表示所期望的总系统响应变化。除了环境温度变化之外，调谐后漂移和老化的影响可能导致在曲线上取到的点为F。在这种情况下，幅度误差可能非常大。该误差可以表示为长度E，即响应点B和F之间的差值。

为改善幅度精度，分析仪的YIG预选滤波器应再次进行取中操作。范围C表示相对最新调谐曲线峰值的-4dB点的位置。再次取中点可得到如G点所示的响应。现在距离D代表新的误差，它比初始误差距离E要小很多。为优化调谐功能，可采用“预选器取中”算法测量滤波器响应。该算法假设有类似CW的输入信号，并在扫描调谐电流时观察相对响应。在该相对响应曲线上查找-4dB点，并在这些点之间取调谐的中点。

这个预选器取中算法的假设之一是，在取中操作的扫描期间，滤波器的输入信号表现出良好的幅度稳定性。这一稳定性必须在1dB下保持良好，以使幅度变化不会被误认为是滤波器通带形状的变化。同样的道理，该信号还必须具有最小频率调制。虽然在1MHz下表现良好的调制在带宽上可以接受，但宽带数字调制会引起调谐误差。最后，该信号必须具有优良的信噪比（SNR）。对输入信号的上述约束在实际测量应用中可能会造成问题。例如，当测量低水平谐波时不能进行取中操作。取中操作不能用于测量点噪声密度。它不能与日益普遍的数字通信信号协作，例如正交频分复用（OFDM）、宽带码分多址（WCDMA）或时分多址（TDMA）格式信号。同样地，它不能与大部分雷达信号协作。

因此，尽管频谱分析仪的幅度精度指标仅在预选器取中操作之后才有意义，但取中操作往往做不到，这会导致测量精度极大降低。如果分析仪集成了专用于预选器取中操作的全范围CW信号发生器，那么用户将不需要提供合适的信号。遗憾的是，这种功能的经济代价太大。不过，通过采用宽带噪声发生器和新的中心算法，可以经济地完成没有严格信号要求的取中操作。这一新方法的模块图如图3所示。

从表面上看，似乎噪声源对调谐YIG预选滤波器并没有什么帮助。毕竟滤波器产生的噪声量几乎与调谐电流无关。但噪声的频率分布已经改变了。进入IF的噪声量将随调谐电流而变化。通过分析图4的曲线，预选器取中算法可以仅利用噪声源来对通带进行取中操作。

可以在每一个用户感兴趣的频率调用取中算法。但是，内置的噪声源也允许在分析仪中实现并任意重新进行总调谐曲线的出厂校准，而不是只能求助于装备齐全的设备。因此，可以通过不定期运行“特征预选器”操作来消除老化和（重要性极低）环境温度变化的影响。采用一个性能优异的预选器，则几乎不需要进行取中操作。无需重取中点甚至会比无需类似CW信号的取中操作更方便。

总之，通过加入噪音源及新的调谐算法，安捷伦MXA信号分析仪可以在所有类型的信号（而不仅仅高幅度、接近CW分布的信号）测量中满足其微波幅度精度指标的要求。例如，在6GHz频率下测量40MHz的数字调制信号时，尽管正确的取中操作改善了需确保的±1.5dB精度，但未进行有效预选器取中操作的测量精度并没有被确定下来，而且可能比-10dB更差。