2021年03月16日 | 信号的旅程-优化您的信号分析

您是否好奇，器件输出的信号一旦进入信号分析仪后，将会发生什么情况？如果还没有想过，不妨考虑一下。了解信号分析仪对信号进行处理的方式，有助于您进行更精确的测量。如果忽视了信号分析仪的影响， 可能会导致测量结果出错。本文将带您了解信号分析仪的详细设计，以及如何利用这些知识来避免差错并进行最准确的测量。相关文章：频谱分析仪原理

信号进入信号分析仪

当您将被测器件（DUT）连接至信号分析仪的输入端时，信号会通过射频输入衰减 器和前置放大器。这两个元器件的作用是放大或衰减信号，使信号幅度达到信号分析仪的其他元器件能够接受的程度。此外，通过射频输入衰减器和前置放大器，您还可以控制信号在信号分析仪显示屏上显示的标度。在您缩放信号时，切记衰减器设置可以帮助您优化信噪比（SNR）。

如果是低电平信号，那么减小输入衰减并激活前置放大器，这样可以提高灵敏度，也就是分析仪显示的平均噪声电平（DANL）。如果是大功率信号，您可能希望加大衰 减，以便降低输入功率，以防发生过载、失真和增益压缩。

衰减器和前置放大器使您能够缩放查看重要的信号细节，并改善信噪比。

接下来，信号将通过滤波器。如果是入门级的频谱分析仪，这个滤波器通常是一个普通的带通滤波器。如果信号分析仪的滤波器是一个预选器，那么这就是一个可调谐的带通滤波器，它能够覆盖从低频到高频的整个频域。预选器决定了分析仪在任何给定时刻能够采集的频率范围。它将持续进行扫描，直至将您选定的整个分析带宽都扫描一遍。当滤波器扫描完信号的频率后，信号将会通过滤波器，到达混频器。此时，我们需要快速转移到混频器的另一路输入，了解信号接下来将会发生什么。

混频器

混频器是一个三端口非线性器件。如上所述，混频器的输入端口接收来自器件的信号。同时，混频器的本地振荡器（LO）端口会接收来自本地振荡器的信号。本地振荡器的频率会在其频率范围变化，用扫描发生器进行调谐。混频器的第三个端口是输出端口。它将输出输入信号与 LO 信号的混合产物。换句话说，混频器输出的是信号频率与本地振荡器频率的和或差。

当这个混频后的输出信号等于信号路径下游的中频（IF）滤波器的频率时，混频信号将会经过中频滤波器，继续前进。另外，信号分析仪此时会确定信号的频率，让系统的其他部分只需负责处理幅度，而不必同时处理幅度和频率。在信号到达下一个滤波器之前，混频器会将这个信号发送到 ADC，将其从模拟信号转换为数字信号。

由于混频器有可能引入杂散、噪声或谐波，因此需要查看信号分析仪的特征 — 您可能希望能够区分哪些信号特征是被测器件自身的，哪些是受混频器的影响添加或加剧的。

混频器使信号分析仪能够确定您所关注的信号的频率，而让信号路径上的其他部分评测幅度。了解混频器的影响将能帮助您进行更精确的测量。

数字信号处理

中频滤波器

现在，信号已经过混频，其频率已经确定，而且信号已经转换成数字信号，接下来它将通过中频滤波器。

您在中频滤波器中能够控制的设置是分辨率带宽（RBW）— 中频滤波器的 3 dB 带宽。换言之，RBW 是指要想在信号分析仪的显示屏上分辨两个频率分量，这两个频率分量之间最小间隔的频率。RBW 较宽的话，您可以快速进行扫描，不过水平分辨率会较低，本底噪声会较高，因为您需要在扫描期间每个时间点上查看更宽带宽。如果 RBW 滤波器的带宽较窄，则扫描需要更长的时间，不过因为您一次只需查看较窄带宽，所以能够区分频率更接近的独立信号，降低本底噪声，提高频率读数精度。图 1 解释了这一原理。

图 1. 宽、中、窄 RBW 设置图示。

通过控制中频滤波器的带宽（也就是 RBW），您将能够决定希望观测的测量结果类型。这就像是一个用来筛沙子的筛子 — 粗筛眼筛沙速度更快，但是可能会漏掉许多小沙粒；细筛眼筛沙速度慢，但可以筛出所有沙粒，无论是大沙粒还是小沙粒。

RBW 设置使您可以控制水平分辨率、本底噪声和采集速度。

当您想要进行宽范围扫描，获得粗略的测量结果而不关注细节时，例如快速、通用和核对型的测量，您可以-使用宽 RBW。或者，当需要进行快速扫描时，您可以使用宽RBW。反之，当需要深入分析测量结果细节时，例如进行故障诊断，或寻找已知或未知的杂散信号时，您应该使用窄 RBW。

数字检波器

信号通过中频滤波器后，接下来将通过数字检波器。数字检波器将告诉您信号在扫描时间内的幅度。与模拟频谱分析仪相比，数字信号分析仪的一大优势是能够选择在屏幕上显示的数据。

ADC 能够采集并输出大量数据。实际上，您在 ADC 中获得的数据点通常比需要显示的数据点多。在保持信号准确性的前提下，您可以将数据分成多个区块，然后从每个区块中选择一个数据点，在屏幕上重构信号。这就是数字检波器所做的工作。

在数字检波过程中，您可以使用不同的算法，选择在每个区块中使用的数据点。正峰值检波器类型是其中一种算法。它会选择每个区块中最大的数据点。负峰值检波器选择的是每个区块中最小的数据点。如果您想要了解极限情况，可以使用这些检波器 — 确定在最好或最差情景下，最大或最小数据点绝不会超过特定阈值。样本检测就像是选择一个随机的数据点 — 通常这种类型的算法会选择每个区块中间的数据点。请看图 2，了解关于这 3 种检波器的解释。其他检波器还包括正态（也称为 Rosenfell）检波器和 RMS 检波器。

检波器负责确定信号的幅度 — 在扫描过程中， 信号有多强或多弱，它还可以进行定制，为您显示信号强度的不同极限值或平均值。

图 2. 检波器类型

信号的旅程到此结束，我们可以进行测量了

此时，信号分析仪已经获得了需要的全部信息。它已经知道了数据点的幅度和频率，因此能够在屏幕上显示信号。您可以添加游标、模板，更改检波器类型，缩放波形，调节 RBW 和标度，还可以执行更多功能，以便获得最准确的测量结果。

跟着信号在分析仪中游历一遍，您不仅可以了解信号分析仪内部发生的事情，还能进行更准确的测量。通过设置衰减，您可以在自己选择的标度上查看信号，还能控制信噪比。通过设置 RBW，您可以控制信号分析仪的水平分辨率、频率读数精度和采集速度。您还可以选择检波器类型，全面了解信号的幅度，比如数据点的最小幅度、最大幅度、随机幅度或平均幅度。