频谱分析仪在相位噪声测量领域中的应用

蒋钧涛 冯慧娟 江西南昌洪都集团质量安全部 江西南昌 330024

【文章摘要】

文章首先针对频谱分析仪的工作原理展开说明，综合扫描式频谱分析仪的工作逻辑结构对其进行了展示，而后进一步就起在噪声测量领域中的应用原理进行了讨论，对于深入了解频谱分析仪的工作特征和原理有着一定的积极意义。

【关键词】

频谱分析仪；原理；噪声测量；应用

频谱分析仪在电信号频谱结构的相关研究方面，一直都发挥着重要的地位和作用，为我国电力领域的相关研究工作奠定了坚实的基础。其主要用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，并且现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果切精度较高，在自动测试领域也颇有建树。

1 频谱分析仪的工作原理

频谱分析仪，即通过频域来对信号展开测量的方法，其从测量的实现技术角度看，可以具体分为两类，即快速傅立叶变换(FFT) 分析仪和扫频式频谱分析仪。其中前者采用以树脂作为基础的计算方法展开工作，能够实现对于周期信号和非周期信号均能分析，并且提供频率、幅度和相位信息等方面的测量服务。其特点为速度和精度两个方面的优势，但是分析频率的带宽受到数模转换器采样速率限制，因此相对而言比较适合分析窄带信号。而后者则可以实现对于稳定和周期性信号的分析，提供信号频率和幅度方面的信息测量，在适用性方面并无限制，相对而言比较适合宽频带宽的快速扫描测试。

对于扫频式频谱分析仪而言，其分析原理参见图1。

信号从图1 左上角进入系统，首先经过RF 输入衰减器，而后与本振LO 混频， 当混频后的信号频率等于中频时，该信号会被送达检波器，并且进一步对其实现放大、采用以及数字化等处理，最后确定CRT 显示信号的垂直电平。扫描振荡器控制CRT 显示的水平频率轴和本振调谐同步，同时驱动水平CRT 偏转和调谐本振。从本质上看，频谱分析仪依靠中频滤波器分辨各频率成份，检波器测量信号功率， 依靠本振和显示横坐标的对应关系得到信号频率值。

2 频谱分析仪在相位噪声测量领域的应用

频谱分析仪在实际的工作环境中应用广泛，涉及到电信号研究的方方面面。在诸多应用领域中，相位噪声是重要的一个应用方面。相位噪声主要用于对信号源频稳质量来实现衡量，虽然同样存在更为专用的相位噪声测度身背，但是通常都因为成本高昂设备庞大而无法实现有效应用，尤其是在一些并不足够专业化的环境中，就更需要频谱分析仪的参与工作。并且近年来频谱分析仪的工作精度不断提升，数字化水平日趋完善，也都为其实现相位噪声测量奠定了基础。

首先从相位噪声的概念出发，这是对于频率稳定度的重要衡量指标，具体而言，就是指在一定的时间间隔内，信号源输出频率的变化状况。依据时间状况，可以进一步划分为长期稳定度和短期稳定度两个维度，并且短期稳定度在时域表现为在波形零点处的抖动，实际工作中可以考虑用相对频率起伏表达，而在频域方面则可以考虑用相位噪声来表征。一个正弦波通常可以表示为式（1）。

（ 1）

其中a（t）为幅度噪声，而则表示相位噪声。进一步地，考虑到通常情况下a （t）<<V0 这一特征，可以对其略去不计，则信号的噪声边带主要由调相噪声引起。实际测量中可以考虑用单边带相位噪声SSB 来对短期频率稳定度进行表示，并可以用式（2）表达。

（2）

进一步取对数，可以得到式（3）

（ 3）

由（3）中可以看出，用频谱分析仪测量相位噪声，首先需要测量载波功率Ps， 而后针对偏离载波频率F 处1Hz 等效噪声带宽内的单边带功率PSSB 展开测定， 并且进一步计算出LPN。然而在实际的测量工作中，频谱分析仪的设置必然会存在一定误差，这就需要就测定结果展开修正，常见的修正值包括两个方面。

其一，依据的概念，对实际的测量带宽展开修正，相应的修正项，即噪声带宽标准修正因子，可以表示为式（4）。

（ 4）

其中为频谱分析仪1Hz 分辨率带宽对应的等效噪声带宽，而则为其设置的1Hz 分辨率带宽。

其二，考虑到测量过程中同样会出现诸多随机因素造成随机误差的问题，还需要加以修正。由于当前多采用对数中频放大器和峰值检波器，并且对数放大器对于噪声信号中峰值的放大作用小于其余噪声，导致测量值出现偏低现象。同时目前采用的计算方式，当，用sample 检波器或峰值检波器测量噪声时同样会存在误差引入问题，因此设定相应的误差修正常量+2.5dB。

3 结论

采用频谱分析仪展开对于相位噪声的测定，本身在经济层面上具有积极意义，但是考虑到其并非专业设备，因此在实际工作中必须加强考察和研究，以求获取最大可能的准确结果。

【参考文献】

[1] 何毅军．频谱分析仪的失真测量［Ｊ］．国外电子测量技术，2010， 29（12）

[2] 朱辉．实用射频测试和测量［Ｍ］． 北京：电子工业出版社，2012

图1 扫描式频谱分析仪工作逻辑结构032

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