相位噪聲

　　影響分辨率的另一個(gè)因素是頻譜分析儀本地振蕩器的頻率穩(wěn)定度。

　　剩余調(diào)頻使顯示的信號(hào)模糊不清，以致在規(guī)定的剩余調(diào)頻之內(nèi)的兩個(gè)信號(hào)不能分辨出來(lái)一個(gè)頻譜分析儀的分辨帶寬不可能如此窄，以致能夠觀察到它自身的不穩(wěn)定度。如果它能夠這樣做，那么我們將不能夠區(qū)分出頻譜分析儀和輸入信號(hào)的剩余調(diào)頻（Residual FM）， 。

　　這就意味著，頻譜分析儀的剩余調(diào)頻決定了可允許的最小分辨帶寬。同樣，它決定了等幅信號(hào)的最小間隔。本測(cè)量所要求的剩余調(diào)頻是不大于1kHz（《=1kHz ）。

　　鎖相本振作為參考源可提高剩余調(diào)頻指標(biāo)，也降低了最小可允許的分辨帶寬。高性能的頻譜分析儀價(jià)格比較貴，因?yàn)樗捎酶咝阅苕i相本振源，具有較低的剩余調(diào)頻和較小的最小分辨帶寬。

　　作為在信號(hào)頻譜顯示的噪聲邊帶來(lái)源于本振的頻率不穩(wěn)定性，這個(gè)噪聲可能掩蓋近端（靠近載波）低電平信號(hào)。換句話說(shuō)，只考慮帶寬和形狀因數(shù)，我們可能會(huì)看到它。但是頻譜分析儀內(nèi)部本振的相位噪聲將疊加在輸入信號(hào)上，這些噪聲邊帶影響了近端低電平信號(hào)的分辨率。

　　測(cè)量的例子：

　　要求測(cè)量的信號(hào)：

　　偏離載波10kHz處1kHz頻率帶寬內(nèi)噪聲邊帶功率《=-50dBc，它等效于《=-80dBc/1Hz， 即要求頻譜儀本振信號(hào)在偏離載波10kHz處測(cè)量1Hz帶寬內(nèi)噪聲能量小于載波功率80dB。

　　圖8 頻譜分析儀本振相位噪聲對(duì)測(cè)量的影響

　　靈敏度

　　頻譜分析儀在不加任何信號(hào)時(shí)會(huì)顯示噪聲電平，由于頻譜分析儀自身產(chǎn)生的噪聲，其大部分來(lái)自中頻放大器的第一級(jí)。

　　頻譜分析儀的靈敏度定義為它所顯示的平均噪聲電平（DANL），這項(xiàng)指標(biāo)關(guān)系到儀表對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)能力。若一信號(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，總是不能看到這一現(xiàn)象的。

　　頻譜分析儀的靈敏度定義為在一定的分辨帶寬下顯示的平均噪聲電平。“平均”意味著噪聲信號(hào)的幅度隨時(shí)間和頻率都是隨機(jī)變化的，要對(duì)噪聲功率進(jìn)行定量測(cè)試，只能得到其平均值。

　　頻譜分析儀表的靈敏度是儀表的重要指標(biāo)，

　　頻譜分析儀靈敏度與其RBW；VBW；衰減器設(shè)值有關(guān)。

　　圖9 頻譜分析儀測(cè)試靈敏度

　　從不同方面可以反映頻譜分析儀表內(nèi)部噪聲對(duì)測(cè)試的影響。

　　1、當(dāng)輸入信號(hào)功率電平小于儀表噪聲電平時(shí)，該信號(hào)不會(huì)被顯示，儀表對(duì)該小信號(hào)沒(méi)有測(cè)試能力。

　　2、當(dāng)輸入信號(hào)幅度大于儀表噪聲時(shí)，儀表噪聲會(huì)疊加在輸入信號(hào)上，既最終顯示信號(hào)電平為輸入信號(hào)電平和儀表噪聲的功率和。

　　當(dāng)被測(cè)試信號(hào)功率比儀表內(nèi)部噪聲功率大10~20dB 以上，頻譜分析儀內(nèi)部噪聲的影響可忽略不計(jì)。

　　前面明確了頻譜儀產(chǎn)生噪聲的原因和噪聲對(duì)儀表測(cè)試的影響，下面分析以下儀表設(shè)置會(huì)影響的噪聲電平的因素。

　　影響頻率譜分析儀噪聲電平因素1：輸入衰減設(shè)置。

　　衰減器衰減量每增加10dB， 頻譜儀顯示噪聲電平提高10dB。

　　衰減器設(shè)值影響頻譜儀靈敏度的分析：

　　輸入信號(hào)的電平不隨衰減增加而下降，這是因?yàn)楫?dāng)衰減降低加到檢波器的信號(hào)電平時(shí)，而中放（IF）增益同時(shí)增加10dB來(lái)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)只會(huì)受到放大器的影響很大，其電平被放大，增加了10dB。

　　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，并降低信噪比。

　　提高頻譜儀表靈敏度的方法1：

　　用盡可能小的輸入衰減以得到最好的靈敏度。

　　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，與分辨帶寬濾波器相比它的頻帶是寬的。因此，分辨帶寬濾波器只通過(guò)一小部分噪聲能量到包絡(luò)檢波器。如果分辨帶寬增加（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平將增加（或減少）10dB.

　　顯示的噪聲電平和分辨帶寬RBW之間的關(guān)系是：

　　噪聲電平變化（dB）=10log（分辨帶寬2/分辨帶寬1）

　　RBW從100kHz（分辨率帶寬（老））變到10kHz（分辨率帶寬（新）），結(jié)果噪聲電平變化為

　　噪聲電平變化 = log （10 kHz / 100 kHz ） = -10dB.

　　頻譜儀中頻濾波器會(huì)對(duì)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(guò)中頻濾波器的噪聲能量越小，則通過(guò)檢波后顯示噪聲的電平越低。

　　頻譜分析儀的噪聲是在一定的分辨帶寬下定義的。

　　頻譜分析儀的最低噪聲電平（和最慢掃描時(shí)間）是在最小分辨帶寬下得到的。

　　提高頻譜儀表靈敏度的方法2：

　　用盡可能小的RBW 設(shè)置得到最好的靈敏度。

　　圖10 RBW的設(shè)置對(duì)儀器靈敏度的影響

　　頻譜分析儀顯示出信號(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)。

　　視頻濾波器是在檢波之后的低通濾波器，聲信號(hào)幅度由于隨時(shí)間和頻率都是隨機(jī)波動(dòng)的，通過(guò)檢波處理輸出為交流AC信號(hào)，這些AC信號(hào)反映到顯示上就是軌跡線的抖動(dòng)。通過(guò)視頻濾波器的低通處理，用以平均（Smooth）噪聲起伏。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。

　　減小VBW不會(huì)對(duì)顯示的CW信號(hào)頻譜造成影響，因?yàn)镃W信號(hào)檢波輸出為DC信號(hào)，DC信號(hào)通過(guò)低通濾波處理時(shí)，不會(huì)被濾波器帶寬所影響。

　　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。

　　總結(jié)一下提高頻譜儀測(cè)試靈敏度的技術(shù)方法：

　　1、最窄的分辨帶寬；

　　2、最小的輸入衰減；

　　3、充分利用視頻濾波器（視頻帶寬《0.1-0.01分辨帶寬）

　　4、前置放大器（內(nèi)部或外部），內(nèi)部前置放大器需要選件，工作頻率范圍一般為〈3GH。前置放大器的開關(guān)由［Amplitude］ Int Amp： on/off 控制。

　　外置放大器對(duì)頻譜分析儀靈敏度的改善=放大器件增益-放大器噪聲系數(shù)。

　　以上這些提高靈敏度的設(shè)置可能與其它測(cè)量要求存在矛盾：

　　1、較小的分辨帶寬會(huì)大大增加測(cè)量的時(shí)間；

　　2、0dB輸入衰減會(huì)增加輸入駐波比，降低測(cè)量精度；

　　3、增加前置放大會(huì)影響頻譜儀動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)。