一、相位噪聲

雖然我們看不到頻譜分析儀本振系統(tǒng)的實(shí)際頻率抖動(dòng)，但仍能觀察到本振頻率或相位不穩(wěn)定性的明顯表征，這就是相位噪聲 (有時(shí)也叫噪聲邊帶)。沒(méi)有一種振蕩器是絕對(duì)穩(wěn)定的，它們都在某種程度上受到隨機(jī)噪聲的頻率或相位調(diào)制的影響。如前所述，本振的任何不穩(wěn)定性都會(huì)傳遞給由本振和輸入信號(hào)所形成的混頻分量，因此本振相位噪聲的調(diào)制邊帶會(huì)出現(xiàn)在幅度遠(yuǎn)大于系統(tǒng)底噪的那些頻譜分量周?chē)?(圖 1-1)。顯示的頻譜分量和相位噪聲之間的幅度差隨本振穩(wěn)定度而變化，本振越穩(wěn)定，相位噪聲越小。它也隨分辨率帶寬而變，若將分辨率帶寬縮小 10 倍，顯示相位噪聲電平將減小10dB。

圖 1-1 只有當(dāng)信號(hào)電平遠(yuǎn)大于系統(tǒng)底噪時(shí), 才會(huì)顯示出相位噪聲

圖1-2 相位噪聲對(duì)于小信號(hào)測(cè)試的影響

相位噪聲頻譜的形狀與分析儀的設(shè)計(jì)，尤其是用來(lái)穩(wěn)定本振的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)有關(guān)。在某些分析儀中，相位噪聲在穩(wěn)定環(huán)路的帶寬中相對(duì)平坦，而在另一些分析儀中，相位噪聲會(huì)隨著信號(hào)的頻偏而下降。相位噪聲采用 dBc (相對(duì)于載波的 dB 數(shù)) 為單位，并歸一化至 1 Hz 噪聲功率帶寬。有時(shí)在特定的頻偏上指定，或者用一條曲線來(lái)表示一個(gè)頻偏范圍內(nèi)的相位噪聲特性。

通常，我們只能在分辨率帶寬較窄時(shí)觀察到頻譜儀的相位噪聲，此時(shí)相位噪聲使這些濾波器的響應(yīng)曲線邊緣變得模糊。使用前面介紹過(guò)的數(shù)字濾波器也不能改變這種效果。對(duì)于分辨率帶寬較寬的濾波器，相位噪聲被掩埋在濾波器響應(yīng)曲線的邊帶之下，正如之前討論過(guò)的兩個(gè)非等幅正弦波的情況。

在任何情況下，相位噪聲都是頻譜儀分辨不等幅信號(hào)能力的最終限制因素。如圖3-3所示，根據(jù) 3 dB 帶寬和選擇性理論我們應(yīng)該能夠分辨出這兩個(gè)信號(hào)，但結(jié)果是相位噪聲掩蓋了較小的信號(hào)。

頻譜儀的本振信號(hào)的相位噪聲，經(jīng)過(guò)混頻器混頻，將在輸入信號(hào)上產(chǎn)生相應(yīng)的相位噪聲，這就意味著即使是輸入一個(gè)理想的正弦信號(hào)，頻譜儀的本振相位噪聲也將在顯示的譜線上疊加，如果輸入信號(hào)夾帶相位噪聲，頻譜儀的顯示軌跡就包含了輸入信號(hào)和本振信號(hào)合成的相位噪聲。本振的相位噪聲很差的情況下，輸入信號(hào)鄰近的小信號(hào)就無(wú)法檢測(cè)出來(lái)。

相位噪聲主要影響頻譜儀的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。

圖1-3. 相位噪聲阻礙了對(duì)非等幅信號(hào)的分辨

二、頻譜儀的本底噪聲

頻譜分析儀的主要用途之一是搜索和測(cè)量低電平信號(hào)。這種測(cè)量的最終限制是頻譜儀自身產(chǎn)生的噪聲。這些由各種電路元件的隨機(jī)電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲經(jīng)過(guò)分析儀多級(jí)增益的放大最后作為噪聲信號(hào)出現(xiàn)在顯示屏上。該噪聲在頻譜分析儀里通常稱為顯示平均噪聲電平 (Displayed Average NoiseLevel，DANL)。雖然使用一些技術(shù)可以測(cè)量略微低于DANL 的信號(hào)，但是 DANL 始終限制著我們測(cè)量低電平信號(hào)的能力。

本底噪聲是頻譜儀靈敏度的重要度量指標(biāo)，決定了頻譜儀可以檢測(cè)到的最小電平。

如FSQ(RS 的一款頻譜儀) -148dBm@10Hz,0dB 衰減

假設(shè)Rfatt 為30dB

計(jì)算出：本底噪聲= -80.5dBm

這時(shí)候測(cè)試不出來(lái)-80dBm 的信號(hào)

圖1-4 RFatt與平均顯示電平

圖1-5 RBW與平均顯示電平

頻譜分析儀顯示的噪聲本底電平依賴于衰減器的設(shè)置，如圖3-4，每增加10dB的衰減量，顯示的噪聲電平將提高10dB。

因?yàn)闊嵩肼曨l率功率密度在噪聲帶寬內(nèi)是連續(xù)的，所以顯示的本底噪聲電平是與選取的中頻濾波器(RBW)的帶寬有關(guān)，可以通過(guò)計(jì)算而得。如圖3-5，RBW每增加10倍，噪聲電平增大約10dB。圖中，RBW為1MHz和300KHz時(shí)，本底噪聲電平較低，S/N較高，信號(hào)的功率測(cè)試時(shí)，基本不受RBW影響，但RBW為3MHz時(shí)，本底噪聲電平與信號(hào)功率比較接近，是信號(hào)的功率測(cè)量值偏高。

1.3 1dB 壓縮點(diǎn)

dB壓縮點(diǎn)定義：由于器件飽和區(qū)的影響，增益降低1dB的點(diǎn)。與截止點(diǎn)類似，1dB壓縮點(diǎn)可以指輸入電平或輸出電平。對(duì)于功率放大器來(lái)說(shuō)，通常給出輸出1dB壓縮點(diǎn)，對(duì)于頻譜儀來(lái)說(shuō)，為輸入的1dB壓縮點(diǎn)。(相類似于LNA的IP1dB)

圖1-6 1dB壓縮點(diǎn)定義

頻譜儀的1dB壓縮點(diǎn)特性主要受第一級(jí)混頻器(衰減為0dB)決定，標(biāo)稱的1dB壓縮點(diǎn)指的是混頻器輸入端口的電平。增加衰減器的設(shè)置值，1dB壓縮點(diǎn)會(huì)隨衰減器的增大而以同樣的數(shù)值增加。

為了避免過(guò)載失真，最大輸入電平應(yīng)該遠(yuǎn)低于1dB壓縮點(diǎn)。

1.4 動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是頻譜分析儀同事處理不同電平信號(hào)的能力。動(dòng)態(tài)范圍的限值依賴于實(shí)際所要進(jìn)行的測(cè)量，動(dòng)態(tài)范圍下限是由自然噪聲或相位噪聲決定的，動(dòng)態(tài)范圍的上限是由1dB壓縮點(diǎn)或由頻譜儀過(guò)載而造成的失真決定的。動(dòng)態(tài)范圍可以以不同的方式定義，和我們平時(shí)所說(shuō)的顯示范圍的概念不一樣。

電平顯示范圍，從平均噪聲電平到最大輸入的電平。頻譜儀為了顯示最大輸入電平的信號(hào)，常常需要將衰減器設(shè)置的非常大，這樣頻譜儀顯示的噪聲就不可能是最小值。頻譜儀為了顯示接近平均噪聲電平的信號(hào)，衰減器設(shè)置到足夠小，這時(shí)候也不能夠測(cè)試最大輸入電平的信號(hào)。

所以最大動(dòng)態(tài)范圍通常是在最小分辨率帶寬的情況下，顯示的噪聲電平作為下限，1dB壓縮點(diǎn)作為上限。如果達(dá)到第一級(jí)混頻器的輸入電平高出1dB壓縮點(diǎn)，那么將產(chǎn)生混頻器非線性失真，使用較小的RBW時(shí)，失真產(chǎn)物就會(huì)明顯地顯示出來(lái)(他們不會(huì)被噪聲淹沒(méi))，此時(shí)的頻譜測(cè)量就不能明確反映被測(cè)設(shè)備的真實(shí)頻譜。

圖1-7 最大無(wú)互調(diào)范圍和最大諧波抑制能夠有效衡量?jī)x器動(dòng)態(tài)范圍

對(duì)于混頻器電平的選取需要找到合適的折中，如果ATT過(guò)大，混頻器電平將降低，頻譜儀產(chǎn)生的失真信號(hào)和互調(diào)產(chǎn)物就很微弱，但與此同時(shí)對(duì)于輸入信號(hào)而言，信噪比降低，這種情況下，動(dòng)態(tài)范圍的下限就有固有躁底決定。

另一方面，如果混頻器電平過(guò)高，失真和互調(diào)產(chǎn)物超過(guò)自然躁底，而在頻譜儀上清晰分辨出來(lái)。實(shí)際測(cè)量中，無(wú)失真顯示頻譜范圍是非常重要的。它由互調(diào)產(chǎn)物或是高次諧波失真限制這個(gè)范圍，我們稱這個(gè)范圍為無(wú)互調(diào)范圍或是最大諧波抑制，兩者是由混頻器電平和所選的RBW決定的。如果互調(diào)產(chǎn)物或者高次諧波電平與噪聲電平相等，則達(dá)到了相應(yīng)的最大值。

ATT值與內(nèi)部混頻器電平(失真信號(hào)，互調(diào)產(chǎn)物)，對(duì)混頻器的電平選取應(yīng)該找到合適的折中理論上射頻最大無(wú)互調(diào)范圍: 2X [IP3-Ldanl]/3

討論下圖 1-8 a、b。

圖1-8 a

圖1-8 b