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频谱分析仪振幅(Amplitude)的量测准确度   【作者： 巫金龍】2000年12月01日 星期五

浏览人次：【9775】 频谱分析仪的量测与使用大家都会，规格的意义与量测的误差确很少人去了解与注意。此篇文章主要是告诉读者频谱分析仪的规格意义与量测误差来源。让大家在使用频谱分析仪作量测时将误差减到最小。 影响频谱分析仪量测的误差来源与种类 频谱分析仪的误差来源 频谱分析仪的简单方块图如(图一)，由图中的误差来源统计一下影响频谱分析仪的误差约有 《图一 》 1)Band Switching(Frequency band) 2)Scale fidelity(Display dynamic Accuracy) 3)Reference level (IF Gain Accuracy) 4) Input attenuator Switching (RF attenuator Accuracy) 5) Resolution Bandwidth Switching (Gain Variation between RBW filter) 6)Display scale Switching 7)Ambient Temperature Change 8)Frequency Response 9)Calibrator 影响频谱分析仪振幅量测的误差来源这么多，是不是每一种量测时每一种误差都要加进去计算呢? 频谱分析仪的误差种类 频谱分析仪量测准确度可分成两种，第一种为相对准确度，第二种为绝对准确度。所谓相对准确度就是量测两个信号的差，如(图二)。通常这种相对准确度会被用于量测谐波失真(Harmonic)，IMD量测等，所以常会看到的单位表示为dBc。dBc的意思是说"谐波与载波(Carrier)的差以decibels表示"。第二种所谓绝对准确度，就是单独的量测一个信号的振幅(Amplitude)大小，如(图三)。通常看到的单位表示为dBm。dBm的意思是说"信号大小与1 milli Watt的比值以decibels表示"。 《图三 》

量测准确度的说明

相对准确度

1.两个量测信号在同一个Frequency Band：

频谱分析仪的BW可能含盖到几拾GHz，但是这个含盖的BW(Bandwidth)并不是由一个YIG的LO(Local OSC)就能振荡出来，所以也就限制了频谱分析仪的BW。为了能使频谱分析仪达到很宽的的BW，应用了YIG的谐波来充当LO，以至于产生了一个个不同的Frequency Band。

这些Frequency Band通常会相互的重迭以含盖整个BW，例如Tektronix 494 AP频谱分析仪的BW就含盖到21GHz，但是它是由５个Frequency Band所组合而成的，这是它们的Frequency response 的规格。

如果你的量测范围在一个Band中，两个被量测的信号误差就不会加入Band switching的误差。例如利用Tektronix 494A频谱分析仪量测900MHz信号的谐波，刚好在它的Band 1 (1.8GHz)的范围内，就没有Band switching的误差。

如果两个信号范围跨越1.8GHz则有Band switching的误差。(表一)规格中的中间一行"与中间点最大的误差(About the mid-point between two extremes)"，所表示的就是相对(relative)的误差规格。而规格中的右边的一行，与参考信号100MHz的误差(Referenced to 100 MHz) ，表示的就是绝对(absolute)的误差规格。

《表一 》

我们从(表二)中可以看出HP5893E已经把绝对(absolute)的误差规格与相对(relative)的误差规格表示出来了，绝对(absolute)的误差规格中已经包括了Band switching的误差，所以规格中不再有Band switching的误差，这种表示法与Tektronix 494A 是相同的。

《表二 》

HP8563E因为没有绝对(absolute)的误差规格，所以有Band switching的误差=1dB，其实就表示绝对(absolute)的误差规格=相对(relative)的误差+ Band switching的误差=2.0(4.3 dB。

在这里，我们举个例子来说明量测900MHz信号源与其2次谐波(1.8GHz)失真的误差。以此种量测来说，两个信号并未超出频谱分析仪的同一个Band，所以没有Band switching的误差。而且是量测2个信号相对的误差，所以牵涉到的规格为Frequency response规格中的相对(relative)误差。

前面已经提过影响频谱分析仪Amplitude的误差来源有9个，第7项是实验室的温度变化，如果实验室的温度变化能控制的很小，我们才可以讨论影响频谱分析仪Amplitude的误差，所以我们先假设7)Ambient Temperature Change=0。做了以上的假设后我们可以看出与相对(relative)的误差有关系的是前面8项误差。其中影响误差来源最大的是8)Frequency Response，不管绝对或是相对的Frequency Response = (n dB，由(图四)看来误差都应该是2( n dB。

《图四 》

因为量测2个信号的档位都是同一档位，且使用同一种RBW filter所以没有以下4项的误差(图五)。

《图五 》

3)Reference level (IF Gain Accuracy)

4) Input attenuator Switching (RF attenuator Accuracy)

5) Resolution Bandwidth Switching (Gain Variation between RBW filter)

6)Display scale Switching

所以与相对(relative)的误差有关系的来源只有

1)Band Switching(Frequency band)

2)Scale fidelity(Display dynamic Accuracy)

8)Frequency Response

因为此例子是两个量测信号在1个Band中，所以第1)项也可以忽略不计(如果要知道这几个项目的定义与为何会不相关可参考附录)。

以HP8563E为例，如果暂时不先考虑两量测信号相对的大小(Over range ?dB) ，与假设不产生Over drive的失真则这两个信号的相对误差为

Frequency response( Band 1= ( 1.0 dB .........R2.0 dB

+ Scale fidelity(Over 90 dB range)...............R 0.85 dB

+Band Switching(Frequency band)..............R 0.0 dB

Total 2.85 dB

HP8593E量测两个信号的相对误差则为

Frequency response Band 1= ( 1.0 dB .........R2.0 dB

+ Scale fidelity(Over70 dB range)...............R 1.1 dB

+Band Switching(Frequency band)..............R 0.0 dB

Total 3.1 dB

Tek 494A量测两个信号的相对误差则为

Frequency response Band 1= ( 1.5 dB .........R3.0 dB

+ Display Dynamic Range(Over 80 dB range).R 2 dB

+Band Switching(Frequency band)..............R 0.0 dB

Total 5.0 dB

上面的例子是两个信号没有超过1个Band的带宽范围，所以没有Band Switching(Frequency band)的误差。当然这个相对误差会与两个量测信号相差的大小有关系，在前3个例子中的Display Dynamic Range(Tektronix 494A)与Scale fidelity(HP8593E)规格可以看出来

"(0.4dB/2dB to a max cumulative error of (1dB over 16dB range"

意思表示：如果两个信号相差不大，以2dB的档位则每2dB增加(0.4dB的误差。如果两个信号相差很大，在8div的范围内最大误差不会超过(1dB。

" Log incremental Acc：( 0.4/4dB (0 dB to -60dB)，Max cumulative：((0.3+0.01(dB from reference level (3kHz to 3MHz RBW)"

意思表示：如果两个信号相差不大，相差4dB有(0.4dB的误差，最大的范为不能超过60 dB。如果两个信号相差很大，与Reference level相差愈大误差愈大，误差是依((0.3+0.01(dB from reference level而增加的。举例：假设Reference level=-10dBm，如果一个信号刚好放在-10dBm的位置，假设另一个信号与它相差6div(-60dB)，则最大误差不会超过((0.3dB+0.01(60)= (0.9dB。

在此处的计算是以相差最大的误差来计算，如果两个信号相差不大，则你可以将Display Dynamic Range以2dB有(0.4dB的误差计算，或者Scale fidelity误差=4dB有(0.4dB的误差。

2.两个量测信号在不同个Frequency Band：

现在假设量测一个10GHz信号源与其2次谐波(20GHz @ -85dBc)失真的误差。此种量测超出频谱分析仪的同一个Band，所以应该加入Band switching的误差。但是有的频谱分析仪的规格中并没有标示Band switching的误差(HP8593E)，又不知道该如何来计算其误差?

前面HP8563E在这个例子中是一个比较好说明的标准例子，它的误差为

Frequency response(6.5(13.2GHz )=...............R (2.2 dB

+Frequency response(19.1G(22.0GHz )=.............R (2.5 dB

+ Scale fidelity(Over 90 dB range)...............R (0.85 dB

+Band Switching(Frequency band)..............R (1.0 dB

Total (6.55 dB

而HP8593E无标示Band Switching的规格，但是有绝对的Frequency response规格，我们只能利用它的绝对误差来计算。

Frequency response(6.5(13.2GHz )=...............R (2.5 dB

+Frequency response(19.1G(22.0GHz )=.............R (3.0 dB

+ Scale fidelity(Over -65 dB range)...............R (1.05 dB

+Band Switching(Frequency band)..............R (0.0 dB

+ Reference level uncertainty(at 0dBm).......... R (0.5 dB

Total (7.05 dB

因为HP8593E的Scale fidelity规格标示在70dB以内为，所以量测步骤只能依照下列的方法来量测，

将10GHz的主信号用0dBm reference level量测

再将reference level降低=-20dBm量测20GHz的谐波信号(这样信号不会超出

-65 dBc的规格)，但是误差要计算进去。Scale fidelity规格：((0.4+0.01(dB from reference level

((0.4+0.01(65)dB =(1.05 dB

但是因为reference level改变了20 dB所以要加入此项误差reference level uncertainty

Reference Level uncertainty：((0.3+0.01(dB from -20dBm) 0dB to -59.9dBm

((0.3+0.01(20)dB=(0.5 dB

Tek 494A量测两个信号的相对误差则为

Frequency response Band 4.....................R(4.5 dB

Frequency response Band 5.....................R(6.5 dB

+ Display Dynamic Range(Over 80 dB range).....R 2 dB

+IF Gain Accuracy(5 dB reference level change).R 0.2 dB

Total ( 13.0 dB

绝对准确度：

量测单独1个信号得的绝对误差会比较容易。如果只改变量测信号的频率(frequency)与振幅(Amplitude)，则影响频谱分析仪量测误差的要素只有3个。

1)Calibrator Accuracy

2)Absolute Response

3)IF Gain accuracy

因为频谱分析仪在量测时没有改变RBW所以没有Resolution Bandwidth Switching的误差。又因为使用同一个Reference level，且能把信号移动到Reference level的位置量测所以没有IF Gain的误差。

再因为不是在同一个Reference level 的屏幕下做2个信号相比较所以没有Scale fidelity的误差。更因为没有在不同的Band下做2个信号相比较所以没有Band Switching 的误差。所以影响频谱分析仪量测误差的要素只有3个。

再假设如果量测的信号与Calibrator是同一个Reference level，则可以减少第3项IF Gain accuracy的误差，换句话说只要将Calibrator Accuracy+ Absolute Response Accuracy就可以了。但是如果你改变不同的RBW与量测Calibrator的RBW不同，则需加入Resolution Bandwidth Switching的误差。

假设以上面几种仪器量测一个2GHz@-10dBm的信号，试计算其误差?

因为Tektronix494A的Calibrator输出为100MHz@-20dBm与这个例子中的2GHz@-10dBm是不相同的Reference level，所以要加入Reference level 误差。以Tektronix494A它的规格为例，量测绝对误差为

Frequency response(1.7GHz(5.5GHz )=.............R (3.5 dB

+ Calibrator Accuracy =.............................R (0.3 dB

+ IF Gain accuracy=................................R (0.5dB

Total (4.3dB

HP8593E的Calibrator输出为-20dBm。所以

Frequency response(400k(2.9GHz )=................R (1.5 dB

+ Calibrator Accuracy =.............................R (0.4 dB

+ IF Gain accuracy[((0.3+0.01(10dB)]=.............R (0.4dB

Total (2.3dB

如果为另外一种机型HP8563E，它的Calibrator输出为300MHz@-10dBm与这个例子中的2GHz@-10dBm是相同的Reference level，则可以去除Reference level (IF Gain accuracy)误差。

减少Amplitude量测准确度的方法：

前面说明了量测误差的来源，当然你也应该对如何减少量测误差有一些概念。在此再加强说明一下如何减少误差的来源。

首先你要注意的是

1.在进行Amplitude量测时要先让频谱分析仪热机到稳定的温度，然后对频谱分析仪进行"自我补偿(自校)"，这样可以减少误差。因为频谱分析仪的"自我补偿(自校)"可以依不同温度的情形补偿回正确的误差。

2.减少改变不同的设定量测不同的信号。例如不要用不同的RBW量测不同的信号[产生分辨率滤波器误差(Resolution Bandwidth Switching)]，尽量避免变化Reference level产生IF Gain的误差等。

3.输入阻抗一定要匹配，避免产生Lose。因为频谱分析仪最差的匹配状况是出现在衰减器=0dB时，尽量避免使用频谱分析仪在0dB的设定。

4.如果量测很接近于Noise的信号会增加误差。你可以缩小RBW或使用Video filter来降低Noise改善Sensitivity增加准确度。但是缩小RBW与使用Video filter会使Sweep time变长，不适合量测窄的Pulse信号。

5.频谱分析仪受限于IF Gain放大器的限制，无法将输入的小信号放得很大。所以有些频谱分析仪有内建PreAmplifer(前置放大器)，主要是让你能放大小的信号，降低Noise改善Sensitivity，但是也改变与增加了整个谱分析仪的Flatness。在使用PreAmplifer量测小信号时，不小心输入大信号时使PreAmplifer损坏，使用时必须小心注意。所以频谱分析仪在使用时要减去PreAmplifer增加的误差。