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如何选择显示检波器 [复制链接]

之所以介绍频谱仪的显示检波器,是因为在宽带信号功率测试、功率谱密度测试及相噪测试等应用中,对显示检波器的选择有一定的要求。如果选择的检波器不合适,那么将无法准确完成测试。本文的目的也是想让初学者对这一块内容有更多的认识,从而能够根据所测参数选择合适的检波器。

何为显示检波器(detector)?为什么需要显示检波器?

由名称可以看出,显示检波器是与结果的显示相关的,它决定了频谱仪如何显示测试结果。初学者很容易混淆包络检波器和显示检波器,二者其实是完全不同的,在图1所示的传统频谱仪架构中,采用了硬件包络检波器,直接提取出IF信号的包络。显示检波器如何工作呢?

显示检波器应用于采用数字IF 处理的现代频谱仪中,并不是包络检波器,本质上就是一种数字算法。简单地讲,现代频谱仪中末级IF信号经过ADC转换为数字信号,由于ADC采样率较高,频谱仪在一次完整的扫描周期内会有很多样点数需要处理和显示,那么如何显示这些样点将由显示检波器决定!

图1. 传统频谱仪架构示意图

举例:频谱仪设置4000个扫频点,总扫描时长为400ms,假设频谱仪中ADC的采样率为200MS/s,则每个频点对应多少个样点数据呢?

此处不考虑IF filter (RBW filter)的瞬态响应时间,假设总时长400ms全部应用于数据采集,则每个扫频点包含的采集时间为:400ms/4000=0.1ms。

那么在0.1ms内ADC采集的样点数为:0.1ms x 200MS/s = 20000 个样点。这意味着每一个扫频点将包含20000个样点,那么该如何显示出来呢?

总不能将这么多个样点都显示在这个扫频点上吧?!

因此,为了解决如何显示的问题,就引入了显示检波器。

所谓显示检波器,就是一种数学方法,决定了如何显示每个扫频点的结果。比如,从20000个样点中选取幅值最大或者最小的样点显示出来。

值得一提的是,频谱仪实际中如何显示这些样点,所要考虑的因素比上述例子复杂得多,还要考虑显示屏幕的像素、LO调谐步进及Span的大小等因素。尽管如此,对于显示检波器作用的理解,使用上述例子已经足够了。

频谱仪主要有哪些显示检波器呢?

首先了解一下显示检波器的位置,图2给出了现代频谱仪数字IF处理的基本架构,经ADC离散后的数字IF会最终转换为IQ数据,显示检波器将依据IQ幅度决定如何显示频谱测试结果。

图2. 显示检波器决定了如何显示频谱测试结果

业界频谱仪所支持的显示检波器类型比较多,常用的检波器包括:最大值、最小值、自动峰值(AP, Auto Peak)、平均值(AVG, Average)及均方根值(RMS)检波器。为了便于说明,依然沿用上面的例子,假设每个扫频点包含20000个样点数据。

表1中给出了这五种显示检波器的含义,最大值和最小值检波器比较容易理解,就是选取样点中幅度最大值和最小值显示出来。自动峰值检波器是将最大值和最小值都显示出来,表现形式是最大值和最小值之间直连,也就是一个扫频点显示的是一条竖直的线。自动峰值检波器通常是频谱仪默认的设置,这也是为什么一打开频谱仪就看到“很厚”的底噪的原因!

表1. 常用的显示检波器类型

检波器类型

检波器含义描述

最大值

从20000个样点数据中选取幅值最大的样点显示出来

最小值

从20000个样点数据中选取幅值最小的样点显示出来

自动峰值

从20000个样点数据中的最大值和最小值直连显示出来

平均值

对20000个样点数据进行算术平均后,将平均值显示出来

均方根值

对20000个样点数据进行几何平均后,将平均值显示出来

下面分别给出了平均值检波器和均方根值检波器对应的数学公式:

Ai表示第i个样点的幅值:

ARMS是信号幅度的有效值,由其可以计算出信号的真实的平均功率:

式中,R为系统参考阻抗,Pi为第i个样点对应的功率值。选择RMS检波器时,计算得到的功率P为N个样点功率值的平均值。

下面考虑一个简单的场景:理想CW信号的频谱测试,没有任何噪声,那么使用上述任一种检波器得到的结果都是相同的。因为对于理想CW信号,由IQ数据计算得到幅值就是个常数。

但实际上,随机噪声无处不在,得到的IQ数据上也叠加了噪声,如果参与平均的样点数足够多,则随机噪声的平均值趋于零,使用AVG检波器得到的结果可以忽略随机噪声,可以准确测试CW信号的功率。而使用RMS检波器得到的结果则是信号和噪声的总功率。

如果CW信号的SNR比较高,那么采用AVG和RMS检波器的测试结果相当;如果信号比较微弱,可以考虑采用AVG检波器以更好地抑制噪声。

如果要测试宽带信号的功率,比如测试数字调制信号的功率或者噪声功率谱密度等,务必要将显示检波器选择为RMS检波器!因为只有RMS检波器测得的结果才是宽带信号真实的平均功率!

显示检波器与频谱仪的迹线模式有什么区别?

初学者还比较容易混淆显示检波器和迹线模式,下面简单介绍一下。

频谱仪常用的迹线模式包括Clear/Write、Max. Hold、Min. Hold、Average等,它们与上面介绍的最大值、最小值及平均值检波器是完全不同的。迹线模式是对多次扫频结果进行处理的,而显示检波器是对同一个频点所包含的样点数进行处理,从数据处理流程看,使用显示检波器在前,而迹线模式生效在后。

比如Max. Hold,就是将多次扫频曲线的最大值显示出来并固化在屏幕上,对于同一个频点,当出现更大的幅值时,才会进行刷新。当测试跳频信号的频谱时,结果发现谱线的位置一直在跳动,此时便可以打开Max. Hold迹线模式,只要观测的时间够长,那么就可以观察到所有跳频点的频谱。

类似地,Average迹线模式是将多次扫频测试结果进行线性或者对数平均后显示出来。测试微弱的CW信号时,可以使用Average迹线模式,从而读取稳定的测试结果。

如何选择显示检波器?

针对这个问题,下面给出了五种测试场景。

I. CW信号测试

比如单音/多音信号测试、杂散、谐波及交调失真测试等,只要具有较强的SNR,采用默认的自动峰值检波器即可。对于杂散和谐波测试,由于信号较弱,为了得到更好的结果,可以考虑采用AVG或者RMS检波器,以平均噪声,提高测试精度。

II. 宽带信号测试

典型的宽带信号,比如数字调制信号,或者宽带噪声信号,如果要测试这类信号的总功率或者功率谱密度,只有选择RMS检波器,测得的结果才能反映真实的功率特性。为了得到平滑的频谱曲线,建议将扫描时间设置长一些,这样会有更多的样点数参与平均,平均值会越来越稳定。

得到平滑的频谱曲线后,还可以进一步完成ACLR / ACPR和占用带宽OBW的测试,RMS检波器可以保证得到稳定、精确的测试结果!

值得一提的是,采用RMS检波器后,VBW必须要大于RBW,否则测试结果会偏低!默认情况下,VBW和RBW是联动设置的,可以满足这一点。

III. 射频脉冲信号测试

如果只是要得到射频脉冲信号的包络谱显示或者线状谱显示,则使用默认的自动峰值检波器即可。如果要使用带宽积分法测试信号的平均功率,则依然要求选择RMS检波器。

IV. 总谐波失真测试

对于基波信号功率测试,选择自动峰值检波器即可。对于谐波信号功率的测试,有两种方法可以选择:(1) 单独测试每个谐波的功率,换算成线性功率后再相加求和,最后取对数,即为总谐波功率;(2) 直接使用带宽积分法测试总谐波功率,需要设置为RMS检波器。

V. 相位噪声测试

基于频谱仪的相位噪声测试,无论是手动测试,还是使用软件自动测试,都属于直接法测试。首先确定载波功率,然后再确定一定偏移频率处的功率谱密度,二者的比值即为相位噪声。

如果手动测试相位噪声,需要考虑的因素比较多,后面会专门展开细述。对于显示检波器的选择,由于相位噪声也属于宽带噪声,因此也要求使用RMS检波器。

小结

文中着重介绍了频谱仪显示检波器的相关内容,其实显示检波器的选择并不难,测试场景可能多种多样,但是信号的形式就那么几种,只要掌握了每一种显示检波器的含义,再结合信号类型及需要测试的参数选择合适的检波器即可。

此帖出自RF/无线论坛
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谢谢楼主的分享,有空介绍一下常用的显示检波器的具体使用案例。

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