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频谱分析仪的检波器类型

大西洋仪器网  2018-01-29 16:32   点击 1245

    采用数字显示,需要确定对每个显示数据点,应该用什么样的值来代表。无论我们在显示器上使用多少个数据点,每个数据点必须能代表某个频率范围或某段时间间隔(尽管在讨论频谱分析仪时通常并不会用时间)内出现的信号。这个过程好似先将某个时间间隔的数据都放到一个信号收集单元(bucket)内,然后运用某一种必要的数学运算从这个信号收集单元中取出我们想要的信息比特,随后这些数据被放入存储器再被写到显示器上。这种方法提供了很大的灵活性。 
 

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     ●取样检波
     只选取每个信号收集单元的中间位置的瞬时电平值作为数据点,这就是取样检波模式。为了使显示迹线看起来是连续的,设计了一种能描绘出各点之间矢量关系的系统。迹线上的点数越多,就越能真实地再现模拟信号。 
  

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     取样检波方式能很好的体现噪声的随机性,但取样检波方式并不适用于所有信号,也不能反映显示信号的真实峰值,当分辨率带宽小于采样间隔(如信号收集单元的宽度)时,取样检波模式会给出错误的结果。采用取样检波模式时,只有当梳状信号的混频分量刚好处在中频的中心处时,它的幅度才能被显示出来。
     ●(正)峰值检波
     确保所有正弦波的真实幅度都能被记录的一种方法是显示每个信号收集单元内出现的最大值,这就是正峰值检波方式,或者叫峰值检波。
     峰值检波是许多频谱分析仪默认的检波方式,因为无论分辨率带宽和信号收集单元的宽度之间的关系如何,它都能保证不丢失任何正弦信号。不过,与取样检波方式不同的是,由于峰值检波只显示每个信号收集单元内的最大值而忽略了实际的噪声随机性,所以在反映随机噪声方面并不理想。因此,将峰值检波作为第一检波方式的频谱仪一般还提供取样检波作为补充。
     ●负峰值检波
     负峰值检波方式显示的是每个信号收集单元中的最小值。大多数频谱仪都提供这种检波方式,尽管它不像其他方式那么常用。对于EMC测量,想要从脉冲信号中区分出CW 信号,负峰值检波会很有用。另外,负峰值检波还能应用于使用外部混频器进行高频测量时的信号识别。
     ●正态检波
     为了提供比峰值检波更好的对随机噪声的直观显示并避免取样检波模式显示信号的丢失问题,许多频谱仪还提供正态检波模式。
     如果信号值在一个信号收集单元内既有上升又有下降:则偶数号信号收集单元将显示该单元内的最小值(负峰值)。并记录最大值,然后在奇数号信号收集单元中将当前单元内的峰值与之前(记录的)一个单元的峰值进行比较并显示两者中的较大值(正峰值)。如果信号在一个信号收集单元内只上升或者只减小,则显示峰值。这个处理过程可能引起数据点的最大值显示过于偏向右方,但此偏移量通常只占扫宽的一个很小的百分数,一些频谱分析仪,通过调节本振的起止频率来补偿这种潜在的影响。 
  

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     峰值检波最适用于从噪声中定位 CW信号,取样检波最适用于测量噪声,而既要观察信号又要观察噪声时采用正态检波最为合适。
     ●平均检波
     虽然现代数字调制方案具有类噪声特性,但取样检波不能提供我们所需的所有信息。比如在测量一个W-CDMA 信号的信道功率时,我们需要集成信号的均方根值,这个测量过程涉及到频谱仪一定频率范围内的信号收集单元的总功率,取样检波并不能提供这个信息。
     虽然一般频谱仪是在每个信号收集单元内多次收集幅度数据,但取样检波只保留这些数据中的一个值而忽略其他值。而平均检波会使用该时间(和频率)间隔内的该信号收集单元内所有数据,一旦数据被数字化并且我们知道其实现的环境,便可以将数据以多种方法处理从而获得想要的结果。
     某些频谱仪将功率(基于电压的均方根值)取平均的检波称为 rms(均方根) 检波。平均检波功能包括功率平均、电压平均和信号的对数平均。不同的平均类型可以通过按键单独选择:
     ※功率(rms)平均
     功率(rms)平均是对信号的均方根电平取平均值,这是将一个信号收集单元内所测得的电压值取平方和再开方然后除以频谱仪输入特性阻抗(通常为 50 Ω)而得到。功率平均计算出真实的平均功率,最适用于测量复杂信号的功率。
     ※电压平均
     电压平均是将一个信号收集单元内测得的信号包络的线性电压值取平均。在 EMI 测试中通常用这种方法来测量窄带信号(这部分内容将在下一节做进一步讨论)。电压平均还可以用来观察 AM 信号或脉冲调制信号(如雷达信号、TDMA 发射信号)的上升和下降情况。
     ※对数功率(视频)平均
     对数功率(视频)平均是将一个信号收集单元内所测得的信号包络的对数幅度值(单位为 dB)取平均。它最适合用来观察正弦信号,特别是那些靠近噪声的信号。
     因此,使用功率为平均类型的平均检波方式提供的是基于 rms 电压值的真实平均功率,而平均类型为电压的检波器则可以看作是通用的平均检波器。平均类型为对数的检波器没有其他等效方式。
     采用平均检波测量功率较取样检波有所改进。取样检波需要进行多次扫描以获取足够的数据点来提供精确的平均功率信息。平均检波使得对信道功率的测量从某范围内信号收集单元的求和变成代表着频谱仪某段频率的时间间隔的合成。在快速傅立叶变换(FFT)频谱仪中,用于测量信道功率的值由显示数据点的和变为了 FFT 变换点之和。在扫频和FFT两种模式下,这种合成捕获所有可用的功率信息,而不像取样检波那样只捕获取样点的功率信息。所以当测量时间相同时,平均检波的结果一致性更高。在扫描分析时也可以简单地通过延长扫描时间来提高测量结果的稳定性。
         ●EMI检波器:平均检波和准峰值检波
 平均检波的一个重要应用是用于检测设备的电磁干扰(EMI)特性。在这种应用中,电压平均方式可以测量到可能被宽带脉冲噪声所掩盖的窄带信号。在 EMI 测试仪器中所使用的平均检波将取出待测的包络并使其通过一个带宽远小于 RBW 的低通滤波器,此滤波器对信号的高频分量(如噪声)做积分(取平均)运算。若要在一个没有电压平均检波功能的老式频谱分析仪中实现这种检波类型,需将频谱仪设置为线性模式并选择一个视频滤波器,它的截止频率需小于被测信号的最小 PRF(脉冲重复频率)。
     准峰值检波(QPD)同样也用于 EMI 测试中。QPD 是峰值检波的一种加权形式,它的测量值随被测信号重复速率的下降而减小。也就是,一个给定峰值幅度并且脉冲重复速率为 10Hz的脉冲信号比另一个具有相同峰值幅度但脉冲重复速率为1kHz的信号准峰值要低。这种信号加权是通过带有特定充放电结构的电路和由CISPR13 定义的显示时间常量来实现。
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