频谱仪原理简介二

2.6 包络检波器
通常频谱分析仪会使用包络检波器将中频信号转换为视频信号。最简单的包络检波器由二极管、负载电阻和低通滤波器组成，如图 2-11 所示。示例中的中频链路输出信号(一个幅度调制的正弦波)被送至检波器，检波器的输出响应随中频信号的包络而变化，而不是中频正弦波本身的瞬时值。

图 2-11 包络检波器

对大多数测量来说，我们选择足够窄的分辨率带宽来分辨输入信号的各个频谱分量。如果本振频率固定，频谱仪则调谐到信号的其中一个频谱分量上，那么中频输出就是一个恒定峰值的稳定正弦波。于是包络检波器的输出将是一个恒定 (直流) 电压，并没有需要检波器来跟踪的变化。
2.7 显示
直到 20 世纪 70 年代中期，频谱分析仪的显示方式还是纯模拟的。显示的轨迹呈现连续变化的信号包络，且没有信息丢失。但是模拟显示有着自身的缺点，主要的问题是处理窄分辨率带宽时所要求的扫描时间很长。在极端情况下，显示轨迹会变成一个缓慢移动的通过阴极射线显像管 (CRT) 的光点，而显示器上没有实际的轨迹。所以，长扫描时间使显示变得没有意义。
20 世纪 70 年代中期，数字电路发展起来，它很快被用于频谱分析仪中。一旦一条轨迹被数字化并存入存储器后，便永久地用于显示。在不使图像变得模糊或变淡的前提下，以无闪烁的速率来刷新显示变得简单。存储器中的数据以扫描速率进行刷新，又由于存储器的内容是无闪烁地写到显示器上，故可以随频谱仪扫过其选定的频率间隔时一起进行刷新，就如同模拟系统所能做到的一样。
2.8 检波器
采用数字显示，我们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。

图 2-12 对模拟信号进行数字化时, 每个点应显示什么样的值?

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数据桶) 内，然后运用某一种必要的数学运算从这个数据桶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，这里我们将要讨论几种不同类型的显示检波器。

图 2-13 101 个轨迹点 (数据桶) 中的每个点都覆盖了 1 MHz 的频率间隔和 0.1 ms 的时间间隔

在图 2-13 中，每个信号收集单元内包含由以下式子决定的扫宽和时间帧的数据:
频域: 信号收集单元的宽度 = span/(轨迹点数 - 1)
时域: 信号收集单元的宽度 = 扫描时间/( 轨迹点数 - 1)
不同仪器的采样速率不同，但减小扫宽和/或增加扫描时间能够获得更高的精度，因为任何一种情况都会增加信号收集单元所含的样本数。采用数字中频滤波器的分析仪，采样速率和内插按照等价于连续时间处理来设计。
“数据桶”的概念很重要，它能够帮我们区分这 6 种显示检波器类型：
取样检波
正峰值检波 (简称峰值检波)
负峰值检波
正态检波 (Normal)
平均检波
准峰值检波
2.8.1 取样检波 (Sample)
作为第一种方法，我们只选取每个信号收集单元的中间位置的瞬时电平值 (如图2-14)，这就是取样检波模式。为使显示轨迹看起来是连续的，我们设计了一种能描绘出各点之间矢量关系的系统。比较图 2-12 和 2-14，可以看出我们获得了一个还算合理的显示。当然，轨迹线上的点数越多，就越能真实地再现模拟信号。不同频谱仪的可用显示点数是不一样的，增加取样点确实可使结果更接近于模拟信号。

图2-14 取样检波模式使用10个点显示图2-12中的信号

图2-15 增加取样点使显示结果更接近于模拟显示

虽然这种取样检波方式能很好的体现噪声的随机性，但并不适合于分析正弦波。如果观察一个 100 MHz 的梳状信号，分析仪的扫宽可以被设置为 0 ~ 26.5 GHz。即便使用 1001个显示点，每个显示点代表 26.5 MHz 的频率间隔 (信号收集单元) 也远大于 5 MHz 的最大分辨率带宽。
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。图 2-16a 是一个使用取样检波的带宽为 1 MHz、扫宽为 5 GHz 的显示。它的梳状信号幅度应该与图 2-16b 所示 (使用峰值检波) 的实际信号基本一致。可以得出，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 (如数据桶的宽度) 时，取样检波模式会给出错误的结果。

图 2-16a. 取样检波模式下的带宽为100MHz、扫宽为5GHz 的梳状信号

图 2-16b. 在 500 MHz 扫宽内, 采用 (正) 峰值检波得到的实际梳状信号

2.8.2 峰值检波 (Positive Peak Negative Peak)
(正) 峰值检波 (Positive Peak)
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数据桶内出现的最大值，这就是正峰值检波方式，或者叫峰值检波，如图 2-22b 所示。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 (Negative Peak)
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，尽管它不像其它方式那么常用。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。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。
2.8.3 正态检波 (Normal)
为了提供对随机噪声比峰值检波更好的直观显示并避免取样显示信号的丢失问题，许多频谱仪还具备一种正态 (Normal) 检波模式。如果信号像用正峰值和负峰值检波所确定的那样既有上升、又有下降，则该算法将这种信号归类为噪声信号。在这种情况下，用奇数号的数据点来显示信号收集单元中的最大值，用偶数号的数据点来显示最小值。见图 2-17 中对正态检波 (2-17a) 和取样检波 (2-17b) 的比较。

图 2-17a. 正态检波模式

图 2-17b. 取样检波模式
当遇到正弦信号时会是什么情况呢? 我们知道，当混频分量经过中频滤波器时，频谱仪的显示器上会描绘出滤波器的特性曲线。如果滤波器的曲线覆盖了许多个显示点，便会出现下述情况: 显示信号只在混频分量接近滤波器的中心频率时才上升，也只在混频分量远离滤波器中心频率时才下降。无论哪一种情况，正峰值和负峰值检波都能检测出单一方向上的幅度变化，而根据正态检波算法，每个信号收集单元内的最大值被显示，如图 2-18。

图 2-18. 当信号收集单元内的值只增大或只减小时, 正态检波显示该单元内的最大值
当分辨率带宽比信号收集单元窄时又会怎样呢? 这时信号在数据桶内既有上升又有下降。如果数据桶恰好是奇数号，则一切正常，数据桶内的最大值将作为下一个数据点直接被绘出。但是，如果数据桶是偶数号的，那么描绘出的将是数据桶内的最小值。根据分辨率带宽和数据桶宽度的比值，最小值可能部分或完全不同于真实峰值 (我们希望显示的值)。在数据桶宽度远大于分辨率带宽的极端情况下，数据桶内的最大值和最小值之差将是信号峰值和噪声之间的差值，图 2-19 的示例正是如此。观察第 6 个数据桶，当前数据桶中的峰值总是与前一个数据桶中的峰值相比较，当信号单元为奇数号时 (如第 7 个单元) 就显示两者中的较大值。此峰值实际上发生在第 6 个信号收集单元，但在第 7 个单元才被显示出来。

图 2-19. 正态检波算法所选择的显示轨迹点
正态检波算法
如果信号值在一个数据桶内既有上升又有下降，则偶数号数据桶将显示该单元内的最小值 (负峰值)。并将最大值记录，然后在奇数号数据桶中将当前单元内的峰值与之前(被记录的) 一个单元的峰值进行比较并显示两者中的较大值 (正峰值)。如果信号在一个数据桶内只上升或者只减小，则显示峰值，如图 2-19。
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。一些频谱分析仪像安捷伦 PSA 系列通过调节本振的起止频率来补偿这种潜在的影响。
另一种错误是显示峰值有两个而实际峰值只存在一个，图 2-20 显示出可能发生这种情况的例子。使用较宽分辨率带宽并采用峰值检波时两个峰值轮廓被显示出来。
因此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。

图 2-20. 正态检波显示出两个峰值而实际只存在一个
2.8.4 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数据桶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它值。而平均检波会使用该时间 (和频率) 间隔内的该数据桶内所有数据，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。安捷伦频谱仪的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) 平均是将一个信号收集单元内所测得的信号包络的对数值 (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它等效方式。
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。
2.8.5 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，上一节所述的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 10 Hz 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 1 kHz 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。
QPD 也是定量测量信号干扰因子的一种方法。设想我们正在收听某一遭受干扰的无线电台，如果只是每隔几秒偶而听见由噪声所引起的的“嗞嗞”声，那么基本上还可以正常收听节目，但是，如果相同幅度的干扰信号每秒出现 60 次，就无法再正常收听节目了。
2.9 平滑处理
在频谱仪中有几种不同的方法来平滑包络检波器输出幅度的变化。第一种方法是前面已经讨论过的平均检波，还有两种方法: 视频滤波和轨迹平均。
2.9.1 视频滤波
要识别靠近噪声的信号并不只是 EMC 测量遇到的问题。如图 2-21 所示，频谱仪的显示是被测信号加上它自身的内部噪声。为了减小噪声对显示信号幅度的影响，我们常常对显示进行平滑或平均，如图 2-22 所示。频谱仪所包含的可变视频滤波器就是用作此目的。它是一个低通滤波器，位于包络检波器之后，并且决定了视频信号的带宽，该视频信号稍后将被数字化以生成幅度数据。此视频滤波器的截止频率可以减小到小于已选定的分辨率 (IF) 滤波器的带宽。这时候视频系统将无法再跟随经过中频链的信号包络的快速变化，结果就是对被显示信号的平均或平滑。

图 2-21. 频谱分析仪显示的信号加噪声

图 2-22. 图 2-21 中的信号经充分平滑后的显示
这种效果在测量噪声时最为明显，尤其是选用高分辨率带宽的时候。当减小视频带宽，那么噪声峰峰值的波动变化也随之减小。如图 2-22 所示，减小的程度 (平均或平滑的程度) 随视频带宽和分辨率带宽的比值而变。当比值小于或等于 0.01 时，平滑效果较好，而比值增大时，平滑效果则不太理想。视频滤波器不会对已经平滑的信号轨迹 (例如显示的正弦信号已可以很好地与噪声区分) 有任何影响。

图 2-22. VBW 与 RBW 比值分别为 3:1, 1:10, 1:100 时的平滑效果
如果将频谱仪设置为正峰值检波模式，可以注意到以下两点: 首先，如果 VBW > RBWRBW，则改变分辨率带宽对噪声的峰峰值起伏影响不大。其次，如果 VBW < RBW，则改变视频带宽似乎会影响噪声电平。噪声起伏变化不大是因为频谱仪当前只显示了噪声的峰值。不过，噪声电平表现出随着视频带宽而变是由于平均 (平滑) 处理的变化，因而使被平滑的噪声包络的峰值改变，如图 2-23a。选择平均检波模式，平均噪声电平并不改变，如图 2-23b。

图 2-23a. 正峰值检波模式: 减小视频带宽使噪声峰值变小, 但不能降低平均噪声电平

图 2-23b. 平均检波模式; 无论 VBW 与 RBW 的比值为多少, 噪声电平保持不变
2.9.2 轨迹平均
数字显示提供了另一种平滑显示的选择: 轨迹平均。这是与使用平均检波器完全不同的处理过程。它通过逐点的两次或多次扫描来实现平均，每一个显示点的新数值由当前值与前一个平均值再求平均得到:
$A_{avg}=(\frac{n-1}{n})A_{prioravg}+\frac{1}{n}\ast A_n$
$A_{avg}$= 新平均值
$A_{prioravg}$= 上次扫描所得到的平均值
$A_n$= 当前扫描所得测量值
n= 当前扫描次数
因此，经过若干扫描后显示会渐渐趋于一个平均值。通过设置发生平均的扫描次数，可以像视频滤波那样选择平均或平滑的程度。图 2-24 显示了不同扫描次数下获得的轨迹平均效果。尽管轨迹平均不影响扫描时间，但因为多次扫描需要一定的时间，因此要达得期望的平均效果所用的时间与采用视频滤波方式所用的时间大致相同。

图 2-24. 扫描次数分别为 1,5,20,100 (对应轨迹位置从上到下) 时的轨迹平均效果

在大多数场合里无论选择哪种显示平滑方式都一样。如果被测信号是噪声或非常接近噪声的低电平正弦信号，则不管使用视频滤波还是轨迹平均都会得到相同的效果。不过，两者之间仍有一个明显的区别。视频滤波是对信号实时地进行平均，即随着扫描的进行我们看到的是屏幕上每个显示点的充分平均或平滑效果。每个点只做一次平均处理，在每次扫描上的处理时间约为 1/VBW。而轨迹平均需要进行多次扫描来实现显示信号的充分平均，且每个点上的平均处理发生在多次扫描所需的整个时间周期内。
所以对于某些信号来说，采用不同的平滑方式会得到截然不同的效果。比如对一个频谱随时间变化的信号采用视频平均时，每次扫描都会得到不同的平均结果。但是如果选择轨迹平均，所得到的结果将更接近于真实的平均值，见图 2-25a 和b。

图 2-25a. 视频滤波

图 2-25. 对于调频广播信号, 视频滤波和轨迹平均产生不同的效果