如何優化頻譜儀設置實現精準測量

信號分析儀（也稱為頻譜分析儀）通常用于測量微弱信號，包括已知信號和未知信號。通過噪聲校正、本底噪聲擴展 (NFE) 和優化信號分析儀設置，可以實現設備的最佳靈敏度，從而更輕松地檢測和測量微弱信號。

信號分析儀的靈敏度性能通常會列在儀器指標中，最常見的是顯示平均噪聲電平 (DANL) 或噪聲系數 (NF)。DANL 以dBm/Hz為單位，定義為在給定頻率范圍內，負載端接 50 歐姆、輸入衰減為 0 dB、1Hz分辨率帶寬 (RBW) 下，信號分析儀的本底噪聲幅度。

信號分析儀的本底噪聲由兩部分組成：噪聲系數（NFSA）和熱噪聲能量。后者的幅度描述了信號分析儀輸入端存在的熱噪聲能量，通常用kTB表示：

k = 玻爾茲曼常數 (1.38 x 10-23 焦耳/開爾文)

T = 設備周圍環境溫度 (開爾文)

B = 測量噪聲的帶寬 (Hz)

影響靈敏度的設置

經過正確校準的信號分析儀，能夠準確反映輸入端口所加信號幅度。通常施加到輸入端口的信號，如0dBm的信號，測量和顯示的電平應在0dBm左右，誤差在分析儀的精度范圍內。衰減或增益的變化會改變這種關系。

具體來說，輸入衰減的增加將對應于信號分析儀中頻（IF）部分的等效增益增加。這樣做是為了在分析儀顯示上保持校準的電平或信噪比，這可以通過改善本底噪聲來實現。外部衰減也會產生類似的結果。下面的公式確定了信號分析儀的本底噪聲，它是衰減、分辨率帶寬的函數，其中包含的“10*log(RBW)”項，用于補償大于1Hz的RBW。

本底噪聲=DANL + 衰減 + 10*log(RBW)

公式定義了一個可用于改善本底噪聲的關系，適用于使用內部前置放大的情況。對于使用外部前置放大的情況，可以使用下面的公式來計算修正后的DANL，該公式由級聯噪聲系數公式推導而來，信號分析儀的增益為1。將該系統視為前置放大器和信號分析儀的組合，該公式通常表示為：

NF系統 = NF前置放大器+[(NFSA - 1)/G前置放大器]

外部前置放大可以在一定程度上改善本底噪聲，但并非沒有代價。在這種情況下，外部前置放大會給系統引入非線性失真，這也會妨礙信號分析儀對大信號的測量。解決這個問題的方法是使用內部前置放大，因為它可以根據測量需求的變化進行開關，而不是持續處于開啟狀態。因此，這種解決方案在自動化測試環境中特別有用。

通過改變衰減、RBW和前置放大設置來提高信號分析儀的靈敏度。多數現代信號分析儀還具有測量儀表本底噪聲并相應地在信號測量結果中對其進行校正的方法。

噪聲校正

當用信號分析儀測量被測設備DUT時，分析儀屏幕上顯示的頻譜是DUT輸入信號、熱噪聲和NFSA的組合。當斷開DUT與輸入端的連接，換上50歐姆終端時，分析儀屏幕上得到的跡線純粹是熱噪聲和NFSA，被定義為分析儀的本底噪聲。

隨著信號分析儀技術的進步，可以借助大量平均運算來測量其本底噪聲，并將其存儲到一個稱為“校正跡線”的文件中。當連接并測量DUT輸入信號時，它會將得到的結果跡線保存到一個稱為“測量跡線”的文件中。噪聲校正就是通過下面的公式 獲得結果跡線，即去除多余噪聲后的 DUT 輸入信號頻譜。

結果跡線 = 測量跡線[DUT 輸入信號+kTB+NFSA]- 校正跡線[ kTB + NFSA] = DUT輸入信號

 注意，所有值在進行減法之前都從對數（dBm）轉換為線性值（毫瓦，mW），結果跡線再轉換回dBm并在信號分析儀的屏幕上顯示。這樣做便于觀察低電平信號，同時由于消除了信號分析儀本底噪聲帶來的誤差，使得幅度測量更準確。

圖1展示了一種使用跡線運算進行噪聲校正的相對簡單的方法。首先在輸入端接的情況下對信號分析儀的本底噪聲進行平均，并將結果保存到跡線1（黃色）。然后連接DUT，捕獲其信號并保存到跡線2（藍色）。使用跡線運算對這兩個跡線進行功率減法，并將結果保存到跡線3（紫色）。當輸入信號接近信號分析儀的本底噪聲時，噪聲校正的效果最為顯著。

這種方法的主要問題是，每次更改設置時，必須斷開DUT并連接50歐姆負載。一種無需移除DUT就能測量校正跡線的方法是增加輸入衰減（比如增加到70dB），使信號分析儀的本底噪聲遠高于DUT輸入信號，然后將其保存為校正跡線。此時，校正跡線將包含下面公式所示的分量。

校正跡線 = DUT輸入信號 + kTB + NFSA + 衰減

如果（kTB + NFSA + 衰減）>> DUT輸入信號，則可以忽略DUT輸入電平，并根據下面公式設置校正跡線。

校正跡線 = kTB + NFSA + 衰減

通過從公式中減去已知的衰減，可以得到手動方法中使用的原始校正跡線，如下面公式所示。

校正跡線 = kTB + NFSA

這個過程的問題在于，校正跡線僅對信號分析儀當前的設置有效。改變中心頻率、掃寬和RBW等設置會使校正跡線中存儲的值失效。更好的方法是知道所有頻率點的具體NFSA，然后對任何設置應用校正跡線。

是德科技的X系列信號分析儀利用名為“本底噪聲擴展”的高級校準功能來測量和存儲分析儀頻率范圍內以及各種衰減器和信號路徑上的殘余本底噪聲，作為其本底噪聲擴展功能（NFE）的一部分（圖2）。這些數據隨后存儲在儀器的內存中。當用戶在分析儀上開啟NFE功能時，分析儀會根據儀器的當前設置和存儲的噪聲系數值計算出校正跡線。這消除了手動操作那樣需要測量分析儀本底噪聲的步驟，大大簡化了噪聲校正的使用，并消除了每次設置改變時測量儀器本底噪聲所需的額外時間。為了使NFE有效工作，使用足夠多的跡線平均至關重要，建議至少進行10次跡線平均。

圖 2. Keysight N9042B UXA 信號分析儀的NFE功能有助于提高低電平信號靈敏度。藍色跡線表示未使用 NFE 的 頻譜響應。紫色跡線表示將 NFE 從關閉狀態切換到開啟狀態后的同一信號，本底噪聲降低了約 10 dBm。

圖3. 在1GHz處檢測到一個基波信號，在其兩側還可以看到兩個較低電平的信號。提高信噪比會使較低電平的信號更清晰可見。提高信噪比的一個快速方法是降低本底噪聲。通過使用NFE來實現。

圖4. 選擇頂部的第三個測量欄選項，選擇“NFE”軟鍵，選擇“自適應”或“完全”。此外，開啟跡線平均，并設置足夠數量的跡線平均（≥10次平均）。

圖5. 藍色跡線為測量相同的信號，開啟了自適應NFE。本底噪聲降低了約5dB，較低電平的信號更容易檢測到。

圖6顯示了“表征本底噪聲”校準，可通過“系統設置”→“校準”→“高級”→“表征本底噪聲”來設置。在使用NFE功能之前，可能需要表征本底噪聲以獲得最佳結果。分析儀每年會自動提醒用戶應該運行“表征本底噪聲”校準；也可以更頻繁地運行它以確保獲得最佳結果。

Keysight X系列分析儀中的其他應用和測量選件也會使用噪聲校正方法。頻譜分析儀中的功率套件測量，如鄰道功率（ACP），自X系列信號分析儀首次推出以來就具備噪聲校正功能。其他測量如快速功率（FP2）也有噪聲校正功能。此外，每當重復測量已知的重復性數字信號時，可以通過數學方法降低相關的本底噪聲。

在討論的噪聲校正方法中，熱噪聲（kTB）和NFSA都被減去，從而提高了檢測和測量可能被本底噪聲掩蓋的低電平信號的靈敏度。這些方法及其結果在許多情況下是有效的。而當測量值接近或等于儀器的本底噪聲時，就可能會出現問題。如果它們相等，結果將是負無窮 dB。在應用NFE時，要使用足夠多的平均來減少校正后本底噪聲的隨機變化。