頻譜分析儀檢波方式有哪幾種?
常見的頻譜分析儀主要采用數(shù)字顯示方式,顯示跡線上的每個(gè)點(diǎn)代表某個(gè)頻率范圍,這個(gè)頻率范圍叫一個(gè)“信號(hào)收集單元(bucket)”,運(yùn)用某種數(shù)學(xué)運(yùn)算從這個(gè)信號(hào)收集單元中取出我們想要的信息數(shù)據(jù),隨后將這些數(shù)據(jù)顯示到顯示器上。信號(hào)收集單元包含“頻率”和“時(shí)長”兩個(gè)概念:
頻率:信號(hào)收集單元的寬度=掃寬/(跡線點(diǎn)數(shù)-1)
時(shí)長:信號(hào)收集單元的時(shí)長=掃描時(shí)間/(跡線點(diǎn)數(shù)-1)
利用“信號(hào)收集單元”這個(gè)概念,它能夠幫我們區(qū)分這 6 種顯示檢波器類型:
取樣檢波
正峰值檢波(簡稱峰值檢波)
負(fù)峰值檢波
正態(tài)檢波(Normal)
平均檢波
準(zhǔn)峰值檢波
前面三個(gè)取樣檢波、正峰值檢波、負(fù)峰值檢波比較好理解。見圖1所示

取樣檢波
只選取每個(gè)信號(hào)收集單元的中間位置的瞬時(shí)電平值(圖 1)作為數(shù)據(jù)點(diǎn),這就是取樣檢波模式。在整個(gè)掃頻帶寬內(nèi),采樣點(diǎn)數(shù)越多,越能逼近真實(shí)的信號(hào)。為使顯示跡線看起來是連續(xù)的,可以將采樣點(diǎn)連接顯示或滿足一定算法的插值點(diǎn)。比較圖 2和圖 3,跡線上的點(diǎn)數(shù)越多,就越能真實(shí)地再現(xiàn)模擬信號(hào)。

雖然這種取樣檢波方式能很好的體現(xiàn)噪聲的隨機(jī)性,但并不適合于分析正弦波或梳狀譜信號(hào)。見圖 4所示,頻譜分析儀檢波方式是取樣,掃寬1800MHz,顯示點(diǎn)數(shù)401,那么每一個(gè)信號(hào)收集單元寬度4.5MHz,即每點(diǎn)代表4.5MHz帶寬,大于儀器3MHz分辨率帶寬。結(jié)果采用取樣檢波模式時(shí),只有當(dāng)梳狀信號(hào)的分量剛好處在中頻的中心處時(shí),它的幅度才能被顯示出來。可以得出,取樣檢波方式并不適用于所有信號(hào),也不能顯示所有信號(hào)的真實(shí)峰值。當(dāng)分辨率帶寬小于信號(hào)收集單元的寬度時(shí),取樣檢波模式會(huì)給出錯(cuò)誤的結(jié)果。

正峰值檢波
確保所有正弦波或梳狀譜的真實(shí)幅度都能被顯示,這就要用正峰值檢波方式,或者叫峰值檢波,如圖 1所示。峰值檢波是許多頻譜分析儀默認(rèn)的檢波方式,因?yàn)闊o論分辨率帶寬和信號(hào)收集單元的寬度之間關(guān)系如何,它都能保證不丟失任何正弦信號(hào),見圖 5所示。不過,與取樣檢波方式不同的是,由于峰值檢波只顯示每個(gè)信號(hào)收集單元內(nèi)的最大值而忽略了實(shí)際的噪聲隨機(jī)性,所以在顯示隨機(jī)噪聲方面并不理想。因此,將峰值檢波作為第一檢波方式的頻譜儀一般還提供取樣檢波作為補(bǔ)充。

負(fù)峰值檢波
負(fù)峰值檢波也稱最小峰值檢波,它是顯示每個(gè)信號(hào)收集單元中的最小值,見圖 1所示。雖然負(fù)峰值檢波不如其它檢波方式常用,但是 大多數(shù)頻譜儀都提供這種檢波方式。對于 EMC 測量,想要從脈沖信號(hào)中區(qū)分出CW 信號(hào),負(fù)峰值檢波會(huì)很有用。
正態(tài)檢波
正態(tài)檢波,有的稱自動(dòng)峰值檢波或Normal檢波方式。該檢波方式比峰值檢波能更好地對隨機(jī)噪聲的顯示,并避免取樣檢波方式對信號(hào)的丟失問題。如果信號(hào)用正峰值和負(fù)峰值檢波所確定的那樣既有上升、又有下降,則該算法將這種信號(hào)歸類為噪聲信號(hào)。在這種情況下,用奇數(shù)號(hào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)來顯示信號(hào)收集單元中的最大值,用偶數(shù)號(hào)的數(shù)據(jù)點(diǎn)來顯示最小值。
正態(tài)檢波算法:如果信號(hào)在一個(gè)信號(hào)收集單元內(nèi)既有上升又有下降:則偶數(shù)號(hào)信號(hào)收集單元將顯示該單元內(nèi)的最小值(負(fù)峰值)。并記錄最大值,然后在奇數(shù)號(hào)信號(hào)收集單元中將當(dāng)前單元內(nèi)的峰值與之前(記錄的)一個(gè)單元的峰值進(jìn)行比較并顯示兩者中的較大值(正峰值)。如果信號(hào)在一個(gè)信號(hào)收集單元內(nèi)只上升或者只減小,則顯示峰值,如圖 6所示。

綜上所述:峰值檢波從噪聲中定位 CW 信號(hào),取樣檢波測量噪聲,而既要觀察信號(hào)又要觀察噪聲時(shí)采用正態(tài)檢波最為合適。
平均檢波
因?yàn)閿?shù)字調(diào)制具有類噪聲特性,所以取樣檢波不能提供我們所需的所有信息。比如在測量一個(gè)W-CDMA 信號(hào)的信道功率時(shí),需要集成信號(hào)的均方根值,這個(gè)測量過程涉及到頻譜儀一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)收集單元的總功率,取樣檢波并不能提供這個(gè)信息。
雖然一般頻譜儀是在每個(gè)信號(hào)收集單元內(nèi)多次收集幅度數(shù)據(jù),但取樣檢波只保留這些數(shù)據(jù)中的一個(gè)值而忽略其他值;而平均檢波會(huì)使用該信號(hào)收集單元內(nèi)所有數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)以多種方法處理從而獲得想要的結(jié)果。
某些頻譜儀將功率(基于電壓的均方根值)取平均的檢波稱為 rms(均方根) 檢波。頻譜分析儀的平均檢波功能包括功率平均、電壓平均和信號(hào)的對數(shù)平均,不同的平均類型可以通過按鍵單獨(dú)選擇:
功率(RMS)平均是對信號(hào)的均方根電平取平均值,這是將一個(gè)信號(hào)收集單元內(nèi)所測得的電壓值取平方和再開方然后除以頻譜儀輸入特性阻抗(通常為 50 Ω)而得到。功率平均計(jì)算出真實(shí)的平均功率,測量復(fù)雜信號(hào)的功率。
電壓平均是將一個(gè)信號(hào)收集單元內(nèi)測得的信號(hào)包絡(luò)的線性電壓值取平均。在 EMI 測試中通常用這種方法來測量窄帶信號(hào)。電壓平均還可以用來觀察 AM 信號(hào)或脈沖調(diào)制信號(hào)(如雷達(dá)信號(hào)、TDMA 發(fā)射信號(hào))的上升和下降情況。
對數(shù)功率(視頻)平均是將一個(gè)信號(hào)收集單元內(nèi)所測得的信號(hào)包絡(luò)的對數(shù)幅度值(單位為 dB)取平均。它用來觀察正弦信號(hào),特別是那些靠近噪聲的信號(hào)。
因此,使用功率為平均類型的平均檢波方式提供的是基于RMS電壓值的真實(shí)平均功率,而平均類型為電壓的檢波器則可以看作是通用的平均檢波器。
采用平均檢波方式測量功率優(yōu)于取樣檢波方式。取樣檢波需要進(jìn)行多次掃描以獲取足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)來提供精確的平均功率信息。平均檢波使得對信道功率的測量從某范圍內(nèi)信號(hào)收集單元的求和變成代表著頻譜儀某段頻率的時(shí)間間隔的合成。在快速傅立葉變換(FFT)頻譜儀中,用于測量信道功率的值由顯示數(shù)據(jù)點(diǎn)的和變?yōu)榱?FFT 變換點(diǎn)之和。
在掃頻和FFT兩種模式下,這種合成捕獲所有可用的功率信息,而不像取樣檢波那樣只捕獲取樣點(diǎn)的功率信息。所以當(dāng)測量時(shí)間相同時(shí),平均檢波的結(jié)果一致性更高。在掃描分析時(shí)也可以簡單地通過延長掃描時(shí)間來提高測量結(jié)果的穩(wěn)定性。
準(zhǔn)峰值檢波(QPD)
準(zhǔn)峰值檢波(Quasi peak detector)是種用于干擾測量(EMI)的峰值檢波器。QPD 是峰值檢波的一種加權(quán)形式,它的測量值隨被測信號(hào)重復(fù)速率的下降而減小。也就是,一個(gè)給定峰值幅度并且脈沖重復(fù)速率為 10 Hz 的脈沖信號(hào)比另一個(gè)具有相同峰值幅度但脈沖重復(fù)速率為1 kHz 的信號(hào)準(zhǔn)峰值要低。這種信號(hào)加權(quán)是通過帶有特定充放電結(jié)構(gòu)的電路和由CISPR定義的顯示時(shí)間常量來實(shí)現(xiàn)。準(zhǔn)峰值檢波器充電時(shí)間常數(shù)。
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