之所以介紹頻譜儀的顯示檢波器，是因?yàn)樵趯拵盘?hào)功率測(cè)試、功率譜密度測(cè)試及相噪測(cè)試等應(yīng)用中，對(duì)顯示檢波器的選擇有一定的要求。如果選擇的檢波器不合適，那么將無(wú)法準(zhǔn)確完成測(cè)試。本文的目的也是想讓初學(xué)者對(duì)這一塊內(nèi)容有更多的認(rèn)識(shí)，從而能夠根據(jù)所測(cè)參數(shù)選擇合適的檢波器。
何為顯示檢波器(detector)？為什么需要顯示檢波器？
由名稱(chēng)可以看出，顯示檢波器是與結(jié)果的顯示相關(guān)的，它決定了頻譜儀如何顯示測(cè)試結(jié)果。初學(xué)者很容易混淆包絡(luò)檢波器和顯示檢波器，二者其實(shí)是*不同的，在圖1所示的傳統(tǒng)頻譜儀架構(gòu)中，采用了硬件包絡(luò)檢波器，直接提取出if信號(hào)的包絡(luò)。顯示檢波器如何工作呢？
顯示檢波器應(yīng)用于采用數(shù)字if 處理的現(xiàn)代頻譜儀中，并不是包絡(luò)檢波器，本質(zhì)上就是一種數(shù)字算法。簡(jiǎn)單地講，現(xiàn)代頻譜儀中末級(jí)if信號(hào)經(jīng)過(guò)adc轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由于adc采樣率較高，頻譜儀在一次完整的掃描周期內(nèi)會(huì)有很多樣點(diǎn)數(shù)需要處理和顯示，那么如何顯示這些樣點(diǎn)將由顯示檢波器決定！
圖1. 傳統(tǒng)頻譜儀架構(gòu)示意圖
舉例：頻譜儀設(shè)置4000個(gè)掃頻點(diǎn)，總掃描時(shí)長(zhǎng)為400ms，假設(shè)頻譜儀中adc的采樣率為200ms/s，則每個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)多少個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)呢？
此處不考慮if filter (rbw filter)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，假設(shè)總時(shí)長(zhǎng)400ms全部應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集，則每個(gè)掃頻點(diǎn)包含的采集時(shí)間為：400ms/4000=0.1ms。
那么在0.1ms內(nèi)adc采集的樣點(diǎn)數(shù)為：0.1ms x 200ms/s = 20000 個(gè)樣點(diǎn)。這意味著每一個(gè)掃頻點(diǎn)將包含20000個(gè)樣點(diǎn)，那么該如何顯示出來(lái)呢？
總不能將這么多個(gè)樣點(diǎn)都顯示在這個(gè)掃頻點(diǎn)上吧？！
因此，為了解決如何顯示的問(wèn)題，就引入了顯示檢波器。
所謂顯示檢波器，就是一種數(shù)學(xué)方法，決定了如何顯示每個(gè)掃頻點(diǎn)的結(jié)果。比如，從20000個(gè)樣點(diǎn)中選取幅值大或者小的樣點(diǎn)顯示出來(lái)。
值得一提的是，頻譜儀實(shí)際中如何顯示這些樣點(diǎn)，所要考慮的因素比上述例子復(fù)雜得多，還要考慮顯示屏幕的像素、lo調(diào)諧步進(jìn)及span的大小等因素。盡管如此，對(duì)于顯示檢波器作用的理解，使用上述例子已經(jīng)足夠了。
頻譜儀主要有哪些顯示檢波器呢？
首先了解一下顯示檢波器的位置，圖2給出了現(xiàn)代頻譜儀數(shù)字if處理的基本架構(gòu)，經(jīng)adc離散后的數(shù)字if會(huì)終轉(zhuǎn)換為iq數(shù)據(jù)，顯示檢波器將依據(jù)iq幅度決定如何顯示頻譜測(cè)試結(jié)果。
圖2. 顯示檢波器決定了如何顯示頻譜測(cè)試結(jié)果
業(yè)界頻譜儀所支持的顯示檢波器類(lèi)型比較多，常用的檢波器包括：大值、小值、自動(dòng)峰值(ap, auto peak)、平均值(avg, average)及均方根值(rms)檢波器。為了便于說(shuō)明，依然沿用上面的例子，假設(shè)每個(gè)掃頻點(diǎn)包含20000個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。
表1中給出了這五種顯示檢波器的含義，大值和小值檢波器比較容易理解，就是選取樣點(diǎn)中幅度大值和小值顯示出來(lái)。自動(dòng)峰值檢波器是將大值和小值都顯示出來(lái)，表現(xiàn)形式是大值和小值之間直連，也就是一個(gè)掃頻點(diǎn)顯示的是一條豎直的線(xiàn)。自動(dòng)峰值檢波器通常是頻譜儀默認(rèn)的設(shè)置，這也是為什么一打開(kāi)頻譜儀就看到“很厚”的底噪的原因！
表1. 常用的顯示檢波器類(lèi)型
檢波器類(lèi)型 檢波器含義描述
大值 從20000個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)中選取幅值大的樣點(diǎn)顯示出來(lái)
小值 從20000個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)中選取幅值小的樣點(diǎn)顯示出來(lái)
自動(dòng)峰值 從20000個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)中的大值和小值直連顯示出來(lái)
平均值 對(duì)20000個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均后，將平均值顯示出來(lái)
均方根值 對(duì)20000個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何平均后，將平均值顯示出來(lái)
下面分別給出了平均值檢波器和均方根值檢波器對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)公式：
ai表示第i個(gè)樣點(diǎn)的幅值：
arms是信號(hào)幅度的有效值，由其可以計(jì)算出信號(hào)的真實(shí)的平均功率：
式中，r為系統(tǒng)參考阻抗，pi為第i個(gè)樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率值。選擇rms檢波器時(shí)，計(jì)算得到的功率p為n個(gè)樣點(diǎn)功率值的平均值。
下面考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景：理想cw信號(hào)的頻譜測(cè)試，沒(méi)有任何噪聲，那么使用上述任一種檢波器得到的結(jié)果都是相同的。因?yàn)閷?duì)于理想cw信號(hào)，由iq數(shù)據(jù)計(jì)算得到幅值就是個(gè)常數(shù)。
但實(shí)際上，隨機(jī)噪聲無(wú)處不在，得到的iq數(shù)據(jù)上也疊加了噪聲，如果參與平均的樣點(diǎn)數(shù)足夠多，則隨機(jī)噪聲的平均值趨于零，使用avg檢波器得到的結(jié)果可以忽略隨機(jī)噪聲，可以準(zhǔn)確測(cè)試cw信號(hào)的功率。而使用rms檢波器得到的結(jié)果則是信號(hào)和噪聲的總功率。
如果cw信號(hào)的snr比較高，那么采用avg和rms檢波器的測(cè)試結(jié)果相當(dāng)；如果信號(hào)比較微弱，可以考慮采用avg檢波器以更好地抑制噪聲。
如果要測(cè)試寬帶信號(hào)的功率，比如測(cè)試數(shù)字調(diào)制信號(hào)的功率或者噪聲功率譜密度等，務(wù)必要將顯示檢波器選擇為rms檢波器！因?yàn)橹挥衦ms檢波器測(cè)得的結(jié)果才是寬帶信號(hào)真實(shí)的平均功率！
顯示檢波器與頻譜儀的跡線(xiàn)模式有什么區(qū)別？
初學(xué)者還比較容易混淆顯示檢波器和跡線(xiàn)模式，下面簡(jiǎn)單介紹一下。
頻譜儀常用的跡線(xiàn)模式包括clear/write、max. hold、min. hold、average等，它們與上面介紹的大值、小值及平均值檢波器是*不同的。跡線(xiàn)模式是對(duì)多次掃頻結(jié)果進(jìn)行處理的，而顯示檢波器是對(duì)同一個(gè)頻點(diǎn)所包含的樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行處理，從數(shù)據(jù)處理流程看，使用顯示檢波器在前，而跡線(xiàn)模式生效在后。
比如max. hold，就是將多次掃頻曲線(xiàn)的大值顯示出來(lái)并固化在屏幕上，對(duì)于同一個(gè)頻點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)更大的幅值時(shí)，才會(huì)進(jìn)行刷新。當(dāng)測(cè)試跳頻信號(hào)的頻譜時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)譜線(xiàn)的位置一直在跳動(dòng)，此時(shí)便可以打開(kāi)max. hold跡線(xiàn)模式，只要觀(guān)測(cè)的時(shí)間夠長(zhǎng)，那么就可以觀(guān)察到所有跳頻點(diǎn)的頻譜。
類(lèi)似地，average跡線(xiàn)模式是將多次掃頻測(cè)試結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性或者對(duì)數(shù)平均后顯示出來(lái)。測(cè)試微弱的cw信號(hào)時(shí)，可以使用average跡線(xiàn)模式，從而讀取穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果。
如何選擇顯示檢波器？
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，下面給出了五種測(cè)試場(chǎng)景。
i. cw信號(hào)測(cè)試
比如單音/多音信號(hào)測(cè)試、雜散、諧波及交調(diào)失真測(cè)試等，只要具有較強(qiáng)的snr，采用默認(rèn)的自動(dòng)峰值檢波器即可。對(duì)于雜散和諧波測(cè)試，由于信號(hào)較弱，為了得到更好的結(jié)果，可以考慮采用avg或者rms檢波器，以平均噪聲，提高測(cè)試精度。
ii. 寬帶信號(hào)測(cè)試
典型的寬帶信號(hào)，比如數(shù)字調(diào)制信號(hào)，或者寬帶噪聲信號(hào)，如果要測(cè)試這類(lèi)信號(hào)的總功率或者功率譜密度，只有選擇rms檢波器，測(cè)得的結(jié)果才能反映真實(shí)的功率特性。為了得到平滑的頻譜曲線(xiàn)，建議將掃描時(shí)間設(shè)置長(zhǎng)一些，這樣會(huì)有更多的樣點(diǎn)數(shù)參與平均，平均值會(huì)越來(lái)越穩(wěn)定。
得到平滑的頻譜曲線(xiàn)后，還可以進(jìn)一步完成aclr / acpr和占用帶寬obw的測(cè)試，rms檢波器可以保證得到穩(wěn)定、精確的測(cè)試結(jié)果！
值得一提的是，采用rms檢波器后，vbw必須要大于rbw，否則測(cè)試結(jié)果會(huì)偏低！默認(rèn)情況下，vbw和rbw是聯(lián)動(dòng)設(shè)置的，可以滿(mǎn)足這一點(diǎn)。
iii.射頻脈沖信號(hào)測(cè)試
如果只是要得到射頻脈沖信號(hào)的包絡(luò)譜顯示或者線(xiàn)狀譜顯示，則使用默認(rèn)的自動(dòng)峰值檢波器即可。如果要使用帶寬積分法測(cè)試信號(hào)的平均功率，則依然要求選擇rms檢波器。
iv. 總諧波失真測(cè)試
對(duì)于基波信號(hào)功率測(cè)試，選擇自動(dòng)峰值檢波器即可。對(duì)于諧波信號(hào)功率的測(cè)試，有兩種方法可以選擇：(1) 單獨(dú)測(cè)試每個(gè)諧波的功率，換算成線(xiàn)性功率后再相加求和，后取對(duì)數(shù)，即為總諧波功率；(2) 直接使用帶寬積分法測(cè)試總諧波功率，需要設(shè)置為rms檢波器。
v. 相位噪聲測(cè)試
基于頻譜儀的相位噪聲測(cè)試，無(wú)論是手動(dòng)測(cè)試，還是使用軟件自動(dòng)測(cè)試，都屬于直接法測(cè)試。首先確定載波功率，然后再確定一定偏移頻率處的功率譜密度，二者的比值即為相位噪聲。
如果手動(dòng)測(cè)試相位噪聲，需要考慮的因素比較多，后面會(huì)專(zhuān)門(mén)展開(kāi)細(xì)述。對(duì)于顯示檢波器的選擇，由于相位噪聲也屬于寬帶噪聲，因此也要求使用rms檢波器。
小結(jié)
文中著重介紹了頻譜儀顯示檢波器的相關(guān)內(nèi)容，其實(shí)顯示檢波器的選擇并不難，測(cè)試場(chǎng)景可能多種多樣，但是信號(hào)的形式就那么幾種，只要掌握了每一種顯示檢波器的含義，再結(jié)合信號(hào)類(lèi)型及需要測(cè)試的參數(shù)選擇合適的檢波器即可。
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