提高频谱仪灵敏度的方法

对于一个无线电频谱监测工作者，无线电监测的任务越来越艰巨，干扰查处的任务越来越多，如何快速有效地进行频谱监测是我们面临的困难问题，特别是对于类似卫星下行链路信号这类比较弱的信号如何能够快速的识别并记录下来是我们经常遇到的困难。

我们在进行信号监测时，常常会用到频谱分析仪，利用频谱分析仪和相关的天线、馈线、放大器以及配套设备来完成对信号的监测，因此，在此主要是针对频谱分析仪来分析如何快速有效地捕获弱信号，并给出几点可行的建议。

要解决频谱仪捕获弱信号的问题就要从频谱仪的重要指标频谱分析仪的灵敏度出发进行分析。频谱分析仪的灵敏度定义为它所显示的平均噪声电平，如果一个信号的电平等于显示的平均噪声电平，它将以近似3dB突起显示在平均噪声电平之上，这一信号被认为是最小的可测量信号电平，但是如果不用视频滤波器平均噪声，那么就不能看到这一现象了。

图1 频谱分析仪基本原理框图

那么影响频谱议灵敏度的因素有哪些?要回答这个问题，就需要了解频谱议的基本原理。从频谱议的工作原理中我们可以分析出那些因素会影响频谱议的灵敏度，通过对这些因素的控制来提高频谱分析仪的灵敏度，从而达到监测弱信号的目的。

1 频谱分析仪的基本组成和工作原理

频谱分析仪的功能是要分辨输入信号中各个频率成份并测量各频率成份的频率和功率。为了完成该功能，频谱分析仪主要采用超外差方式进行扫描—调谐，其特点是频率覆盖范围宽并且允许在中频（IF）进行信号处理。

图1是频谱仪的基本原理框图，图中的中频频率是输入信号通过与本振信号的和频或差频产生的，本振受斜波发生器的控制，在斜波发生器的控制下，本振频率将从低到高的线性变化。这样在显示时，斜波发生器产生的斜波电压加到显示器的X轴上，检波器输出视频信号通过放大、采样、数字化后接到Y轴上，当斜波发生器对本振频率进行扫描时显示器上将自动绘出输入信号的频谱。检波器输出端的低通滤波器称为视频滤波器，用在分析扫描时对响应进行平滑。

频谱分析仪依靠中频滤波器分辨各频率成份，检波器测量信号功率，依靠本振和显示横坐标的对应关系得到信号的频率值。由图l可以看出，对频谱分析仪的灵敏度起关键作用的是衰减器、放大器、中频滤波器以及视频放大器，下面将针对这几个部分分别进行详细说明，指出它们是如何影响频谱分析仪的灵敏度的以及影响的程度如何。

2 提高频谱仪灵敏度的方法

（1）衰减器设置对灵敏度的影响

输入信号的电平不随衰减增力口而下降，这是因为每当衰减降低加到检波器的信号电平10dB时，中放（IF）增益同时增加10dB来补偿这个损失，其结果使仪表显示的信号幅度保持不变。但是，噪声信号将会受到放大器的影响很大，其电平被放大，增加了10dB。既然内部噪声主要由中放第一级产生，因而输入衰减器不影响内部噪声电平。但是，输入衰减器影响到混频器的信号电平，并降低信噪比。

通过对频谱分析仪衰减器的操作，可以得出一个结论，即衰减器衰减量每增加10dB，频谱仪显示噪声电平提高10dB。这样要提高频谱分析仪的灵敏度就需要将衰减设置的尽可能小，降低噪声电平的值，使得信号不被噪声淹没。

（2）分辨率带宽

在频谱分析仪中，频率分辨率是一个非常重要的概念，它是由中频滤波器的带宽所确定的，这个带宽决定了仪器的分辨带宽。例如，滤波器的带宽是100 kHz。那么谱线频率就有100 kHz的不确定性，也即在一个滤波器的带宽频率范围内，如果出现了两条谱线的话，则仪器不能检出这两条谱线，而只显示一条谱线，此时仪器所反映的谱线电平（功率）是这两条谱线的电平功率的叠加。因此会出现测量误差。所以，对于两条紧密相关的谱线，其分辨力取决于滤波器的带宽。

仪表内部产生的噪声是宽带白色噪声。即它在整个频率范围内的电平是平坦的随机噪声，与分辨率带宽滤波器相比，它的频带是宽的。因此，分辨率带宽滤波器只通过一小部分噪声能量到包络检波器。如果分辨率带宽增加（或减少）10倍，则增加（或减少）10倍的噪声能量到达检波器，并且显示的平均噪声电子将增加（或减少）10dB。

显示的噪声电平和分辨率带宽RBW之间的关系是：

噪声电平变化（dB）=10log（分辨率带宽2/分辨率带宽1）

例如：RBW从100kHz变到10kHz，噪声电平变化为：

噪声电平变化（dB）；10log（10/100）= —10dB

频谱仪中滤波器会对中放产生的宽带白噪声有频带抑制功能，所以RBW越小，通过中频滤波器的噪声能量越小，则通过检波后显示噪声的电平越低。

频谱分析仪的最低噪声电平（和最慢扫描时间）是在最小分辨率带宽下得到的。在设置分辨带宽时，我们考虑的是仪器是否能充分响应输入信号时有足够的带宽，正确的方法是展宽滤波器的带宽，当在屏幕上观察到信号载波幅度不再增加时，就表示中频滤波器对输入信号的响应已有足够的带宽了。

通过对频谱分析仪RBW的操作，可以得出一个结论，即分辨率带宽每增加10倍，频谱仪显示噪声电平提高10倍。这样要提高频谱分析仪的灵敏度就需要将分辨率带宽设置的尽可能小，降低噪声电平的值，使得信号不被噪声淹没。

（3）视频带宽

频谱仪显示出信号加噪声，因此当信号接近噪声电平时，附加的噪声叠加在扫描线上，致使更难读取信号。在图1中的检波器之后的滤波器称为检波滤波器又叫视频滤波器，它是一个低通滤波器，它的作用可以减少检波器输出的噪声变化，揭示一些已被掩盖且接近本底噪声的信号，如果是测量噪声功率，它还有助于稳定测量。

检波器输出端往往存在直流分量和交流分量，直流分量代表着中频带宽内存在的能量，所以通过视频滤波器可达到提取直流分量去除一些交流分量，这样能给出更稳定的无噪声输出。采用宽带滤波器时噪声的波动较大，采用窄带滤波器时波动将会减少，两种情况下的噪声平均值却—样，也就是说该滤波器不会降低平均噪声电平，但能减少噪声的峰值电平。因而能暴露出用较宽视频滤波器不能看到的低电平信号。虽然它不能改善灵敏度，但能改善鉴别力和在低信噪比情况下测量的可重复性。在某些情况下，如分析一些特殊的噪声信号时，我们则需要较宽的视频滤波器带宽（VBW），以便观察和分析，所以我们可根据不同的情况来设置视频滤波器的带宽。

视频滤波器的带宽和分辨带宽的关系是：检波前的噪声可以通过较窄的分辨带宽来降低，从而降低检波器的噪声输出电平；检波后的噪声则通过窄带视频滤波器来平滑减少噪声波动，但不能降低噪声的平均功率电平。

需要注意的是：减小VBW可以对噪声信号进行平滑，但并不是得到该噪声信号的功率平均值。减小VBW有利于噪声背量下CW信号检测。

通过对频谱分析仪VBW的操作，可以得出一个结论，视频滤波器不会降低平均噪声电平，但能减少噪声的峰值电平，通过减小视频滤波器带宽能暴露出用较宽视频滤波器不能看到的低电平信号，从而使得信号不被噪声淹没。

（4）前置放大器

在对弱信号的监测中，特别是对于卫星发射的下行链路信号进行监测时，需要加前置放大器，否则，信号将很难看到或者可能根本看不到，因为卫星发射的信号传播到地面需要经过很长的路径，使得信号传播的损耗就很大，信号到达地面后，将变得非常微弱，如果没有放大器，就很难捕捉到。前置放大器有内部和外部之分，内部前置放大器需要选件，随设备购置，工作频率范围一般为3GHz，外部前置放大器可根据要监测的频率范围，选择相应的放大器，放大器的增益要足够大，以便进行监测。

外置放大器对频谱分析仪灵敏度的改善=放大器增益—放大器噪声系数。

通过使用放大器对卫星信号的接收发现，放大器能够明显地改善系统的接收效果，但是，需要特别注意，接收到的信号强度包含了放大器的增益，因此在计算信号的实际强度时，需要将天线增益、放大器增益以及监测系统的其它增益或损耗均排除掉，才能够得到信号的实际强度。

3 总结

通过以上分析可以发现提高频谱仪灵敏度的技术方法有多种，可以选择最小的输入衰减、最窄的分辨带宽和充分利用视频滤波器以及使用前置放大器，使用这些技术后可以明显地提高频谱议的灵敏度，从而可使许多被噪声淹没的信号突出地反映在频谱仪显示屏幕上，也可以使许多难以观察的信号更加清晰地与噪声区别开来。但是这些技术是不可能将频谱议的灵敏度无限制地提高的，因为每个参数均有一定的工作范围，不可能任意调整的，同时某个参数的调整可能会对其它参数有影响，例如，较小的分辨带宽会大大增加测量的时间；0dB输入衰减会增加输入驻波比，降低测量精度；增加前置放大器会影响频谱仪动态范围指标。因此在实际监测过程中一定要对参数进行合理的设置，既要达到监测结果准确，同时也要保证监测的效率。