频谱分析系列：如何选择显示检波器

频谱分析系列：如何选择显示检波器之所以介绍频谱仪的显示检波器，是因为在宽带信号功率测试、功率谱密度测试及相噪测试等应用中，对显示检波器的选择有一定的要求。如果选择的检波器不合适，那么将无法准确完成测试。本文的目的也是想让初学者对这一块内容有更多的认识，从而能够根据所测参数选择合适的检波器。何为显示检波器(detector)？为什么需要显示检波器？由名称可以看出，显示检波器是与结果的显示相关的，它决定了频谱仪如何显示测试结果。初学者很容易混淆包络检波器和显示检波器，二者其实是完全不同的，在图1所示的传统频谱仪架构中，采用了硬件包络检波器，直接提取出IF信号的包络。显示检波器如何工作呢？显示检波器应用于采用数字IF处理的现代频谱仪中，并不是包络检波器，本质上就是一种数字算法。简单地讲，现代频谱仪中末级IF信号经过ADC转换为数字信号，由于ADC采样率较高，频谱仪在一次完整的扫描周期内会有很多样点数需要处理和显示，那么如何显示这些样点将由显示检波器决定！图1.传统频谱仪架构示意图举例：频谱仪设置4000个扫频点，总扫描时长为400ms，假设频谱仪中ADC的采样率为200MS/s，则每个频点对应多少个样点数据呢？此处不考虑IFfilter(RBWfilter)的瞬态响应时间，假设总时长400ms全部应用于数据采集，则每个扫频点包含的采集时间为：400ms/4000=0.1ms。那么在0.1ms内ADC采集的样点数为：0.1msx200MS/s=20000个样点。这意味着每一个扫频点将包含20000个样点，那么该如何显示出来呢？总不能将这么多个样点都显示在这个扫频点上吧？！因此，为了解决如何显示的问题，就引入了显示检波器。所谓显示检波器，就是一种数学方法，决定了如何显示每个扫频点的结果。比如，从20000个样点中选取幅值最大或者最小的样点显示出来。值得一提的是，频谱仪实际中如何显示这些样点，所要考虑的因素比上述例子复杂得多，还要考虑显示屏幕的像素、LO调谐步进及Span的大小等因素。尽管如此，对于显示检波器作用的理解，使用上述例子已经足够了。频谱仪主要有哪些显示检波器呢？首先了解一下显示检波器的位置，图2给出了现代频谱仪数字IF处理的基本架构，经ADC离散后的数字IF会最终转换为IQ数据，显示检波器将依据IQ幅度决定如何显示频谱测试结果。图2.显示检波器决定了如何显示频谱测试结果业界频谱仪所支持的显示检波器类型比较多，常用的检波器包括：最大值、最小值、自动峰值(AP,AutoPeak)、平均值(AVG,Average)及均方根值(RMS)检波器。为了便于说明，依然沿用上面的例子，假设每个扫频点包含20000个样点数据。表1中给出了这五种显示检波器的含义，最大值和最小值检波器比较容易理解，就是选取样点中幅度最大值和最小值显示出来。自动峰值检波器是将最大值和最小值都显示出来，表现形式是最大值和最小值之间直连，也就是一个扫频点显示的是一条竖直的线。自动峰值检波器通常是频谱仪默认的设置，这也是为什么一打开频谱仪就看到“很厚”的底噪的原因！表1.常用的显示检波器类型检波器类型检波器含义描述最大值从20000个样点数据中选取幅值最大的样点显示出来最小值从20000个样点数据中选取幅值最小的样点显示出来自动峰值从20000个样点数据中的最大值和最小值直连显示出来平均值对20000个样点数据进行算术平均后，将平均值显示出来均方根值对20000个样点数据进行几何平均后，将平均值显示出来下面分别给出了平均值检波器和均方根值检波器对应的数学公式：Ai表示第i个样点的幅值：ARMS是信号幅度的有效值，由其可以计算出信号的真实的平均功率：式中，R为系统参考阻抗，Pi为第i个样点对应的功率值。选择RMS检波器时，计算得到的功率P为N个样点功率值的平均值。下面考虑一个简单的场景：理想CW信号的频谱测试，没有任何噪声，那么使用上述任一种检波器得到的结果都是相同的。因为对于理想CW信号，由IQ数据计算得到幅值就是个常数。但实际上，随机噪声无处不在，得到的IQ数据上也叠加了噪声，如果参与平均的样点数足够多，则随机噪声的平均值趋于零，使用AVG检波器得到的结果可以忽略随机噪声，可以准确测试CW信号的功率。而使用RMS检波器得到的结果则是信号和噪声的总功率。如果CW信号的SNR比较高，那么采用AVG和RMS检波器的测试结果相当；如果信号比较微弱，可以考虑采用AVG检波器以更好地抑制噪声。如果要测试宽带信号的功率，比如测试数字调制信号的功率或者噪声功率谱密度等，务必要将显示检波器选择为RMS检波器！因为只有RMS检波器测得的结果才是宽带信号真实的平均功率！显示检波器与频谱仪的迹线模式有什么区别？初学者还比较容易混淆显示检波器和迹线模式，下面简单介绍一下。频谱仪常用的迹线模式包括Clear/Write、Max.Hold、Min.Hold、Average等，它们与上面介绍的最大值、最小值及平均值检波器是完全不同的。迹线模式是对多次扫频结果进行处理的，而显示检波器是对同一个频点所包含的样点数进行处理，从数据处理流程看，使用显示检波器在前，而迹线模式生效在后。比如Max.Hold，就是将多次扫频曲线的最大值显示出来并固化在屏幕上，对于同一个频点，当出现更大的幅值时，才会进行刷新。当测试跳频信号的频谱时，结果发现谱线的位置一直在跳动，此时便可以打开Max.Hold迹线模式，只要观测的时间够长，那么就可以观察到所有跳频点的频谱。类似地，Average迹线模式是将多次扫频测试结果进行线性或者对数平均后显示出来。测试微弱的CW信号时，可以使用Average迹线模式，从而读取稳定的测试结果。如何选择显示检波器？针对这个问题，下面给出了五种测试场景。I.CW信号测试比如单音/多音信号测试、杂散、谐波及交调失真测试等，只要具有较强的SNR，采用默认的自动峰值检波器即可。对于杂散和谐波测试，由于信号较弱，为了得到更好的结果，可以考虑采用AVG或者RMS检波器，以平均噪声，提高测试精度。II.宽带信号测试典型的宽带信号，比如数字调制信号，或者宽带噪声信号，如果要测试这类信号的总功率或者功率谱密度，只有选择RMS检波器，测得的结果才能反映真实的功率特性。为了得到平滑的频谱曲线，建议将扫描时间设置长一些，这样会有更多的样点数参与平均，平均值会越来越稳定。得到平滑的频谱曲线后，还可以进一步完成ACLR/ACPR和占用带宽OBW的测试，RMS检波器可以保证得到稳定、精确的测试结果！值得一提的是，采用RMS检波器后，VBW必须要大于RBW，否则测试结果会偏低！默认情况下，VBW和RBW是联动设置的，可以满足这一点。III.射频脉冲信号测试如果只是要得到射频脉冲信号的包络谱显示或者线状谱显示，则使用默认的自动峰值检波器即可。如果要使用带宽积分法测试信号的平均功率，则依然要求选择RMS检波器。IV.总谐波失真测试对于基波信号功率测试，选择自动峰值检波器即可。对于谐波信号功率的测试，有两种方法可以选择：(1)单独测试每个谐波的功率，换算成线性功率后再相加求和，最后取对数，即为总谐波功率；(2)直接使用带宽积分法测试总谐波功率，需要设置为RMS检波器。V.相位噪声测试基于频谱仪的相位噪声测试，无论是手动测试，还是使用软件自动测试，都属于直接法测试。首先确定载波功率，然后再确定一定偏移频率处的功率谱密度，二者的比值即为相位噪声。如果手动测试相位噪声，需要考虑的因素比较多，后面会专门展开细述。对于显示检波器的选