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頻譜分析儀振幅(Amplitude)的量測準確度   【作者： 巫金龍】   2000年12月01日 星期五

瀏覽人次：【10104】 頻譜分析儀的量測與使用大家都會，規格的意義與量測的誤差確很少人去了解與注意。此篇文章主要是告訴讀者頻譜分析儀的規格意義與量測誤差來源。讓大家在使用頻譜分析儀作量測時將誤差減到最小。 影響頻譜分析儀量測的誤差來源與種類 頻譜分析儀的誤差來源 頻譜分析儀的簡單方塊圖如(圖一)，由圖中的誤差來源統計一下影響頻譜分析儀的誤差約有 《圖一　》 1)Band Switching(Frequency band) 2)Scale fidelity(Display dynamic Accuracy) 3)Reference level (IF Gain Accuracy) 4) Input attenuator Switching (RF attenuator Accuracy) 5) Resolution Bandwidth Switching (Gain Variation between RBW filter) 6)Display scale Switching 7)Ambient Temperature Change 8)Frequency Response 9)Calibrator 影響頻譜分析儀振幅量測的誤差來源這麼多，是不是每一種量測時每一種誤差都要加進去計算呢? 頻譜分析儀的誤差種類 頻譜分析儀量測準確度可分成兩種，第一種為相對準確度，第二種為絕對準確度。所謂相對準確度就是量測兩個信號的差，如(圖二)。通常這種相對準確度會被用於量測諧波失真(Harmonic)，IMD量測等，所以常會看到的單位表示為dBc。dBc的意思是說"諧波與載波(Carrier)的差以decibels表示"。第二種所謂絕對準確度，就是單獨的量測一個信號的振幅(Amplitude)大小，如(圖三)。通常看到的單位表示為dBm。dBm的意思是說"信號大小與1 milli Watt的比值以decibels表示"。 《圖三　》

量測準確度的說明

相對準確度

1.兩個量測信號在同一個Frequency Band：

頻譜分析儀的BW可能含蓋到幾拾GHz，但是這個含蓋的BW(Bandwidth)並不是由一個YIG的LO(Local OSC)就能振盪出來，所以也就限制了頻譜分析儀的BW。為了能使頻譜分析儀達到很寬的的BW，應用了YIG的諧波來充當LO，以至於產生了一個個不同的Frequency Band。

這些Frequency Band通常會相互的重疊以含蓋整個BW，例如Tektronix 494 AP頻譜分析儀的BW就含蓋到21GHz，但是它是由５個Frequency Band所組合而成的，這是它們的Frequency response 的規格。

如果你的量測範圍在一個Band中，兩個被量測的信號誤差就不會加入Band switching的誤差。例如利用Tektronix 494A頻譜分析儀量測900MHz信號的諧波，剛好在它的Band 1 (1.8GHz)的範圍內，就沒有Band switching的誤差。

如果兩個信號範圍跨越1.8GHz則有Band switching的誤差。(表一)規格中的中間一行"與中間點最大的誤差(About the mid-point between two extremes)"，所表示的就是相對(relative)的誤差規格。而規格中的右邊的一行，與參考信號100MHz的誤差(Referenced to 100 MHz) ，表示的就是絕對(absolute)的誤差規格。

《表一　》

我們從(表二)中可以看出HP5893E已經把絕對(absolute)的誤差規格與相對(relative)的誤差規格表示出來了，絕對(absolute)的誤差規格中已經包括了Band switching的誤差，所以規格中不再有Band switching的誤差，這種表示法與Tektronix 494A 是相同的。

《表二　》

HP8563E因為沒有絕對(absolute)的誤差規格，所以有Band switching的誤差=1dB，其實就表示絕對(absolute)的誤差規格=相對(relative)的誤差+ Band switching的誤差=2.0(4.3 dB。

在這裡，我們舉個例子來說明量測900MHz信號源與其2次諧波(1.8GHz)失真的誤差。以此種量測來說，兩個信號並未超出頻譜分析儀的同一個Band，所以沒有Band switching的誤差。而且是量測2個信號相對的誤差，所以牽涉到的規格為Frequency response規格中的相對(relative)誤差。

前面已經提過影響頻譜分析儀Amplitude的誤差來源有9個，第7項是實驗室的溫度變化，如果實驗室的溫度變化能控制的很小，我們才可以討論影響頻譜分析儀Amplitude的誤差，所以我們先假設7)Ambient Temperature Change=0。做了以上的假設後我們可以看出與相對(relative)的誤差有關係的是前面8項誤差。其中影響誤差來源最大的是8)Frequency Response，不管絕對或是相對的Frequency Response = (n dB，由(圖四)看來誤差都應該是2( n dB。

《圖四　》

因為量測2個信號的檔位都是同一檔位，且使用同一種RBW filter所以沒有以下4項的誤差(圖五)。

《圖五　》

3)Reference level (IF Gain Accuracy)

4) Input attenuator Switching (RF attenuator Accuracy)

5) Resolution Bandwidth Switching (Gain Variation between RBW filter)

6)Display scale Switching

所以與相對(relative)的誤差有關係的來源只有

1)Band Switching(Frequency band)

2)Scale fidelity(Display dynamic Accuracy)

8)Frequency Response

因為此例子是兩個量測信號在1個Band中，所以第1)項也可以忽略不計(如果要知道這幾個項目的定義與為何會不相關可參考附錄)。

以HP8563E為例，如果暫時不先考慮兩量測信號相對的大小(Over range ?dB) ，與假設不產生Over drive的失真則這兩個信號的相對誤差為

Frequency response( Band 1= ( 1.0 dB .........R2.0 dB

+ Scale fidelity(Over 90 dB range)...............R 0.85 dB

+Band Switching(Frequency band)..............R 0.0 dB

Total 2.85 dB

HP8593E量測兩個信號的相對誤差則為

Frequency response Band 1= ( 1.0 dB .........R2.0 dB

+ Scale fidelity(Over70 dB range)...............R 1.1 dB

+Band Switching(Frequency band)..............R 0.0 dB

Total 3.1 dB

Tek 494A量測兩個信號的相對誤差則為

Frequency response Band 1= ( 1.5 dB .........R3.0 dB

+ Display Dynamic Range(Over 80 dB range).R 2 dB

+Band Switching(Frequency band)..............R 0.0 dB

Total 5.0 dB

上面的例子是兩個信號沒有超過1個Band的頻寬範圍，所以沒有Band Switching(Frequency band)的誤差。當然這個相對誤差會與兩個量測信號相差的大小有關係，在前3個例子中的Display Dynamic Range(Tektronix 494A)與Scale fidelity(HP8593E)規格可以看出來

"(0.4dB/2dB to a max cumulative error of (1dB over 16dB range"

意思表示：如果兩個信號相差不大，以2dB的檔位則每2dB增加(0.4dB的誤差。如果兩個信號相差很大，在8div的範圍內最大誤差不會超過(1dB。

" Log incremental Acc：( 0.4/4dB (0 dB to -60dB)，Max cumulative：((0.3+0.01(dB from reference level (3kHz to 3MHz RBW)"

意思表示：如果兩個信號相差不大，相差4dB有(0.4dB的誤差，最大的範為不能超過60 dB。如果兩個信號相差很大，與Reference level相差愈大誤差愈大，誤差是依((0.3+0.01(dB from reference level而增加的。舉例：假設Reference level=-10dBm，如果一個信號剛好放在-10dBm的位置，假設另一個信號與它相差6div(-60dB)，則最大誤差不會超過((0.3dB+0.01(60)= (0.9dB。

在此處的計算是以相差最大的誤差來計算，如果兩個信號相差不大，則你可以將Display Dynamic Range以2dB有(0.4dB的誤差計算，或者Scale fidelity誤差=4dB有(0.4dB的誤差。

2.兩個量測信號在不同個Frequency Band：

現在假設量測一個10GHz信號源與其2次諧波(20GHz @ -85dBc)失真的誤差。此種量測超出頻譜分析儀的同一個Band，所以應該加入Band switching的誤差。但是有的頻譜分析儀的規格中並沒有標示Band switching的誤差(HP8593E)，又不知道該如何來計算其誤差?

前面HP8563E在這個例子中是一個比較好說明的標準例子，它的誤差為

Frequency response(6.5(13.2GHz )=...............R (2.2 dB

+Frequency response(19.1G(22.0GHz )=.............R (2.5 dB

+ Scale fidelity(Over 90 dB range)...............R (0.85 dB

+Band Switching(Frequency band)..............R (1.0 dB

Total (6.55 dB

而HP8593E無標示Band Switching的規格，但是有絕對的Frequency response規格，我們只能利用它的絕對誤差來計算。

Frequency response(6.5(13.2GHz )=...............R (2.5 dB

+Frequency response(19.1G(22.0GHz )=.............R (3.0 dB

+ Scale fidelity(Over -65 dB range)...............R (1.05 dB

+Band Switching(Frequency band)..............R (0.0 dB

+ Reference level uncertainty(at 0dBm).......... R (0.5 dB

Total (7.05 dB

因為HP8593E的Scale fidelity規格標示在70dB以內為，所以量測步驟只能依照下列的方法來量測，

將10GHz的主信號用0dBm reference level量測

再將reference level降低=-20dBm量測20GHz的諧波信號(這樣信號不會超出

-65 dBc的規格)，但是誤差要計算進去。Scale fidelity規格：((0.4+0.01(dB from reference level

((0.4+0.01(65)dB =(1.05 dB

但是因為reference level改變了20 dB所以要加入此項誤差reference level uncertainty

Reference Level uncertainty：((0.3+0.01(dB from -20dBm) 0dB to -59.9dBm

((0.3+0.01(20)dB=(0.5 dB

Tek 494A量測兩個信號的相對誤差則為

Frequency response Band 4.....................R(4.5 dB

Frequency response Band 5.....................R(6.5 dB

+ Display Dynamic Range(Over 80 dB range).....R 2 dB

+IF Gain Accuracy(5 dB reference level change).R 0.2 dB

Total ( 13.0 dB

絕對準確度：

量測單獨1個信號得的絕對誤差會比較容易。如果只改變量測信號的頻率(frequency)與振幅(Amplitude)，則影響頻譜分析儀量測誤差的要素只有3個。

1)Calibrator Accuracy

2)Absolute Response

3)IF Gain accuracy

因為頻譜分析儀在量測時沒有改變RBW所以沒有Resolution Bandwidth Switching的誤差。又因為使用同一個Reference level，且能把信號移動到Reference level的位置量測所以沒有IF Gain的誤差。

再因為不是在同一個Reference level 的螢幕下做2個信號相比較所以沒有Scale fidelity的誤差。更因為沒有在不同的Band下做2個信號相比較所以沒有Band Switching 的誤差。所以影響頻譜分析儀量測誤差的要素只有3個。

再假設如果量測的信號與Calibrator是同一個Reference level，則可以減少第3項IF Gain accuracy的誤差，換句話說只要將Calibrator Accuracy+ Absolute Response Accuracy就可以了。但是如果你改變不同的RBW與量測Calibrator的RBW不同，則需加入Resolution Bandwidth Switching的誤差。

假設以上面幾種儀器量測一個2GHz@-10dBm的信號，試計算其誤差?

因為Tektronix494A的Calibrator輸出為100MHz@-20dBm與這個例子中的2GHz@-10dBm是不相同的Reference level，所以要加入Reference level 誤差。以Tektronix494A它的規格為例，量測絕對誤差為

Frequency response(1.7GHz(5.5GHz )=.............R (3.5 dB

+ Calibrator Accuracy =.............................R (0.3 dB

+ IF Gain accuracy=................................R (0.5dB

Total (4.3dB

HP8593E的Calibrator輸出為-20dBm。所以

Frequency response(400k(2.9GHz )=................R (1.5 dB

+ Calibrator Accuracy =.............................R (0.4 dB

+ IF Gain accuracy[((0.3+0.01(10dB)]=.............R (0.4dB

Total (2.3dB

如果為另外一種機型HP8563E，它的Calibrator輸出為300MHz@-10dBm與這個例子中的2GHz@-10dBm是相同的Reference level，則可以去除Reference level (IF Gain accuracy)誤差。

減少Amplitude量測準確度的方法：

前面說明了量測誤差的來源，當然你也應該對如何減少量測誤差有一些概念。在此再加強說明一下如何減少誤差的來源。

首先你要注意的是

1.在進行Amplitude量測時要先讓頻譜分析儀熱機到穩定的溫度，然後對頻譜分析儀進行"自我補償(自校)"，這樣可以減少誤差。因為頻譜分析儀的"自我補償(自校)"可以依不同溫度的情形補償回正確的誤差。

2.減少改變不同的設定量測不同的信號。例如不要用不同的RBW量測不同的信號[產生解析度濾波器誤差(Resolution Bandwidth Switching)]，盡量避免變化Reference level產生IF Gain的誤差等。

3.輸入阻抗一定要匹配，避免產生Lose。因為頻譜分析儀最差的匹配狀況是出現在衰減器=0dB時，盡量避免使用頻譜分析儀在0dB的設定。

4.如果量測很接近於Noise的信號會增加誤差。你可以縮小RBW或使用Video filter來降低Noise改善Sensitivity增加準確度。但是縮小RBW與使用Video filter會使Sweep time變長，不適合量測窄的Pulse信號。

5.頻譜分析儀受限於IF Gain放大器的限制，無法將輸入的小信號放得很大。所以有些頻譜分析儀有內建PreAmplifer(前置放大器)，主要是讓你能放大小的信號，降低Noise改善Sensitivity，但是也改變與增加了整個譜分析儀的Flatness。在使用PreAmplifer量測小信號時，不小心輸入大信號時使PreAmplifer損壞，使用時必須小心注意。所以頻譜分析儀在使用時要減去PreAmplifer增加的誤差。