噪声测量简介

噪声测量设备：频谱分析仪

频谱分析仪是进行噪声测量的功能强大的工具。一般说来，频谱分析仪能够显示功率（或电压）与频率之间的关系，其与噪声谱密度曲线相类似。实际上，一些频谱分析仪具有特殊的运行模式，这种运行模式使测量结果以频谱密度单位（即 nV/rt-Hz）的形式，直接显示出来。在其他情况下，测量结果必须乘以一个校正系数，从而将相关计量单位转化成频谱密度单位。

频谱分析仪和示波器一样，既有数字型的，也有模拟型的。模拟频谱分析仪生成频谱曲线的一种方法是：扫描各种频率下的带通滤波器，同时标绘出滤波器的测量输出值。另一种方法是运用超外差接收技术，该技术在各种频率下完成对本地振荡器的扫描。然而，数字频谱分析仪则采用快速傅里叶变换来产生频谱（常常与超外差接收技术配合使用）。

虽然所使用的频谱分析仪型号各异，但是一些主要参数仍需予以考虑。起始和终止频率表明了带通滤波器被扫描的频率范围。分辨率带宽是带通滤波器在频率范围内被扫描的宽度。降低分辨率带宽，则能提升频谱分析仪处理在离散频率时信号的能力，同时，将延长扫描时间。图 5.13 说明了扫描滤波器的运行情况，图 5.14 和图 5.15 显示了同一频谱分析仪采用不同分辨率带宽时，所得出的两种测量结果。在图 5.14 中，由于分辨率带宽被设置得非常小，从而使离散频率分量（即 150 Hz）得到了妥善处理。另一方面，在图 5.15 中，由于分辨率带宽被设置得非常大，使离散频率分量（即 1200 Hz）未能得到妥善处理。



图 5.12：频谱分析仪运行情况



图5.13：针对高分辨率信号选择的分辨率带宽



图 5.14：针对低分辨率信号选择的分辨率带宽

在图 5.13 和图 5.14 中，频谱的大小以分贝毫瓦 (dBm) 为单位表示，这是频谱分析仪常用的测量单位。一分贝毫瓦是指相对于一毫瓦，用分贝来计量的功率比值。就本例中的频谱分析仪而言，分贝毫瓦的测量也要事先假设输入阻抗为 50 欧姆。对大多数的频谱分析仪而言，当输入阻抗选择为 1M 欧姆时，情况也是如此。图 5.15列出了将分贝毫瓦转化为电压有效值所采用公式的推导过程。在图 5.16 中，该公式用于计算在图 5.13 – 5.14 中列出的测量结果 —— –10 dBm信号的电压有效值。

从图 5.13 – 5.14 中，我们可以看出，当分辨率带宽降低时，固有噪声则从 –87 dBm 增加到 –80 dBm。另一方面，当分辨率带宽发生改变时，频率处于 67 kHz 和 72 kHz 时的信号幅度并未发生改变。固有噪声之所以受分辨率带宽的影响，是因为其为热噪声，因此，带宽的提高也增加了热噪声总量。另外，由于信号波形为正弦波曲线，而且不管带宽如何变化，带通滤波器内部的振幅都会保持恒定，因此，频率处于 67 kHz 和 72kHz 时的信号幅度并不会受分辨率带宽的影响。因为我们必须清楚在频谱密度计算中不应该包含离散信号，所以，有关噪声分析方面的特性应引起我们足够的重视。比如，当测量运算放大器的噪声频谱密度时，您会发现频率在 60 Hz（功率上升线）时出现的一个离散信号。因为这个 60 Hz 的信号并非频谱密度，而是一个离散信号，所以它并未包含在功率噪声频谱密度曲线中。



图 5.15：将分贝毫瓦转化为电压有效值



图 5.16：将分贝毫瓦转化为电压有效值

一些频谱分析仪同噪声频谱密度一样，可以 nV/rt-Hz 为单位显示频谱幅度。但是，如果不具备这种功能，我们可以用频谱幅度除以分辨率噪声带宽的平方根来计算频谱密度。需要说明的是，通常我们需要一个换算系数，将分辨率带宽转化成分辨率噪声带宽。图 5.17 给出了将分贝毫瓦频谱转化成频谱密度的方程式。图 5.17 还给出了将分辨率带宽转化成噪声带宽所需的换算系数表。图 5.18 显示了将示例频谱分析仪中的频谱转化为频谱密度的实例。



图 5.17：将 dBm 转化为频谱密度的方程式

此表摘自安捷伦频谱分析仪测量和噪声应用手册 1303 页  



图 5.18：将 dBm 转化为频谱密度的方程式



图 5.19：频谱分析仪测量结果向频谱密度转化的实例

另外，大多数频谱分析仪都具有计算平均值的功能。这一功能消除了测量波动的影响，因此，测量结果的重复性更高。平均值的数量由频谱分析仪的前置面板输入（通常从 1 至 100）。图 5.20 – 5.22 显示了采用不同的平均值水平，测量得出的同一信号。



图 5.20 关闭平均值功能时的频谱分析仪



图 5.21 平均值 = 2 时的频谱分析仪



图 5.22 平均值 = 49 时的频谱分析仪

当使用（或选择）频谱分析仪时，我们需要考虑的主要技术规范就是固有噪声和带宽。图 5.23 中的表格列出了两款不同频谱分析仪的部分技术规范。



图 5.23：两款不同频谱分析仪的技术规范比较