使用頻譜分析儀對(duì)測(cè)量噪聲

Noise Side bands其實(shí)就是去測(cè)量S/N比值，只是我們感興趣的是在Carrier旁的雜訊而已。既然Noise Side bands注重的是非常接近Carrier信號(hào)旁邊的Noise變動(dòng)，所以RBW的shape factor在這個(gè)量測(cè)上就顯得很重要。如果SA有一個(gè)nHz的RBW filter則可以量測(cè)50Hz offset（離Carrier 50Hz遠(yuǎn)）的S/N比。在作Noise量測(cè)時(shí)，會(huì)牽涉到的是兩種Noise。第一種是待測(cè)物的Noise，第二種是SA本身的Noise。

如果你的SA本身的Noise就很大，那當(dāng)然會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生誤差，就比較不適合做Noise的量測(cè)。在頻譜分析儀還不是製造很精良的當(dāng)時(shí)，較老的頻譜分析儀是無(wú)法量測(cè)Sideband Noise的，因?yàn)樗念l率穩(wěn)定度不好。漸漸的頻譜分析儀改進(jìn)了頻率穩(wěn)定度與靈敏度以後已可量測(cè)Sideband noise，但是還是需要了解應(yīng)用修正Noise的量測(cè)值。

《圖一　典型頻譜分析儀的sideband noise規(guī)格》

1.頻譜分析儀Side bands noise的規(guī)格

最早的SA沒(méi)有提供這項(xiàng)規(guī)格，而且比較不適用於做Noise的量測(cè)。後來(lái)有了比較簡(jiǎn)單的規(guī)格出來(lái)。

例如：

"for input signal to 6.2GHz，Noise Side bands are at least 65dBc/kHz for 30 kHz offset using the 1kHz resolution filter"

這個(gè)規(guī)格表示這個(gè)SA很難在以carrier信號(hào)為基準(zhǔn)點(diǎn)且距離(offset) 10kHz以內(nèi)，量測(cè)輸入信號(hào)的Sideband noise。這可能是因?yàn)镾A內(nèi)部的頻率Drift比較大，或是沒(méi)有更窄的RBW可以用，更或者是SA內(nèi)部的Noise side bands很高以至於無(wú)法量測(cè)。如果把上面的規(guī)格65dBc/kHz換算成Hz為單位，則Side bands Noise的規(guī)格可改變成95dBc/Hz（dB=10(log 1kHz/Hz=30），這只是SA的display level，並不是真正的Noise。

《圖二　Tektronix 2782的Sidebahd noise規(guī)格》

2.另一種規(guī)格

另一種規(guī)格表式為：

"noise side bands are at least 70dBc down for offsets at least 30 times the Resolution Bandwidth, for fundamental Mixing"

這規(guī)格和前面那個(gè)表示是相同的(如同1kHz filter的規(guī)格1kHz(30=30kHz)，但是比較好5dB。如果這個(gè)SA有100Hz的RBW filter我們?cè)?kHz offset的地方會(huì)有90dBc/Hz的規(guī)格（90dB=70+10(log 100Hz/1Hz, offset為3kHz=30(100Hz）。(圖一)是一典型頻譜分析儀的sideband noise規(guī)格，必須與carrier距30(RBW。

《圖三　與100MHz的Calibrator雜訊差約2dB》

這種規(guī)格和上一種是類似的，但是它可以用在「每一種」RBW filter上面。所以我們可以和其他不同規(guī)格的SA做比較，而不會(huì)弄不清楚規(guī)格了。

例如：現(xiàn)在有兩臺(tái)SA，兩臺(tái)規(guī)格如下，那一臺(tái)比較好？

A："70dBc@30RBW"

B："65dBc@25RBW"

A臺(tái)是表示在1kHz RBW時(shí)，30kHz offset點(diǎn)之Side bands Noise，bands為70dBc。而B臺(tái)則為RBW=1.2kHz（30/25）時(shí)，30kHz之offset點(diǎn)有65dBc Side bands Noise。

由前面提到RBW與Noise floor的變化關(guān)係為：

dBc(改善)=10(log 1.2/1=0.8dB

所以B臺(tái)之Noise Side bands在30kHz offset時(shí)為65.8dBc，不要被它的規(guī)格騙了。

3.圖表表示法

另一種Side bands noise的表示法是把各個(gè)頻段的相關(guān)dBc/Hz與offset frequency以圖表畫出來(lái)(圖二是Tektronix 2782的Sidebahd noise規(guī)格)。你就不需要以上面的方法去計(jì)算了半天， 只要對(duì)照?qǐng)D上的Noise=?dB/Hz即可。(圖二)

《圖四　Carrier 201kHz Offset位置的Noise=-100.2dBc/Hz》

由以上得知量測(cè)Side bands Noise時(shí)需要一臺(tái)Side bands Noise規(guī)格較好的頻譜分析儀。

Sideband Noise的直接量測(cè)

直接量測(cè)是比較簡(jiǎn)單的方法，但是如果量測(cè)的信號(hào)很低與頻譜分析儀內(nèi)部雜訊相差不多的話，很容易就會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。原則是必須選用內(nèi)部雜訊很低的頻譜分析儀，如果沒(méi)有的話則必須使用間接的量測(cè)方法應(yīng)證。

圖一是利用Tektronix 495P來(lái)量測(cè)一個(gè)1.5GHz信號(hào)的Sideband Noise。由圖可知距離Carrier右邊3kHz位置的Noise level與Carrier相差61dB(約6div)，然後我們啟動(dòng)495P的dBm/Hz量測(cè)功能，得到讀值為77.3 dBc/Hz。如果以圖中100Hz的RBW filter來(lái)計(jì)算Sideband Noise，可以得到-61-10(log100+2.5=-78.5 dBc/Hz，與量測(cè)值不符合。那是因?yàn)槲覀兾醇由?dB filter的Noise bandwidth 的修正值0.76，如果加上修正我們得到-61-10(log76+2.5=-77.3 dBc/Hz，就與量測(cè)值符合了。這個(gè)值因?yàn)榕c頻譜分析儀內(nèi)部雜訊差很大所以是可以相信的。

但是如果量測(cè)信號(hào)的Noise很低，如(圖三)的雜訊與100MHz的Calibrator雜訊差約2dB時(shí)，那麼此時(shí)的可信度多高？( 頻譜分析儀所內(nèi)部裝置的Reference Calibrator是一個(gè)頻率很穩(wěn)定且Sideband Noise很低的信號(hào)源，一般來(lái)說(shuō)頻譜分析儀Sideband Noise的規(guī)格不會(huì)比Calibrator好)

《圖五　Carrier 200kHz位置的Sideband Noise為-113.4dBc/Hz》

Tektronix 495P Sideband Noise的規(guī)格：

" 在RBW=100Hz或10Hz時(shí)，距離Carrier 30倍RBW的Offset位置，此時(shí)的Sideband noise＜-70 dBc；其他的RBW，＜-75dBc"。

依圖三與Carrier差約2dB左右(與Carrier差約3.06kHz的位置)，直接量測(cè)的值=91.3dBc/Hz。依法前面得修正表此值需修正4.33dB，而得到-95.6dBc/Hz。

Sideband Noise的間接量測(cè)

直接量測(cè)Sideband Noise的問(wèn)題

《圖六　167kHz調(diào)變波與Carrier差-30.8dB》

間接量測(cè)常用於運(yùn)算頻譜分析儀的Sideband Noise與量測(cè)的信號(hào)Noise很接近時(shí)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是用於量測(cè)小信號(hào)時(shí)。以(圖四)來(lái)說(shuō)，上面的曲線是一個(gè)Phase Noise很大的信號(hào)源，量測(cè)距離Carrier 201kHz Offset位置的Noise=-100.2dBc/Hz。這個(gè)位置的Noise與一很乾淨(jìng)的信號(hào)源(下面的曲線)相差很大，此值是沒(méi)有問(wèn)題的。(圖五) 也是兩個(gè)曲線重疊的，此時(shí)是此信號(hào)源的AM Noise(上面的曲線)與原來(lái)乾淨(jìng)的信號(hào)源(下面的曲線與上面重疊分不太出來(lái))的差不到0.5dB。此時(shí)距離Carrier 200kHz位置的Sideband Noise為-113.4dBc/Hz。當(dāng)然此值是無(wú)法令人相信的，因?yàn)榕c頻譜分析儀的內(nèi)部雜訊很接近為0.5dB，所以須修正9.6 dB(10(log1.122=0.5dB，10(log[1.122/(1.122-1)]=9.64dB，見(jiàn)前面一期零組件雜誌Random Noise修正表的算法)，所以Sideband Noise=-124dBc/Hz。

《圖七　Offset的33kHz的雜訊=-89.0dBc/Hz》

第一種間接量測(cè)是使用一個(gè)Low level的AM調(diào)變信號(hào)，間接運(yùn)算並比較出直接量測(cè)的結(jié)果。(圖六)是將原來(lái)圖五的待測(cè)信號(hào)源儲(chǔ)存下來(lái)後，與"850.55MHz載波+167kHz調(diào)變波"的重疊圖形。此信號(hào)源是一個(gè)很純的AM調(diào)變信號(hào)，我們將它當(dāng)做一個(gè)Transfer reference。由圖六量測(cè)到167kHz調(diào)變波與Carrier差-30.8dB。

我們將此167kHz調(diào)變波重新放在中心位置(圖七)，而量測(cè)它Offset的33kHz的雜訊=-89.0dBc/Hz(此位置與圖五量測(cè)200kHz的位置是相對(duì)同的167+33)，所以-30.8-89.0= -119.8dBc/Hz�？梢灾狼懊嬷苯恿繙y(cè)的值是有問(wèn)題的，而應(yīng)該用間接量測(cè)估算一下。

《圖八　Tektronix 2782量測(cè)4kHz位置的Sideband Noise=-82.2dB》

Sideband Noise的間接量測(cè)

利用頻譜分析儀做微波信號(hào)Sideband Noise 的量測(cè)會(huì)更複雜，你必須使用更好的頻譜分析儀才能做直接的量測(cè)，舉個(gè)例子說(shuō)明差別。(圖八)是利用Tektronix 2782頻譜分析儀量測(cè)12GHz Oscillator的Sideband Noise，結(jié)果得到距離4kHz位置的Sideband Noise=-82.2dB(RBW=100Hz)。同樣的以Tektronix 2756P頻譜分析儀的結(jié)果=-62.4dB(圖九)，兩者結(jié)果相差約有20dB。主要的差別在於Tektronix 2756P頻譜分析儀要將頻寬延展到12GHz時(shí)，需要用到Y(jié)IG的第3次諧波(20(log3=9.5dB) 與Tektronix 2782使用不一樣的IF(中頻)，所以差可以到達(dá)20dB。

《圖九　Tektronix 2756P量測(cè)4kHz位置的Sideband Noise=-62.4dB》

Tektronix 2782是一臺(tái)比較好的頻譜分析儀，它的Sideband Noise較低，較適合做直接量測(cè)微波信號(hào)Sideband Noise，但是我們一樣需要驗(yàn)證它的答案是不是正確。(圖十)是2782直接量測(cè)200.5GHz信號(hào)的Sideband Noise，曲線的下面軌跡是2782在該頻段的內(nèi)部雜訊(是利用記憶先記錄下來(lái)的)。但是量測(cè)的Offset位置=2MHz，而RBW=1MHz得到所量測(cè)的Noise與Carrier差為40dB，所以Sideband Noise=-100dBc/Hz。

《圖十　2782直接量測(cè)200.5GHz信號(hào)的Sideband Noise》

我們懷疑的是Offset = 2 MHz的位置會(huì)不會(huì)是2782自身1MHz RBW filter的Shape(濾波器的形狀)，如果此2MHz的位置是本身filter的形狀的話，當(dāng)然就不是Sideband Noise了。

一個(gè)較簡(jiǎn)單的方法是，將2782的100MHz Calibrator信號(hào)用1MHz filter單獨(dú)叫出來(lái)呈現(xiàn)在螢?zāi)簧希会崃砍龃薴ilter在40dB位置的頻寬，由(圖十一)可知40dB的頻寬=2.48MHz ( 之所以使用 SA的Calibrator是因?yàn)�，一般的Calibrator是使用Noise很小且穩(wěn)定的Crystal振盪器做成的，所以顯示的會(huì)是SA自己的RWB形狀)。因?yàn)閒ilter為對(duì)稱的，所以兩邊各1.24MHz，可以得知2MHz的位置已超出1.24MHz的位置，讀值應(yīng)該不會(huì)是filter的Shape(形狀)。

《圖十一　量測(cè)1MHz filter在40dB位置的頻寬》

另一個(gè)間接證明的方法是，利用較"低頻的信號(hào)雜訊"間接來(lái)判斷"高頻信號(hào)"的量測(cè)。以前面200.5GHz信號(hào)雜訊的量測(cè)為例，我們可以間接的以500MHz的信號(hào)量測(cè)來(lái)證明。(圖十二)是以Tektronix 2782量測(cè)500MHz信號(hào)雜訊的結(jié)果，由圖可知將500MHz的載波放置在螢?zāi)坏淖钭筮�，�?00kHz的RBW量測(cè)2MHz Offset位置的雜訊 (螢?zāi)坏淖钣疫?，得到雜訊的差=-83.3dB。此值與頻譜分析儀內(nèi)部雜訊相差6dB，所以我們以修正表將雜訊值修正1.26dB，得到 -84.5dBc。

《圖十二　以Tektronix 2782量測(cè)500MHz信號(hào)雜訊的結(jié)果》

因?yàn)榱繙y(cè)500MHz信號(hào)時(shí)2782的LO(Local Oscillator)只需要用到本身LO的基頻振盪出10.025GHz的信號(hào)即可。而量測(cè)200.5GHz信號(hào)時(shí)2782的LO(Local Oscillator)則需要用到本身LO的振盪出14.58GHz的信號(hào)，然後利用此信號(hào)的第14次諧波=204.075GHz (圖十的右上角有(14，表示為第14次諧波 N=14) 為L(zhǎng)O信號(hào)，與200.55GHz的輸入信號(hào)混波得到3.525GHz的IF信號(hào)。所以依據(jù)公式：

Noise level變化=20(logN+20(logIF，N=第N次諧波，IF為頻譜分析儀所使用的中頻。

依前面的數(shù)值代入公式：

Noise level變化=20(log14.6/10.025+20(log14=25.8 dB

所以200.5GHz時(shí)的Noise level會(huì)比 500MHz時(shí)的level高約25.8dB，所以200.5GHz時(shí)Tektronix 2782的Noise level 應(yīng)該有-84.5+25.8+10=-48.7 dB。前面的結(jié)果我們量測(cè)距Carrier offset位置的Noise 40dB是合理的。