频谱分析仪：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*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IF filter (RBW filter)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：0.1ms x 200MS/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个样点中选取幅值大或者小的样点显示出来。
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：大值、小值、自动峰值(AP, Auto Peak)、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，大值和小值检波器比较容易理解，就是选取样点中幅度大值和小值显示出来。自动峰值检波器是将大值和小值都显示出来，表现形式是大值和小值之间直连，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
 

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，它们与上面介绍的大值、小值及平均值检波器是*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，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择，由于相位噪声也属于宽带噪声，因此也要求使用RMS检波器。
小结
文中着重介绍了频谱仪显示检波器的相关内容，其实显示检波器的选择并不难，测试场景可能多种多样，但是信号的形式就那么几种，只要掌握了每一种显示检波器的含义，再结合信号类型及需要测试的参数选择合适的检波器即可。

此文来自网络转摘，仅供讨论和参考