动态范围与测量不确定度

在前面对幅度精度的讨论中，我们仅仅考虑了表4-1列出的项目再加上失配。我们并未考虑内部产生的失真分量（正弦曲线）与我们想测量的外部信号处在同一频率的可能性。然而，内部产生的失真分量恰好与我们想要测量的外部信号的失真分量处在同一频率上。而且，问题在于我们没有办法知道外部信号与内部信号的相位关系。故只能确定不确定度的可能范围：

不确定度 (dB) = 20 log(l ± 10^d/20)

式中：d = 较大正弦波与较小的正弦波的差（dB）（负数）

参见图6-5，例如，我们设立一些条件比如内部产生的失真与输入信号失真的幅度相等，则测量误差可能在+6 dB（两信号正好同相）到负无穷大之间（两信号正好反相以致相互抵消）。这种不确定度范围在大多数情况下是不能接受的。如果把测量不确定度限定在±1 dB，图6-5表明内部失真分量必须比我们想测量的失真分量低18 dB左右。为了绘制测量不确定度不大于1 dB的二阶和三阶测量的动态范围曲线，我们必须将图6-2中的曲线偏移18 dB，如图6-6所示。

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下面，让我们看看由低信噪比引起的不确定度。我们想测量的失真分量为低电平信号，并且它们非常接近频谱仪的噪声电平。在这种情况下，我们常常使用视频滤波器使低电平信号更容易辨识。图6-7显示了对于某种典型的频谱仪，显示信号电平误差随显示信噪比变化的曲线。请注意，这种误差仅存在于一个方向，因而可以加以修正。不过，我们通常不这样做。对于动态范围测量，假定接受噪声产生的0.3 dB的误差，并在动态范围曲线图中使噪声曲线偏离5 dB，如图6-6所示。在失真曲线和噪声曲线交汇处，最大的可能误差将小于1.3 dB。

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让我们来看看当考虑测量误差时动态范围会发生什么变化。如图6-6所示，二阶失真的动态范围从72.5 dB变化到61 dB，变化了11.5 dB。这是两条曲线总偏移（失真为18 dB，噪声为5 dB）的一半。三阶失真的动态范围从81.7 dB变化到72.7 dB，变化了约9 dB。在这种情况下其变化是失真曲线18 dB偏移的1/3加上噪声曲线5 dB偏移的2/3。

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增益压缩

在讨论动态范围时，即使在相对意义上，我们也没有关心大信号是如何被精确显示的。当不断增大正弦输入信号的电平时，最终输入混频器上的电平会变得过高以致于所希望的输出混频分量不再随输入的信号线性变化。混频器处于饱和状态，所显示的信号幅度很小。这种饱和是逐渐形成而不是突然出现。为了避免进入饱和状态，通常规定1 dB压缩点。增益压缩通常发生在-5 dBm到5 dBm的混频器电平之间。这样我们就可以确定如何设定输入衰减器以精确测量高电平信号。采用数字中频的频谱仪会在模数转换器超出范围时显示中频过载。

事实上，有三种方法来评估压缩。传统方法即所谓的连续波压缩，是测量当输入信号功率逐步增大时，器件（放大器、混频器或系统）增益的变化。刚才讨论的就是这个方法。注意，即使对于中等动态范围，连续波压缩点也远高于前面指出的基波电平值。因此，不考虑大信号压缩的可能性是合理的。

第二种方法，被称为双音压缩，是当较大信号的功率递增时，测量对于小信号系统增益的变化。双音压缩适用于测量多个连续波信号，如边带信号和独立信号。此方法的压缩阈值通常比连续波法低几个dB。安捷伦科技使用这种方法来确定频谱仪的增益压缩。

最后一种方法叫作脉冲压缩，是当脉冲功率逐渐增加时，测量对于窄（宽带）射频脉冲系统增益的变化。测量脉冲时，我们常常采用比脉冲带宽窄得多的分辨率带宽，于是，频谱分析仪所显示的信号电平大大低于脉冲功率的峰值。我们可能没有意识到的结果是：信号总功率高于混频器的压缩阈值。高的阈值能改善高功率、超窄或超宽线性调频脉冲的信噪比。

由于不同的压缩机制对连续波、双音和脉冲有不同的影响，故任何一种压缩阈值都有可能比其它压缩阈值小。

显示范围和测量范围

另外有两种范围经常与动态范围混淆，即显示范围和测量范围。显示范围，常被称为显示动态范围，是指频谱仪已校准的显示幅度范围。例如，十格的显示器，当选择每格10 dB时，应当有100 dB的显示范围。这对于使用数字中频电路的现代频谱仪固然是正确的，不过使用模拟中频的频谱仪则只校准参考电平下面的85 dB或者90 dB。在这种情况下，显示格的底线代表幅度为0的信号，故显示的底部包括的范围是相对参考电平从–85 dB或–90 dB到无穷小。

对数放大器的范围可能成为模拟中频电路频谱仪的另一个限制条件。例如，如果模拟中频的频谱仪使用85 dB对数放大器。这样，只有参考电平以下85 dB范围内的测量得到了校准。

问题在于，全部显示范围是否都可以被利用呢？根据上面对动态范围的讨论，我们知道回答一般来说是肯定的。事实上，动态范围往往超出显示范围或对数放大器的范围。为了将较小的信号放入显示的已校区域，必须增加中频增益。但这样做又会使较大的信号超出显示器的顶部，即高于参考电平。新式安捷伦的频谱仪，允许信号移动到参考电平以上并且不影响较小信号显示的精度，如图6-8所示。所以我们可以充分利用分析仪的全动态范围即使它超出了显示范围。在图6-8中，参考电平从–8 dBm变化到–53 dBm，信号已经远远超出显示屏的顶部，然而标记的读数并没有改变。

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测量范围是在任何情况下可以测得的最大信号与最小信号之比。大多数分析仪的测量上限取决于最大安全输入电平，典型值为+30 dBm即1瓦特。这些分析仪具有可调到60或70 dB的输入衰减器，因此，可以将+30 dBm信号降低到远低于输入混频器压缩点的电平并能精确测量它们。显示的平均噪声电平决定了测量范围的另一端。这取决于分析仪的最小分辨率带宽和在测量中是否使用了预放，DANL通常从-115 dBm到-170 dBm。因此，测量范围可以从145 dB到200 dB。当然，我们不可能在输入端同时存在+30 dBm的信号时观察到–170 dBm的信号。