了解並增進網路分析儀動態範圍

2022/10/16

在分析各種類型的微波裝置時，獲致最高的網路分析儀動態範圍至關重要。某些情況下，這是決定量測性能的關鍵因素。如欲實現網路量測系統之最大動態範圍，您需了解動態範圍的本質，以及可增加動態範圍的方法。有了這些知識，設計人員可以選擇實現最佳結果的方法，同時最小化對其他儀器參數（如量測速度）的影響。

動態範圍定義

網路分析儀動態範圍基本上是系統可以量測的功率範圍，具體為：
   • 最大功率（Pmax）：系統在量測中發生不可接受的錯誤之前可以量測的最高輸入功率位準，通常由網路分析儀接收器的壓縮規格決定。
   • 參考功率（Pref）：測試埠來自網路分析儀的信號源的標稱功率。
   • 最小功率（Pmin）：系統可以量測的最小輸入功率位準（其靈敏度），取決於接收器的雜訊底線。最小功率（Pmin）取決於 IF 頻寬，平均值和測試儀配置。

動態範圍兩個常見的定義是：
– 接收器動態範圍 = Pmax – Pmin
– 系統動態範圍 = Pref – Pmin

可實現的動態範圍取決於量測應用，如圖 1 所示。
   • 系統動態範圍：無放大時可實現的動態範圍，例如量測衰減器和濾波器等被動元件時。
   • 接收器動態範圍：若系統作為接收器時的真實動態範圍。可能需要放大器來實現接收器的全動態範圍。可以是待測裝置或添加到量測系統的外部放大器。

雜訊底線定義

接收器雜訊底線是一個重要的網路分析儀規格，有助於決定其動態範圍。不幸的是，雜訊底線並不是一個定義明確的術語，多年來有多種方式定義它。用來比較一些常見的雜訊底線定義的實驗結果如圖 2 所示。在本實驗中，模擬雜訊功率為 -100 dBm 的高斯隨機雜訊，並使用四個定義計算雜訊底線：
   • 實線表示雜訊的均方根值，等於 -100 dBm 的雜訊功率。
   • 虛線（-101 dBm）是雜訊線性振幅的平均值，轉換為 dBm。
   • 點線（-102.4 dBm）是雜訊對數振幅的平均值。
   • 點劃線（-92.8 dBm）是雜訊線性振幅的平均值與其標準差的三倍之和，轉換為 dBm。

是德科技向量網路分析儀（VNA），如 PNA 或 ENA 系列，使用均方根值定義接收器雜訊底線。這是常用的定義，易於理解，因為它是接收器的等效輸入雜訊功率。

改善動態範圍

在某些量測情況下，需要將網路分析儀的動態範圍增加到預設設置水準以上。雜訊底線決定儀器可以量測的最小功率位準，限制了動態範圍。使用平均或降低系統 IF 頻寬（IF BW）可以改善雜訊底線。一般會認為平滑化是另一種類似於平均和調整 IF BW 的技術，但它不會降低雜訊底線。平滑化是格式化資料相鄰點的平均，類似於視訊過濾。軌跡對軌跡（或掃描對掃描）平均操作在格式化前的向量資料，因此實際上可以降低雜訊功率。這個關鍵差異導致平滑化無法降低雜訊底線，儘管它確實減少軌跡上雜訊的小峰對峰值變化。

平均模式

是德科技 VNA 和許多其他網路分析儀對每次掃描的資料點進行指數加權平均，來執行掃描對掃描平均。對資料集的樣本進行指數加權，即使在達到所需的平均因子後，也可以在不終止的情況下持續進行平均。對複雜資料進行平均意味著資料是向量平均。

許多信號分析儀使用純量平均，只減輕雜訊的變異值，但不影響平均雜訊位準。在向量上平均包含同調信號和不相關雜訊的軌跡在平均時，雜訊分量將趨近零，得到的所需信號軌跡將顯示較少雜訊。當在網路分析儀顯示器上以對數振幅格式觀察時，可以清楚地看出平均雜訊位準降低，並且改善了動態範圍。

大多數向量網路分析儀提供的平均功能，平均量的每增加 2 倍，信噪比提高 3 dB。這是降低雜訊底線的有效方法。但是，它也會降低量測速度，因為平均兩條軌跡時，量測時間會加倍。平均值只能用於比例量測，不適用於使用單個接收器通道的量測。非比例量測不允許平均，因為在此模式下相位是隨機的，並且平均（在複域中進行）都會導致結果趨近零。

降低 IF BW

系統的 IF BW 可以由前面板或遠端程控更改，它會影響分析儀接收器對收集資料進行的數位濾波。降低 IF BW 會濾除數位濾波器頻寬之外的雜訊來降低雜訊底線。分析儀接收器鏈中存在的低位準雜訊是由電阻中電子熱攪動產生的熱雜訊引起的。因此，它與頻寬成正比。熱雜訊電壓的均方值由下式給出：
E2 = 4RkTB

其中
k 是波茲曼常數（1.38 e-23 joules/Kelvin）
T 是以 K 為單位的絕對溫度
R 是以歐姆為單位的電阻分量
B 是以赫茲為單位的頻寬

傳遞給複共軛負載的雜訊功率為Pn = E2 = kTB
4R
這是常見的雜訊功率“kTB”關係
雜訊本質上為隨機且不確定的，由小事件集合引起，並且表現出高斯機率分布（可以通過中心極限定理證明）。

雜訊底線和 IF BW 的高度關聯，意味可以降低 IF BW 來精確計算實現的雜訊底線降低。使用 Keysight PNA 網路分析儀進行一項實證研究，其中均方根雜訊位準在 5 個不同的連續波頻率（1、3、5、7 和 9 GHz）下量測。掃描 801 個點，IF BW 設置為 1 Hz、10 Hz、100 Hz、1 kHz 和 10 kHz。在測試埠沒有信號的情況下，量測 PNA 的雜訊底線。在圖 3 中，觀察到的雜訊底線與 IF BW 之間的關係，顯示 PNA 的均方根雜訊底線非常接近理論預測值。與理論的偏差可以忽略不計。

與平均值一樣，降低 IF BW 以降低雜訊底線會降低量測速度。雖然可以預期 IF BW 降低 10 倍會使雜訊底線降低 10 dB，並導致量測時間增加 10 倍，但並非總是如此，因為數位濾波器在不同 IF 頻寬的網路分析儀的形狀可能不同。例如，在 Keysight VNA 中，IF BW 減少 10 倍，掃描時間增加小於 10 倍。這意味著為了達到相同的雜訊底線降低，降低 IF BW 使量測速度減慢低於使用平均。

解決方案

為了降低雜訊底線，可以增加平均或降低 IF BW。如果量測速度不是最重要的考慮因素，那麼任一種方法都一樣有效。擷取和處理軌跡資料所需的時間（稱為周期時間）不僅包括掃描時間，還包括重複掃瞄時間、頻段交叉時間和顯示更新時間。平均需要多條軌跡並每次更新顯示，使用平均通常需要比減少 IF BW 更長的時間，特別是需要很多平均值的時候。要記住，對量測時間影響的差異，大部分是由對各種 IF BW 執行的數位濾波引起的。這種效應在周期時間的掃描時間分量中表現出來，要決定兩種雜訊降低方法對量測時間的影響，僅考慮掃描時間是合理的。

考慮以 10 kHz IF BW 設置的 PNA 系列。如果在動態範圍內需要改進 10 dB，可以平均 10 次掃描或將 IF BW 設置為 1 kHz。表 1 顯示兩種方法對掃描時間的影響，以改善 10 或 20 dB 的動態範圍。

		雜訊底線降低（dB）	掃描時間增加因子
10 kHz	10 averages	10	10
1 kHz	0 averages	10	7.75
10 kHz	100 averages	20	100
100 kHz	0 averages	20	74.80

<表 1 快速 IF BWs 的掃描時間影響>

此例使用相當快的 IF BW，並表明在嘗試改善動態範圍時，降低 IF BW 產生的優勢超過平均。但是，現在考慮較慢的掃描模式（即較低的 IF BW）。如果 PNA 設置為 100 Hz IF BW 並且需要降低雜訊底線 10 dB，可以應用 10 倍平均，或者將 IF BW 降低到 10 Hz。表 2 顯示對掃描時間的影響。

		雜訊底線降低（dB）	掃描時間增加因子
100 Hz	10 averages	10	10
10 Hz	0 averages	10	9.9
100 Hz	100 averages	20	100
1 Hz	0 averages	20	99.5

表 2 慢速 IF BW 的掃描時間影響

週期時間增加與掃描時間增加非常接近，很明顯，如果使用降低 IF BW 來增加動態範圍，對量測速度的影響優於平均的優勢。網路分析儀處於快速掃描模式。對於慢掃描模式，兩種方法中任何一種，對量測速度的影響基本相同。在給定量測應用，決定用哪種方法增加動態範圍時，可以考慮其他因素。使用平均來降低雜訊底線允許使用者在執行平均時觀察 PNA 螢幕上的軌跡，一些設計人員可能發現這些軌跡很有用。降低 IF BW 適用於比例和非比例量測（不同於平均僅在比例模式下可用），這可能是某些情況下的決定因素。

Keysgiht PNA 和 ENA 系列向量網路分析儀提供大量 IF BW 供選擇，這為設計人員提供降低雜訊底線所需的靈活性，同時盡可能不要降低量測速度。在許多情況下，使用平均和 IF BW 調整都可以增加動態範圍。

動態範圍、分段掃描和可配置測試儀

對於必須最佳化速度和寬動態範圍的應用，是德科技向量網路分析儀提供的分段掃描功能非常有用。當量測濾波器要求同時對高功率位準的帶通和低功率位準的拒絕波段進行分析時，此功能非常有用。分段掃描允許使用者將頻率掃描分成多個段，每個段都有自己的停止和起始頻率、IF BW、功率位準和掃描點數。量測濾波器時，只要高位準雜訊保持夠小，帶通的 IF BW 就可以設置得更寬，以達到快速掃描速率。

在拒絕波段，雜訊底線對量測誤差有很大的影響，可以將 IF BW 設置得足夠低，以實現所需的平均雜訊位準降低。為了進一步提高分析儀的動態範圍，可以將分段掃描與測試裝置的重新配置結合使用（參見圖 4）。反轉接收測試埠的方向耦合器，可以增加 12 至 15 dB 的動態範圍。