關於「動態範圍」

2023/7/22

關於動態範圍
來源: 是德科技 Keysight Technologies

什麼是動態範圍??

動態範圍是什麼?不同的測試儀器對動態範圍的定義也不同

什麼是網路分析儀動態範圍?


簡單解釋,網路分析儀的動態範圍就是可以測量的範圍,具體為:
   •   P最大值:表示可以測量的最高技術指標。
   •   P參考值:表示標稱指標。
   •   P最小值:表示系統可以測量最小指標。

動態範圍的兩個常用定義是:
   •   動態範圍 = P最大值 – P最小值
   •   系統動態範圍 = P參考值 – P最小值
可獲得的動態範圍取決於測量應用,如圖 1 所示。


可獲得的動態範圍取決於測量應用,如圖 1 所示。

   •   系統動態範圍:無需放大即可實現的動態範圍,例如 測量衰減器和濾波器等無源元件時。
   •   接收機的動態範圍:如果把接收機看作是一個系統, 那麼它就是這個系統的真實動態範圍。要實現接收機 的全動態範圍,可能需要用到放大器。這可以是被測器件或者是添加到測量系統的外部放大器。

如何改善網路分析儀動態範圍?


在某些測量情況下需要提高網路分析儀的動態範圍,使其超過使用默認設置時獲得的電平。本底雜訊決定了儀器可以測量的最小功率電平,從而限制了它的動態範圍。使用平均值或降低 系統 IF 頻寬(IF BW)可以改善本底雜訊。

平滑處理法(Smoothing)是另一種常被認為類似於平均值和 IF BW 調整的技術,但它不會降低本底雜訊。平滑處理法是對格式化資料的鄰點進行平均,類似於視頻過濾。跡線到跡線(或掃描到掃描)取平均值時,針對的是預先格式化的向量資料,因此它實際上會降低雜訊功率。這種關鍵差異導致平滑處理時無法降低本底雜訊,儘管它確實在跡線上減少了雜訊峰峰值的微小變化。


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有關頻譜分析儀動態範圍


頻譜分析儀動態範圍是指頻譜儀同時分析大信號和小信號的能力。

動態範圍是頻譜儀一個非常重要的指標。它是指頻譜分析儀在設置不變的條件下同時準確測試的最大最小幅值的範圍(幅度差距),“動態”表明這個範圍並不是固定不變的,它依賴於實際所要進行的測量,也就是這個動態要看測量的目標是什麼。
動態範圍受到四個因素影響:
1、輸入混頻器的失真
2、系統的寬頻本底雜訊(靈敏度)
3、解析度頻寬大小
4、本地振盪器的相位雜訊

動態範圍受到幾個因素的影響,一個是混頻器的失真,主要指的是二階和三階的諧波失真,還有系統的底噪。

而小信號受限於底噪,大信號受限於失真,失真決定了動態範圍的上限,底噪決定了動態範圍的下限。

頻率相近較近時,還受到本振的相噪影響。接下來分別分析這幾個因素的影響:

1) 影響動態範圍的因素:失真和本底雜訊

我們剛才分析了混頻器的二階和三階失真曲線,如果將雜訊也畫在同一個圖中,縱坐標是基波信號電平和本底雜訊的差(信噪比),混頻器電平變化1dB,信噪比也變化1dB,所以斜率為1。因為電平對失真和雜訊的作用是相反的,所以兩曲線交匯點為最佳混頻器電平,此時動態範圍最大。


2. 影響動態範圍的因素:解析度頻寬 RBW (Resolution Bandwidth)

頻譜分析儀的平均雜訊限制了小信號的測量,動態範圍與雜訊的關係變為基波信號和本底雜訊之間的信噪比,其中基波信號的失真分量是我們想要測量的。

上圖顯示了某一解析度頻寬時的動態範圍,如果我們畫出不同的解析度頻寬RBW下的雜訊曲線,可以看到,減小RBW可以優化動態範圍。我們無疑可以通過減小解析度頻寬來改善動態範圍。但降低的本底雜訊和動態範圍改善之間並沒有一一對應的關係。對於二階失真,動態範圍的改善是本底雜訊變化的一半;對於三階失真,動態範圍的改善則為本底雜訊變化的 2/3。如下圖所示。


解析度頻寬減少10倍,電平減少10dB,RBW影響著DANL和相位雜訊能夠到達的最低水準,決定了動態範圍的下限。

3. 影響動態範圍的因素:相位雜訊

同時觀察大信號和小信號,可以看到,當距離基波較近時,小信號會淹沒在相噪中。

當我們將相噪,底噪,失真曲線畫在同一個圖中,可以看到,當相噪比底噪差時,動態範圍的上限是相噪和失真曲線的交點。

本振的相位雜訊只影響三階失真測量,例如,假設我們對一個放大器進行雙音三階失真的測量,測試的雙音訊率間隔為 10 kHz。三階失真分量與測試音也相隔 10 kHz。在這個測量中,我們也許會想到用 1 kHz 的解析度頻寬。參見下圖,並允許雜訊曲線有 10 dB 的下降,會得到一個約 88 dB 的最大動態範圍。


然而,若假設在 10 kHz 頻偏處的相位雜訊是 -80 dBc,那麼 80 dB 就成為這次測試中動態範圍的極限值。如圖所示。


本振的相位雜訊(近端特性):高於DANL的相位雜訊,決定了近端動態範圍下限。

怎樣為失真測量優化頻譜分析儀的動態範圍?


與信號測量相關的一個問題是區別較大的基調信號與較小的失真產物的能力。頻譜分析儀的動態範圍規定了頻譜分析儀辨別信號和失真、信號和雜訊或信號與相位雜訊的最大能力範圍。

在測量信號和失真時,混頻器電平決定了頻譜分析儀的動態範圍。對動態範圍進行優化的混頻器電平,由頻譜分析儀的2次諧波失真、三階交調失真和顯示平均雜訊級(DANL)確定。可根據這些指標繪製內部產生的失真和雜訊與 混頻器電平的關係圖。

下圖示出了-40 dBm混頻器電平處-75 dBc 2次諧波失真點,-30 dBm混頻器電平處-85 dBc三階失真點,以及10 kHz RBW時的-110 dBm雜訊本底。2次諧波失真線的斜率為1,因為混頻器基波電平每增加1 dB,SHD要增加2 dB。但由於失真是由基波與失真分量之差確定,因此其變化僅1 dB。同樣,繪出的三階失真的斜率為2。對於混頻器電平每1 dB的變化,三階分量改變3 dB,即相對為2 dB。通過把混頻器電平設置在二階或三階失真等於雜訊基底處,即可得到最大的二階和三階動態範圍,圖中標出了了相應的混頻器電平。


必須通過壓窄解析度頻寬增加動態範圍。如圖所示,當RBW設置從10 kHz降到1 kHz時,動態範圍增加。注意對於二階失真是增加5 dB,三階失真是6 dB。


最後一點是互調失真的動態範圍受頻譜分析儀相位雜訊影響,因為不同頻譜成分(被測試頻譜和失真產物)的頻率間距就等於被測譜線的間距。下圖給出了對於相隔10 kHz的被測譜線,用1 kHz解析度頻寬得到雜訊曲線。如果10 kHz處的相噪只有-80 dBc,那麼對於這一測量,80 dB就成為動態範圍的最終極限,而不再是如圖3所示的最大88 dB動態範圍。


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