如何优化频谱仪设置实现精准测量
信号分析仪（也称为频谱分析仪）通常用于测量微弱信号，包括已知信号和未知信号。通过噪声校正、本底噪声扩展 (NFE) 和优化信号分析仪设置，可以实现设备的最佳灵敏度，从而更轻松地检测和测量微弱信号。
信号分析仪的灵敏度性能通常会列在仪器指标中，最常见的是显示平均噪声电平 (DANL) 或噪声系数 (NF)。DANL 以dBm/Hz为单位，定义为在给定频率范围内，负载端接 50 欧姆、输入衰减为 0 dB、1Hz分辨率带宽 (RBW) 下，信号分析仪的本底噪声幅度。
信号分析仪的本底噪声由两部分组成：噪声系数（NFSA）和热噪声能量。后者的幅度描述了信号分析仪输入端存在的热噪声能量，通常用kTB表示：
k = 玻尔兹曼常数 (1.38 x 10-23 焦耳/开尔文)
T = 设备周围环境温度 (开尔文)
B = 测量噪声的带宽 (Hz)
影响灵敏度的设置
经过正确校准的信号分析仪，能够准确反映输入端口所加信号幅度。通常施加到输入端口的信号，如0dBm的信号，测量和显示的电平应在0dBm左右，误差在分析仪的精度范围内。衰减或增益的变化会改变这种关系。
具体来说，输入衰减的增加将对应于信号分析仪中频（IF）部分的等效增益增加。这样做是为了在分析仪显示上保持校准的电平或信噪比，这可以通过改善本底噪声来实现。外部衰减也会产生类似的结果。下面的公式确定了信号分析仪的本底噪声，它是衰减、分辨率带宽的函数，其中包含的“10*log(RBW)”项，用于补偿大于1Hz的RBW。
本底噪声=DANL + 衰减 + 10*log(RBW)
公式定义了一个可用于改善本底噪声的关系，适用于使用内部前置放大的情况。对于使用外部前置放大的情况，可以使用下面的公式来计算修正后的DANL，该公式由级联噪声系数公式推导而来，信号分析仪的增益为1。将该系统视为前置放大器和信号分析仪的组合，该公式通常表示为：
NF系统 = NF前置放大器+[(NFSA - 1)/G前置放大器]
外部前置放大可以在一定程度上改善本底噪声，但并非没有代价。在这种情况下，外部前置放大会给系统引入非线性失真，这也会妨碍信号分析仪对大信号的测量。解决这个问题的方法是使用内部前置放大，因为它可以根据测量需求的变化进行开关，而不是持续处于开启状态。因此，这种解决方案在自动化测试环境中特别有用。
通过改变衰减、RBW和前置放大设置来提高信号分析仪的灵敏度。多数现代信号分析仪还具有测量仪表本底噪声并相应地在信号测量结果中对其进行校正的方法。
噪声校正
当用信号分析仪测量被测设备DUT时，分析仪屏幕上显示的频谱是DUT输入信号、热噪声和NFSA的组合。当断开DUT与输入端的连接，换上50欧姆终端时，分析仪屏幕上得到的迹线纯粹是热噪声和NFSA，被定义为分析仪的本底噪声。
随着信号分析仪技术的进步，可以借助大量平均运算来测量其本底噪声，并将其存储到一个称为“校正迹线”的文件中。当连接并测量DUT输入信号时，它会将得到的结果迹线保存到一个称为“测量迹线”的文件中。噪声校正就是通过下面的公式 获得结果迹线，即去除多余噪声后的 DUT 输入信号频谱。
结果迹线 = 测量迹线[DUT 输入信号+kTB+NFSA]- 校正迹线[ kTB + NFSA] = DUT输入信号
注意，所有值在进行减法之前都从对数（dBm）转换为线性值（毫瓦，mW），结果迹线再转换回dBm并在信号分析仪的屏幕上显示。这样做便于观察低电平信号，同时由于消除了信号分析仪本底噪声带来的误差，使得幅度测量更准确。
图1展示了一种使用迹线运算进行噪声校正的相对简单的方法。首先在输入端接的情况下对信号分析仪的本底噪声进行平均，并将结果保存到迹线1（黄色）。然后连接DUT，捕获其信号并保存到迹线2（蓝色）。使用迹线运算对这两个迹线进行功率减法，并将结果保存到迹线3（紫色）。当输入信号接近信号分析仪的本底噪声时，噪声校正的效果最为显著。
这种方法的主要问题是，每次更改设置时，必须断开DUT并连接50欧姆负载。一种无需移除DUT就能测量校正迹线的方法是增加输入衰减（比如增加到70dB），使信号分析仪的本底噪声远高于DUT输入信号，然后将其保存为校正迹线。此时，校正迹线将包含下面公式所示的分量。
校正迹线 = DUT输入信号 + kTB + NFSA + 衰减
如果（kTB + NFSA + 衰减）>> DUT输入信号，则可以忽略DUT输入电平，并根据下面公式设置校正迹线。
校正迹线 = kTB + NFSA + 衰减
通过从公式中减去已知的衰减，可以得到手动方法中使用的原始校正迹线，如下面公式所示。
校正迹线 = kTB + NFSA
这个过程的问题在于，校正迹线仅对信号分析仪当前的设置有效。改变中心频率、扫宽和RBW等设置会使校正迹线中存储的值失效。更好的方法是知道所有频率点的具体NFSA，然后对任何设置应用校正迹线。
是德科技的X系列信号分析仪利用名为“本底噪声扩展”的高级校准功能来测量和存储分析仪频率范围内以及各种衰减器和信号路径上的残余本底噪声，作为其本底噪声扩展功能（NFE）的一部分（图2）。这些数据随后存储在仪器的内存中。当用户在分析仪上开启NFE功能时，分析仪会根据仪器的当前设置和存储的噪声系数值计算出校正迹线。这消除了手动操作那样需要测量分析仪本底噪声的步骤，大大简化了噪声校正的使用，并消除了每次设置改变时测量仪器本底噪声所需的额外时间。为了使NFE有效工作，使用足够多的迹线平均至关重要，建议至少进行10次迹线平均。
图 2. Keysight N9042B UXA 信号分析仪的NFE功能有助于提高低电平信号灵敏度。蓝色迹线表示未使用 NFE 的 频谱响应。紫色迹线表示将 NFE 从关闭状态切换到开启状态后的同一信号，本底噪声降低了约 10 dBm。
图3. 在1GHz处检测到一个基波信号，在其两侧还可以看到两个较低电平的信号。提高信噪比会使较低电平的信号更清晰可见。提高信噪比的一个快速方法是降低本底噪声。通过使用NFE来实现。
图4. 选择顶部的第三个测量栏选项，选择“NFE”软键，选择“自适应”或“完全”。此外，开启迹线平均，并设置足够数量的迹线平均（≥10次平均）。
图5. 蓝色迹线为测量相同的信号，开启了自适应NFE。本底噪声降低了约5dB，较低电平的信号更容易检测到。
图6显示了“表征本底噪声”校准，可通过“系统设置”→“校准”→“高级”→“表征本底噪声”来设置。在使用NFE功能之前，可能需要表征本底噪声以获得最佳结果。分析仪每年会自动提醒用户应该运行“表征本底噪声”校准；也可以更频繁地运行它以确保获得最佳结果。
Keysight X系列分析仪中的其他应用和测量选件也会使用噪声校正方法。频谱分析仪中的功率套件测量，如邻道功率（ACP），自X系列信号分析仪首次推出以来就具备噪声校正功能。其他测量如快速功率（FP2）也有噪声校正功能。此外，每当重复测量已知的重复性数字信号时，可以通过数学方法降低相关的本底噪声。
在讨论的噪声校正方法中，热噪声（kTB）和NFSA都被减去，从而提高了检测和测量可能被本底噪声掩盖的低电平信号的灵敏度。这些方法及其结果在许多情况下是有效的。而当测量值接近或等于仪器的本底噪声时，就可能会出现问题。如果它们相等，结果将是负无穷 dB。在应用NFE时，要使用足够多的平均来减少校正后本底噪声的随机变化。
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