雜訊是現今工程師必須經常面對的問題。這些擾人的電氣訊號，可能來自於系統內部或外部各種不同的來源，嚴重時會扭曲或干擾所需的測試訊號，並造成系統發射器和接收器之間傳送的重要資訊遭遇隨機干擾。
雜訊對數位無線或通訊系統的危害更大。舉例而言，雜訊會影響數位訊號、造成資料取樣誤差、並限制了系統的整體效能。雜訊普遍存在於電子電路中，因此被視為一項基本參數，工程師必須能有效地檢測所有的發射器與接收器元件中的雜訊。
訊號分析儀或頻譜分析儀是工程師觀察訊號的首選工具。這些都是高效能寬頻接收器，因此只要內部存在任何雜訊，就會無法量測振幅非常低的訊號，對於維持高準確度與快速掃描速度也有極大的影響。這些帶有突波與異常的小訊號，經常隱藏在分析儀本身產生的雜訊中，因此工程師非常難以觀測到。如欲快速準確地量測這些訊號，特別是很接近雜訊的訊號，則須提升分析儀的量測敏感度。幸好，這些問題可以使用五種關鍵技術來解決。
為了進行深度討論並仔細觀察這些技術如何影響分析儀的量測敏感度，請參考圖1的畫面，這是由100kHz解析頻寬(RBW)、10dB前端衰減的訊號分析儀所得的量測結果。以A軌跡線所畫出的待測訊號基準線振幅，非常接近分析儀的顯示雜訊底線，大約是5dB訊噪比(SNR)。SNR值太低，振幅量測準確度將嚴重下滑。圖中其他軌跡線顯示，運用各種不同的靈敏度改進技術後所得的量測結果。
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| 圖1 圖中的A軌跡線畫出一條基準線量測。您還可看到運用各種不同分析儀靈敏度增進技術，進行量測所得的其他四種結果。所有量測皆使用N9010A EXA X系列訊號分析儀。利用這些技術，ENA可較市面上經濟型中階分析儀，擁有更高的靈敏度與更快的掃描速率。 |
技術一：降低解析頻寬
進行較嚴苛的量測時，訊號或頻譜分析儀必須夠精準、快速且具備更高的動態範圍。多數情況下，這些參數彼此互相衝突，而解析頻寬設定會影響各個參數的表現。量測低位準訊號時，降低RBW可以有極大助益。這是因為如此一來會降低分析儀的顯示平均雜訊底線(DANL)，接著可提高其動態範圍並提升靈敏度。
圖1的B軌跡線顯示，當RBW從100kHz降低至10kHz時，分析儀的雜訊底線也下降了10dB。此技術甚至可進一步降低雜訊底線。然而，掃描時間將隨之增加。對於傳統類比RBW濾波器而言，分析儀的掃描速率與RBW的平方成反比。
技術二：降低訊號分析儀的衰減值
降低訊號分析儀前端的衰減值可降低其DANL，這是一個不需增加掃描時間即可提升靈敏度的方法。利用此技術，使用者可手動將分析儀的輸入衰減器調低至0dB，以改善雜訊底線，如圖1中C軌跡所示。如果在待測低功率訊號中有另一個高功率訊號，可能導致分析儀過載。因此，請小心謹慎地移除前端衰減。
技術三：使用前置放大器
另一個提升分析儀靈敏度的方法是使用寬頻的內部或外部前置放大器，亦即電子放大器，以便產生可進一步放大或處理的小電氣訊號。藉由使用低雜訊、高增益前置放大器，您可急遽地增進靈敏度。
如圖1的D軌跡所示，使用前置放大器改善了系統的雜訊指數，並降低顯示雜訊底線。其中分析儀的內部前置放大器額外降低了15dB雜訊底線，讓使用者能觀察到標示於標記2上的寄生訊號，過去根本無法做到這一點。
技術四：從待測訊號上移除訊號分析儀雜訊
另一個可改進分析儀靈敏度的技術為雜訊底線延伸(NFE)。透過這個程序，使用者可確認在目前狀態下，儀器雜訊影響訊號的程度，並即時從頻譜量測結果中自動減去這個部分。在圖1的E軌跡線顯示運用NFE後的基準線量測。其結果額外降低了8dB的顯示雜訊底線。
NFE通常可將分析儀的顯示雜訊功率提升達10dB以上，而且只須點擊按鍵即可完成(參見圖2)。
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| 圖2 NFE為Keysight X系列訊號分析儀獨有的技術，可讓分析儀低頻段(低於3.6GHz)的DANL下降10到12dB，在高頻段(高於3.6GHz)則可下降約8dB。圖中A軌跡線顯示在分析儀未補償的雜訊底線附近，量測到振幅持續下降的一個多音調訊號。B軌跡線代表使用NFE量測相同訊號的結果。 |
技術五：使用過度掃描來加速掃描時間
雖然提升分析儀的靈敏度是量測被雜訊遮蔽之小訊號的關鍵，量測速度也極為重要。「過度掃描(Oversweep)」技術可有效地縮短掃描時間，並以比傳統類比RBW濾波器高出五十倍的速度進行掃描，而且量測準確度並不會受影響。
傳統的訊號或頻譜分析儀會自動耦合掃描時間與頻距和RBW，以維持經校驗的顯示結果。然而，一旦掃描時間縮短至無法接受的點，就會出現振幅以及頻率誤差。
以圖3的量測結果為例，灰色軌跡線顯示在適當掃描時間設定下的量測結果，而黑色軌跡線則是掃描時間過短的量測結果，因而出現振幅與頻率誤差。使用全數位IF(中頻)時，「過度掃描」技術可分析數位RBW響應的特性，並有效修正上述這些誤差，進而加快掃描速率。
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| 圖3 Keysight X系列訊號分析儀選項 FS1的「過度掃描」技術又稱為快速掃描，相較於傳統方法，可顯著加快掃描速率。這些分析儀的程式可修正3至300kHz解析頻寬之間掃描速度過快的效應。在妥善設定下，使用此技術可將原本需要幾秒的掃描時間，縮短至數毫秒。 |
舉例來說，Keysight X系列訊號分析儀的程式，可修正3至300kHz解析頻寬之間掃描速度過快的效應。
不讓雜訊影響量測準確度
訊號或頻譜分析儀是觀察訊號的理想選擇，但分析儀內部如果存在雜訊，快速且準確地辨認低振幅訊號極為困難。提升分析儀量測靈敏度、準確度和掃描速度，有助於克服這項挑戰。本文介紹的五種技術可協助工程師達成這些目標。您可單獨或任意組合運用這些技術，將分析儀雜訊底線提升至可接受的位準。如此一來，讓工程師可更輕鬆地發現與分析過去經常被雜訊所遮蔽的訊號、突波及異常。
(本文作者任職於是德科技)