掃頻式超外差頻譜儀通過混頻器把輸入信號變換到中頻(IF)，在中頻進行放大、濾波和檢波處理。預選濾波器(有時是低通濾波器)主要用于濾除鏡像頻率的信號，頻譜儀屏幕上顯示的參考電平和中頻放大器的增益有關，該放大器只是調節信號在屏幕上顯示的垂直位置，不影響輸入衰減器端的電平。屏幕的橫軸是頻率，縱軸是測得的信號電平，一般以線形的電壓Volt或對數形式的dB表示。

頻譜儀的幅度精確度通常有絕對精度和相對精度兩種。絕對精度指的是信號的功率電平精度，單位為dBm；而相對精度指的是測量兩個信號之間差值的精度，其中的一個信號作為另一個的參考，例如測量諧波信號的時候，一般測量諧波和基波的功率比。通過測量一個幅度和頻率非常準確的校準源，以上兩種精度都可以得到提高。

頻譜儀中前端的信號處理元件如放大器、濾波器和混頻器都是幅度測量誤差的來源。在許多頻譜儀設計中，采用更好的元件可以提高精度。安捷倫科技的高性能頻譜儀PSA系列(如圖2)，采用了一整套數字中頻濾波器，可以避免模擬中頻濾波器的幅度變化。但是僅僅提高整個信號處理鏈路中的部分元件，還不足以消除所有的誤差來源，更好的了解頻譜儀各個模塊之間的相互作用，有助于減小誤差，提高幅度測量精度。

幅度測量的精度為什么這么重要呢？例如有些通訊標準要求調制的載波功率不能超過某個特定的值，這對絕對精度提出了要求；過多的諧波或雜散信號會對其他的通信系統產生干擾，這對相對精度也提出了要求，這些系統中的放大器必須滿足特定的線形度要求，以保證不會產生較高的諧波和雜散信號，對于這些系統中的濾波器必須同時測量通帶和阻帶特性。

頻譜各個元件之間的相互作用是誤差的來源之一。表1列舉了部分幅度測量誤差的來源。大多數儀器廠商在其產品的指標中都會同時注明絕對和相對不確定度。因為相對不確定度對兩種測量都有影響，因此本文將重點討論相對不確定度。

頻譜儀的頻率響應平坦度是幅度誤差的主要來源之一。該指標描述的是相對幅度不確定度和頻率的函數關系，受輸入衰減器、混頻器、本振幅度和輸入濾波器的頻響平坦度的影響。頻響的不確定度一般有絕對和相對兩種表示方法。相對不確定度描述的是整個頻率范圍內，相對于中央頻點的最大可能幅度不確定度，一般比相同頻段的絕對不確定度要小。但是為了得到某個帶內相對幅度測量的頻響不確定度，相對頻響指標值還要乘二，以反映整個帶內頻響的峰-峰值，這會導致其通常比絕對頻響指標還要高。

頻譜儀通常采用YIG調諧濾波器作為預選濾波器，YIG濾波器也會影響頻譜儀的頻響特性。該濾波器必須精確的調諧和對準，以避免引入額外的頻響變化，由于本振的掃描速度有限，因此YIG濾波器還要加上一些延遲和補償，以保證其中心頻率和本振同步。頻譜儀的前端通常還加一個低通濾波器，在測量YIG預選器不能達到的低端頻率的信號時(通常2GHz以下)，該低通濾波器用于濾除高頻信號。盡管該濾波器也會影響整體的頻響特性，但是其影響比YIG濾波器小很多。

由于部分頻譜儀采用諧波混頻技術，儀器內部實際上有很多個混頻頻段，每個頻段都有特定的頻響，因此在各個頻段之間切換的時候也會引入不確定度。例如PSA系列到26.5GHz的E4440A頻譜儀，內部分五個混頻頻段，分別為：3 Hz 到3 GHz, 2.85到 6.6 GHz, 6.2到13.2 GHz, 12.8到19.2 GHz, 18.7到26.5 GHz。當設置的頻率跨度(Span)超過兩個混頻頻段時，儀器會自動切換內部混頻頻段，從而引入幅度不確定度。當測量兩個處于不同混頻頻段的信號的相對值時，總的不確定度等于兩個頻段的頻響之和加上頻帶切換不確定度。如果指標中沒有注明頻帶切換的不確定度，可以用以校準源為參考的絕對頻響參數，來確定各個頻段的總測量不確定度(見表1)。

頻譜儀中另一個不確定度的來源是量程的可信度。當測量兩個位于不同垂直位置(量程)的信號時，不同量程的可信度就會影響結果。檢波器和ADC的線性度、對數/線形放大器的線形度都會影響量程的可信度。對于大部分對數放大器而言，其線形度隨著輸入點評的降低而惡化。

對于幅度接近的兩個信號，量程的不確定約為零點幾dB，對于幅度相差很大的信號，這個不確定度可達2dB。典型的量程可信度指標為：±0.4 dB/4 dB其累積最大值±1.0 dB。其中±0.4 dB/4 dB這個指標對于幅度相近的信號適用，而累積指標對于幅度相差較大的信號適用。

當頻譜儀要測量不同電平的信號時，其靈活度可以通過調節參考電平來實現，但是調節參考電平也會引入不確定度。參考電通和輸入衰減器和中頻增益有關，其范圍可以從顯示平均底噪(DANL)調節到其能承受的最大輸入電平。調節參考電平實際上就是調節中頻放大器的增益，中頻放大器本身(和所有的放大器一樣)其增益都會隨著幅度和頻率變化。因此測試過程中，任何參考電平的調節都會引入不確定度。

參考電平通常通過儀器內部的標準參考源(當然也可以用外部源)進行校準。和很多功率計內置的標準源類似，PSA系列頻譜儀內置一個頻率為50MHz，功率為-25dBm的標準源，其幅度精度為±0.24 dB(而ESA-E系列通用頻譜儀的內置標準源的幅度和頻率和PSA一樣，但是精度為±0.34 dB)。因此當設置參考電平為-25dBm、衰減器為10dB的時候，頻譜儀的測量精度最高，因為頻譜儀參考電平相關參數就是在這個狀態下進行校準的。

參考電平不確定度這個指標通常這樣給出：如±0.3 dB 在-20 dBm，隨著參考電平偏離-20dBm，這個指標會有一定增大。需要注意的是不同儀器的指標里對“參考電平不確定度”可能會用不同的名詞。例如，安捷倫科技的8560系列便攜式頻譜儀指標中用“中頻增益不確定度”這個詞，而PSA系列則用“參考電平精度”這個詞。

由于射頻微波衰減器的衰減值會隨頻率變化(有時甚至隨溫度變化)，因此步進衰減器的精度也是頻率的函數。另外，參考電平校準時的衰減器設置如果和實際測量的設置不一樣，也會引入不確定度。大多數衰減器的精度都是隨著頻率的升高而惡化的，衰減器切換的典型不確定度為±1 dB。

由于模擬濾波器的頻響不是很理想，不同帶寬的濾波器之間的輸出幅度特性會有較大的差別。因此測量時轉換分辨率帶寬濾波器也會引入不確定度，特別是使用模擬濾波器時。而數字濾波器在這方面的表現就很好，但是數字濾波器的實現成本更高，因此在ESA系列中檔頻譜儀中，數字中頻濾波器只做到300Hz，更高帶寬的濾波器模擬的。

而高端的PSA系列的中頻處理部分則采用全數字設計，還包含FFT分析和數字是掃頻接收機。該設計不但提高了幅度測量精度，而且還提高了掃描速度。

改變屏幕顯示每一格的尺度也會影響測量精度。例如把每格10dB的尺度改為每格1dB，這時頻譜儀的對數/線形放大器的特性會有變化，這也會引入不確定度。當然在測量中保持刻度不變，可以避免這種誤差。典型的線形-對數轉換不確定度在參考電平位置為±0.25 dB，但是如果頻譜儀此時顯示的是已經保存的軌跡，這個不確定度對測量就沒有影響。

總的相對幅度測量不確定度受上述所有因素的疊加影響。有一些誤差來源于改變設置，如果衰減器、分辨率帶寬、參考電平等設置不變，相關的所有不確定度就可以排除，總的不確定度就可以減至最小。例如PSA系列頻譜儀由于采用全數字分辨率帶寬濾波器，因此在切換分辨率帶寬時，不會引入額外的誤差，其精度遠比采用模擬濾波器的頻譜儀高。

為了提高相對幅度測量的精度，最簡單的方法是在測量的過程中不要改變設置：不要改變分辨率濾波器設置，但是像PSA這樣采用全數字濾波器的，可以改變分辨率帶寬濾波器；參考電平校準和實際測量時，保證采用同樣的衰減器設置；測試過程中不要改變每一格的尺度。

連接頻譜儀和被測件之間的信號傳輸網絡會影響被測信號的特性，因此這些網絡的特性也必須被補償掉。通常采用頻譜儀內置的幅度修正功能，加上測試信號源和功率計，可以測出該網絡的頻率響應特性，把測量的結果做成一個表格存在頻譜儀內部，測量時用表格中的數據進行修正即可。對于某些測試中必須用的天線、電纜等附件，也可以用上述的辦法進行補償。并且儀器可以存儲很多組數據，以應對不同的設置。

下面是一個典型的計算不確定度的例子，本例中被測信號的頻率為1GHz，幅度為-20dBm。為了對比不同儀器的測試精度，選用了高端的PSA系列4440A和中端的ESA-E系列E4402A頻譜儀。各項設置均相同：衰減器為10dB，頻率跨度為20KHz，參考電平為-10dBm，掃描時間設為自動，分辨率帶寬為10KHz，視頻帶寬為1KHz。環境溫度為室溫(+20 到 +30°C)，E4440A PSA(數字中頻濾波器)的標稱絕對幅度不確定度為±0.24 dB，而ESA(模擬中頻濾波器)的指標為±0.54 dB。上述的兩個數字分別加上兩款頻譜儀的絕對頻率響應，其和就是最壞情況下的不確定度。對于更高頻率信號，特別是諧波測試時，由于儀器要切換內部混頻頻段，其不確定度會更大。

采用數字中頻濾波器可以有效地提高頻譜儀的測量精度。測量過程中，合理的儀器設置也可以保證測試的結果能滿足儀器給出的最佳精度。

作者：Pablo Estrada，安捷倫科技公司