频谱分析仪显示平均噪声电平

噪声的概念很广，在很多情况下，我们都将频谱分析仪看作一台接收机，噪声和信噪比常常代表相同的含义。噪声在频谱分析仪中并不是直接出现的，作为测量结果的一部分，被称为显示平均噪声电平(DANL，Display Average Noise Level)。

一个50欧姆的匹配负载连接在频谱分析仪的输入端，在频谱分析仪的屏幕上将会看到横跨整个频段的噪声底，这就是DANL。DANL并不能代表射频输入端实际输入的噪声电平，而是输入端的噪声穿越了仪器内部的层层噪声后，在一定的平均方式和分辨率带宽下显示出来的电平。其实频谱仪的所有测量显示都是输入端的真实信号叠加内部噪声后的结果。如果输入端的电平没有仪器内部的噪声高，那么它就显现不出来。所以DANL的水平反映了频谱分析仪能够测量到的最小电平，也反映了频谱分析仪内部噪声的高低。

影响DANL的因素很多，为了便于比较，DANL采用归一化功率密度来表示就是dBm/Hz，也就是在RBW=1Hz时测量到的平均功率，在各种测试条件下都要统一到此单位表示。

电子测量系统中的噪声一般来源于两个部分：目标本身和测量本身。目标本身的噪声容易理解，原始的信噪比、过程干扰都属于这部分;测量本身的噪声可以分为硬件(采集)噪声和软件(算法)噪声。硬件噪声主要来源于电子器件中电子的随机运动，通常为起伏噪声或热噪声等，这种噪声是电子器件固有的，不能用接地或屏蔽的方式消除，硬件噪声包括接头、线缆、器件、采样、串扰等;软件噪声包括滤波器的混叠、显示的精度、FFT的泄露、有限字长效应等。

热噪声的特点，在时域上看，幅度的分布是正态的，也就是高斯分布(此高斯分布和高斯滤波器意义不同)，高斯分布信号的一个重要性质是，功率(也就是RMS均值)为一个标准差;在频域上看，热噪声理论上在所有频带都会存在，且功率谱密度为均匀分布，是功率为时间不相关的常数，称之为白噪声。

虽然热噪声的频谱是均匀分布的常数，但是频谱分析仪内部的器件对于信号的频率响应是变化的，所以DANL在大范围内不可能是一个水平的常数，因此频谱分析仪的DANL是个随频率向上斜的轨迹。

热噪声存在于频谱分析仪内部所有的器件中，但基本只受到第一增益级及其之前器件的影响。频谱分析仪内部的第一个增益级(一般是混频后的第一级放大器，或前置放大器)将仪器输入口的热噪声连同此增益级内部的一部分热噪声加在一起进行了放大，放大后的这两部分噪声信号到达后级链路时，输入口的热噪声已经变成了信噪比很高的功率信号，相对于后级链路中的噪声此时的信噪比已经足够大，因此后级链路中的热噪声的影响会变小。

热噪声与频率无关，与阻抗无关，只与温度和带宽相关。若确定了带宽的使用标准，那么只剩下一句话：热噪声就是温度，或者说热噪声都可以转化为温度。只有在绝对零度0K时，电子停止振荡，才会没有热噪声。在室温(27℃，约290K)时，我们将频谱分析仪输入端的50欧姆匹配负载看做一个290K的热噪声源，这个噪声功率归一化后为-174dBm，这是理论上常温下能够测量到的绝对最小噪声电平，也是常温下DANL的理论最小值。

要想降低频谱分析仪内部的噪声，需要在两个方面着手，一是降低整体仪器的噪声系数，二是降低RBW。

仪器的噪声系数反映了频谱分析仪本身对信噪比的恶化程度，增加第一级放大器的倍数并减小放大器本身的噪声系数，可以显著减小仪器的噪声系数。所以，频谱分析仪增加前置放大器(通常是低噪放)，以及减小衰减器(效果相当于放大)，可以使仪器的噪声系数减小。当前置放大器打开，并且衰减器为0时，仪器的噪声系数达到最小值。测量同一个信号，衰减越大，噪声越高，但是信号峰值不变。

RBW是分辨率带宽，是频谱分析仪频率选择滤波器的响应性状。频谱分析仪中使用的RBW滤波器是高斯滤波器，高斯滤波器的重要性质是其等效噪声带宽接近1，也就是说使用高斯滤波器测量噪声，和噪声的真实功率非常接近，几乎不需要做额外的补偿。因此拥有高斯滤波器的频谱分析仪既可以用来测量功率信号，也可以准确测量噪声电平。

频谱分析仪最终显示的所有信号都是输入端信号叠加内部噪声的结果。当输入信号很大时，内部噪声没有明显的影响;但如果输入端信号很小，输入信噪比很差，则测量误差不可忽略。例如当输入信号与DANL同样大小的信号，也就是信噪比为1时，将会显示出一个比DANL高3dB的测量结果。要想使测量误差在1dB以内，信噪比至少要达到10dB以上，所以DANL反映了频谱分析仪的灵敏度，但是不能代表其准确测量信号的能力。

审核编辑：汤梓红