第6章 频域测量(讲)

1、电子测量技术 第六章第六章 频域测量频域测量 电子测量技术 线性网络线性网络 正弦信号正弦信号稳态响应稳态响应 H(j)：频率响应频率响应 或频率特性或频率特性 幅度幅度|H(j)|：幅频特性幅频特性 相位相位() ：相频特性相频特性 u 频域中的两个基本测量问题频域中的两个基本测量问题 信号的频谱分析信号的频谱分析：可由频谱分析仪完成：可由频谱分析仪完成 线性系统频率特性的测量线性系统频率特性的测量：可由网络分析仪完成：可由网络分析仪完成 电子测量技术 6.1 扫频仪扫频仪 什么是线性系统的频率特性？什么是线性系统的频率特性？ 线性网络线性网络 正弦信号正弦信号稳态响应稳态响应 H(j)：频

2、率响应频率响应 或频率特性或频率特性 幅度幅度|H(j)|：幅频特性幅频特性 相位相位() ：相频特性相频特性 u 频域中的两个基本测量问题频域中的两个基本测量问题 信号的频谱分析信号的频谱分析：可由频谱分析仪完成：可由频谱分析仪完成 线性系统频率特性的测量线性系统频率特性的测量：可由网络分析仪完成：可由网络分析仪完成 电子测量技术 6.1 扫频仪扫频仪 点频测量法点频测量法线性系统频率特性的经典测量法线性系统频率特性的经典测量法 l每次只能将加到被测线性系统的信号源的频率调每次只能将加到被测线性系统的信号源的频率调 节到某一个频点。依次设置调谐到各指定频点上，节到某一个频点。依次设置调谐到各

3、指定频点上， 分别测出各点处的参数，再将各点数据连成完整分别测出各点处的参数，再将各点数据连成完整 的曲线，从而得到频率特性测量结果。的曲线，从而得到频率特性测量结果。 l所得频率特性是静态的，无法反映信号的连续变所得频率特性是静态的，无法反映信号的连续变 化；化； l测量频点的选择对测量结果有很大影响，特别对测量频点的选择对测量结果有很大影响，特别对 某些特性曲线的锐变部分以及失常点，可能会因某些特性曲线的锐变部分以及失常点，可能会因 频点选择不当或不足而漏掉这些测量结果。频点选择不当或不足而漏掉这些测量结果。 幅频特性测量幅频特性测量 电子测量技术 6.1 扫频仪扫频仪 l 频率源的输出能

4、够在测量所需的范围内连续扫描，频率源的输出能够在测量所需的范围内连续扫描， 因此可以连续测出各频率点上的频率特性结果并立因此可以连续测出各频率点上的频率特性结果并立 即显示特性曲线。即显示特性曲线。 l优点：扫频信号的频率连续变化，扫频测量所得优点：扫频信号的频率连续变化，扫频测量所得 的频率特性是动态频率特性，也不会漏掉细节。的频率特性是动态频率特性，也不会漏掉细节。 l不足：如果输入的扫频信号频率变化速度快于系不足：如果输入的扫频信号频率变化速度快于系 统输出响应时间，则频率的响应幅度会出现不足，统输出响应时间，则频率的响应幅度会出现不足， 扫频测量所得幅度小于点频测量的幅度；电路中扫频测

5、量所得幅度小于点频测量的幅度；电路中LC 元件的惰性会使幅度峰值有所偏差，因此会产生频元件的惰性会使幅度峰值有所偏差，因此会产生频 率偏离。率偏离。 幅频特性测量幅频特性测量 扫频测量法扫频测量法 电子测量技术 电子测量技术 X放大器 扫描信号源 扫频信号源被测电路检波探头 Y放大器 频标信号 形成电路 混频器晶振 u2 u1 u1 u3 u4 u5 t t t t t u1 u2 u3 u4 u5 (b)(a) 图5.2 扫频仪组成框图及工作波形 电子测量技术 6.1 扫频仪扫频仪 两种幅频特性测量法的比较两种幅频特性测量法的比较 扫频测量所得的动态特性曲线峰值低于点频测量所得的扫频测量所得

6、的动态特性曲线峰值低于点频测量所得的 静态特性曲线。扫频速度越快，下降越多；静态特性曲线。扫频速度越快，下降越多； 动态特性曲线峰值出现的水平位置（频率）相对于静态动态特性曲线峰值出现的水平位置（频率）相对于静态 特性曲线有所偏离，并向频率变化的方向移动。扫频速特性曲线有所偏离，并向频率变化的方向移动。扫频速 度越快，偏离越大；度越快，偏离越大； 当静态特性曲线对称时，随着扫频速度加快，动态特性当静态特性曲线对称时，随着扫频速度加快，动态特性 曲线明显出现不对称，并向频率变化的方向一侧倾斜；曲线明显出现不对称，并向频率变化的方向一侧倾斜； 动态特性曲线较平缓，其动态特性曲线较平缓，其3dB带宽

7、大于静态特性曲线的带宽大于静态特性曲线的 3dB带宽；带宽； 小结：小结：测量系统动态特性，必须用扫频法；测量系统动态特性，必须用扫频法； 为了得到静态特性，必须选择极慢的扫频速为了得到静态特性，必须选择极慢的扫频速 度以得到近似的静态特性曲线，或采用点频度以得到近似的静态特性曲线，或采用点频 法。法。 电子测量技术 6.2 扫频仪工作原理扫频仪工作原理 扫频扫频 源源 1 扫频仪电路工作原理扫频仪电路工作原理 电子测量技术 X放大器 扫描信号源 扫频信号源被测电路检波探头 Y放大器 频标信号 形成电路 混频器晶振 u2 u1 u1 u3 u4 u5 t t t t t u1 u2 u3 u4

8、 u5 (b)(a) 图5.2 扫频仪组成框图及工作波形 电子测量技术 正程 回程 u(f) f u(f) f (a)(b) 图5.3 扫频仪扫描正程和扫描逆程的不重合 电子测量技术 6.2 扫频仪工作原理扫频仪工作原理 2 扫频源扫频源 典型的扫频源应具备下列三方面功能：典型的扫频源应具备下列三方面功能： 产生扫频信号（通常是等幅正弦波）；产生扫频信号（通常是等幅正弦波）； 产生同步输出的扫描信号，可以是三角波、正弦产生同步输出的扫描信号，可以是三角波、正弦 波或锯齿波等；波或锯齿波等； 产生同步输出的频率标记，可以是等频率间隔的产生同步输出的频率标记，可以是等频率间隔的 通用频标、专用于某

9、项测试的专用频标及活动频通用频标、专用于某项测试的专用频标及活动频 标。标。 电子测量技术 u扫频单元扫频单元 6.2 扫频仪工作原理扫频仪工作原理 两个问题：两个问题： （1）系统的中心频率）系统的中心频率 （2）系统的扫频宽度）系统的扫频宽度 电子测量技术 电子测量技术 u频标单元频标单元 频率标记是扫频测量中的频率定度频率标记是扫频测量中的频率定度 。 产生频标的基本方法是差频法，利用差频方式产生频标的基本方法是差频法，利用差频方式 可产生一个或多个频标，频标的数目取决于和扫频可产生一个或多个频标，频标的数目取决于和扫频 信号混频的基准频率的成分。信号混频的基准频率的成分。 6.2 扫频

10、仪工作原理扫频仪工作原理 电子测量技术 u频标单元频标单元 频率标记是扫频测量中的频率定度频率标记是扫频测量中的频率定度 。 产生频标的基本方法是差频法，利用差频方式产生频标的基本方法是差频法，利用差频方式 可产生一个或多个频标，频标的数目取决于和扫频可产生一个或多个频标，频标的数目取决于和扫频 信号混频的基准频率的成分。信号混频的基准频率的成分。 所用的频率基准的频率稳定度和准确度较高所用的频率基准的频率稳定度和准确度较高 频标幅度应基本一致、显示整齐频标幅度应基本一致、显示整齐 不包含杂频和泄漏进来的扫频信号不包含杂频和泄漏进来的扫频信号 多种频标形式以满足不同的显示和测量需要多种频标形式

11、以满足不同的显示和测量需要 电路时延尽可能小以减小频率定度误差电路时延尽可能小以减小频率定度误差 6.2 扫频仪工作原理扫频仪工作原理 电子测量技术 菱形频标菱形频标 利用差频法得到，适用于测量高频段的频率特性。对作为利用差频法得到，适用于测量高频段的频率特性。对作为 基准频率进行限幅、整形和微分，形成含有很多谐波成分的尖基准频率进行限幅、整形和微分，形成含有很多谐波成分的尖 脉冲，再和扫频信号混频。脉冲，再和扫频信号混频。 脉冲频标脉冲频标 由菱形频标变换而来的。将菱形频标送去触发单稳电路并由菱形频标变换而来的。将菱形频标送去触发单稳电路并 产生输出，整形后形成极窄的矩形脉冲频标，也叫针形频

12、标。产生输出，整形后形成极窄的矩形脉冲频标，也叫针形频标。 宽度较菱形频标窄，在测量低频电路时分辨力更高。宽度较菱形频标窄，在测量低频电路时分辨力更高。 线形频标线形频标 状如一条条极细的垂直亮线，是光栅增辉式显示器特有的状如一条条极细的垂直亮线，是光栅增辉式显示器特有的 频标形式。频标形式。 6.2 扫频仪工作原理扫频仪工作原理 频率标记的种类频率标记的种类 电子测量技术 6.2 扫频仪工作原理扫频仪工作原理 单一频标产生的工作原理单一频标产生的工作原理 电子测量技术 6.2 扫频仪工作原理扫频仪工作原理 多个频标产生的工作原理多个频标产生的工作原理 电子测量技术 6.2 扫频仪工作原理扫频

13、仪工作原理 多个菱形频标波形图多个菱形频标波形图 电子测量技术 uY Y通道单元通道单元 6.2 扫频仪工作原理扫频仪工作原理 22 标准信号源谐波信号源 扫频信号源被测电路检波探头 频标 混频 低通滤波Y 放 大 器 (b) (a) 图5-5 菱形频标产生原理 fS fS1、fS2、fS3、fS4、fS5 fS1fS2fS3fS4fS5 fS1fS2fS3fS4fS5 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 1 .时域和频域的关系时域和频域的关系 时域时域由信号随时间的变化情况表征由信号随时间的变化情况表征 频域频域由信号包含的频率分量，及频谱情况分由信号包含的频率分量，

14、及频谱情况分 布情况描述布情况描述 w相互间关系：有确切的内部关系相互间关系：有确切的内部关系为一傅氏变换对为一傅氏变换对 dtetfwS jwt )()( dwewStf jwt )( 2 1 )( 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 信号的时域与频域描述图信号的时域与频域描述图 A(幅值幅值) t f A t A f 一般为幅度谱或功率谱一般为幅度谱或功率谱 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2 频谱分析仪的分类频谱分析仪的分类 非实时频谱分析仪非实时频谱分析仪 实时频谱分析仪实时频谱分析仪 工工 作作 原原 理理 多通道（信道）滤波式多通

15、道（信道）滤波式 时基压缩式时基压缩式 扫频超外差式扫频超外差式 相关存储滤波式相关存储滤波式 快速傅里叶变换（快速傅里叶变换（FFTFFT）式）式 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 实时频谱仪和非实时频谱仪实时频谱仪和非实时频谱仪 u在一定频率范围数据分析速度与数据采集速度相在一定频率范围数据分析速度与数据采集速度相 匹配，不发生积压现象，这样的分析就是实时的；匹配，不发生积压现象，这样的分析就是实时的； 如果待分析的信号带宽超过这个频率范围，则是非如果待分析的信号带宽超过这个频率范围，则是非 实时分析。实时分析。 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪

16、工作原理 实时频谱仪和非实时频谱仪实时频谱仪和非实时频谱仪 u实时分析应达到的速度与被分析信号的带宽及所实时分析应达到的速度与被分析信号的带宽及所 要求的频率分辨率有关。一般认为，实时分析是指要求的频率分辨率有关。一般认为，实时分析是指 在长度为在长度为T的时段内，完成频率分辨率达到的时段内，完成频率分辨率达到1/T的谱的谱 分析；或者待分析信号的带宽小于仪器能够同时分分析；或者待分析信号的带宽小于仪器能够同时分 析的最大带宽。析的最大带宽。 u在一定频率范围数据分析速度与数据采集速度相在一定频率范围数据分析速度与数据采集速度相 匹配，不发生积压现象，这样的分析就是实时的；匹配，不发生积压现象

17、，这样的分析就是实时的； 如果待分析的信号带宽超过这个频率范围，则是非如果待分析的信号带宽超过这个频率范围，则是非 实时分析。实时分析。 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 基本框图基本框图 滤波器滤波器 输入输入 检波检波显示器显示器 BPFBPF 正比于该频率分量正比于该频率分量 幅度的直流信号幅度的直流信号 某一频率某一频率 3 工作原理工作原理 用很多窄带滤波器把各频率分量滤出用很多窄带滤波器把各频率分量滤出 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 并行滤波法并行滤波法 输入电路输入电路 输入输入 BPFBPF BPF1BPF1 每个滤波器之

18、后都有各自的检波器，无需电子每个滤波器之后都有各自的检波器，无需电子 开关切换及检波建立时间，因此开关切换及检波建立时间，因此速度快，能够满足速度快，能够满足 实时分析的需要。实时分析的需要。但是可显示的频谱分量数目取决但是可显示的频谱分量数目取决 于滤波器的数目，所以需要大量的滤波器。于滤波器的数目，所以需要大量的滤波器。 1.多通道（信道）滤波式多通道（信道）滤波式 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 输入输入 BPFBPF BPF1BPF1 2.2.顺序滤波法顺序滤波法 由多个由多个通带互相衔接的带通滤波器通带互相衔接的带通滤波器和和共用检波器共用检波器构构 成。

19、用多个频率固定且相邻的窄带带通滤波器阵列成。用多个频率固定且相邻的窄带带通滤波器阵列 来区分被测信号的各种频率成分，因此得以全面记来区分被测信号的各种频率成分，因此得以全面记 录被测信号。录被测信号。 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 特点：顺序分析，硬件少。特点：顺序分析，硬件少。 可调可调BPFBPF通常难以做得很窄，调谐频率范围不宽。通常难以做得很窄，调谐频率范围不宽。 目前只用于窄带频谱分析。目前只用于窄带频谱分析。 3.3.扫描滤波法扫描滤波法 输入输入 BPFBPF 可调可调 中心频率可调中心频率可调 高效式接收机高效式接收机 电子测量技术 6.3 频谱分

20、析仪工作原理频谱分析仪工作原理 4.4.外差扫频式外差扫频式 外差式接收机外差式接收机 本机本机 振荡振荡 f fL L 中频放大器中频放大器 扫描扫描 放大器放大器滤波器滤波器混频器混频器 f fx x xL fff x x y y f fx x 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 FFTFFT型实时频谱仪型实时频谱仪 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 扫频超外差式频谱仪扫频超外差式频谱仪 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 4 信号频谱测量信号频谱测量 调幅信号分析调幅信号分析 （1 1）扫频法）扫频法 电子测量技术

21、 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 （2 2） 时域法时域法 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 （3 3） FFTFFT频域法频域法 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 5 技术性能指标技术性能指标 输入频率范围输入频率范围 频谱仪能正常工作的最大频率区间，由扫描本频谱仪能正常工作的最大频率区间，由扫描本 振的频率范围决定。现代频谱仪的频率范围通常可振的频率范围决定。现代频谱仪的频率范围通常可 从低频段至射频段，甚至微波段，如从低频段至射频段，甚至微波段，如1KHz4GHz。 频率扫描宽度（频率扫描宽度（Span） 另有分析谱宽、扫

22、宽、频率量程、频谱跨度等另有分析谱宽、扫宽、频率量程、频谱跨度等 不同叫法。通常根据测试需要自动调节，或人为设不同叫法。通常根据测试需要自动调节，或人为设 置。扫描宽度表示频谱仪在一次测量（也即一次频置。扫描宽度表示频谱仪在一次测量（也即一次频 率扫描）过程中所显示的频率范围，可以小于或等率扫描）过程中所显示的频率范围，可以小于或等 于输入频率范围。于输入频率范围。 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 扫描时间（扫描时间（Sweep Time，简作，简作ST） 即进行一次全频率范围的扫描、并完成测量所即进行一次全频率范围的扫描、并完成测量所 需的时间，也叫分析时间。通常扫描时间越短越好，需的时间，也叫分析时间。通常扫描时间越短越好， 但为保证测量精度，扫描时间必须适当。与扫描时但为保证测量精度，扫描时间必须适当。与扫描时 间相关的因素主要有频率扫描范围、分辨率带宽、间相关的因素主要有频率扫描范围、分辨率带宽、 视频滤波。视频滤波。 现代频谱仪通常有多档扫描时间可选择，最小现代频谱仪通常有多档扫描时间可选择，最小 扫描时间由测量通道的电路响应时间决定。扫描时间由测量通道的电路响应时间决定。 电子测量技术 6.3 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 相位噪声相位噪声/频谱纯度频谱纯度 相位噪声简称相噪，是频率短期稳定度的指标相位