微波测量概述及信号源测量技术：4微波频谱分析仪工作原理第四章

1、1 2 1 1 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 2 21 1 频谱分析仪概述频谱分析仪概述 2 22 2 快速傅里叶变换分析仪快速傅里叶变换分析仪(FFT(FFT分析仪分析仪) ) 2 23 3 相位噪声在射频通信中的影响相位噪声在射频通信中的影响 2 24 4 整机工作原理整机工作原理 2 25 5 频谱分析仪的主要技术性能和指标频谱分析仪的主要技术性能和指标 2 26 6 无线电信号特征测试无线电信号特征测试 2FSK2FSK、2PSK2PSK、PSKPSK、8PSK8PSK信号特征信号特征 扩频信号特征扩频信号特征 调频信号特征调频信号特征 GMSKGMSK调制信号调制信号 OFDMOFD

2、M信号信号 通信系统的发展趋势 4 4 41 1 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 4 41 11 1 频谱分析仪概述频谱分析仪概述 频谱分析能获得信号时域测量不能获得的信息，如谐波分量、频谱分析能获得信号时域测量不能获得的信息，如谐波分量、 寄生、边带响应等，可以清楚地表达信号的细微特征。寄生、边带响应等，可以清楚地表达信号的细微特征。 1 1时域和频域的关系时域和频域的关系 信号时域和频域之间的关系表示的是两个频率信号在时域和频域观信号时域和频域之间的关系表示的是两个频率信号在时域和频域观 察，这两种显示模式通过傅里叶变换相互关联。察，这两种显示模式通过傅里叶变换相互关联。 2 2频谱的测量发

3、展频谱的测量发展 频谱分析仪通常测量信号的频率、电压频谱分析仪通常测量信号的频率、电压( (或者功率或者功率) )，并在显示器上，并在显示器上 显示出来，一般分为两种类型。显示出来，一般分为两种类型。 第一种是第一种是FFTFFT分析仪分析仪( (又称动态信号分析仪又称动态信号分析仪) )。 第二种是超外差式分析仪第二种是超外差式分析仪( (又称扫频调谐分析仪又称扫频调谐分析仪) )。 4 4 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 5 0 00 1 cossin 2 nn n a x tantbnt 0 0 /2 0 0/2 2 T T ax t dt T 0 0 /2 0 0/2 2 cos T n

4、 T ax tntdt T 0 0 /2 0 0/2 2 sin T n T bx tntdt T 0 0 1 sin 2 nn n A x tAnt 0 0 1 sin 2 nn n A x tAnt 22 arctan nnn n n n Aab b a 周期信号周期信号 锯齿波锯齿波 1周期信号的傅里叶变换周期信号的傅里叶变换 6 傅里叶级数展开式除用三角函数形式表示外，还可以用复指数傅里叶级数展开式除用三角函数形式表示外，还可以用复指数 形式表示。三角傅里叶级数和复指数傅里叶级数实质上是同一形式表示。三角傅里叶级数和复指数傅里叶级数实质上是同一 级数的两种表现形式级数的两种表现形式 0

5、000 00 cos,sin 22 jntjntjntjnt eeee ntnt 0000 00 11 jntjntjntjnt nnn nnnn x tcc ec ec eX ne 0 0 0 /2 0 0/2 1 ,0, 1, 2,. . . 2 T nnjnt n T ajb cx t edtX nn T 1周期信号的傅里叶变换周期信号的傅里叶变换 7 00.51 -1 -0.5 0 0.5 1 时 域 00.51 -1 -0.5 0 0.5 1 00.51 -1 -0.5 0 0.5 1 00.51 0 0.5 1 （ c） 周 期 矩 形 信 号 00.51 0 0.5 1 频 域

6、（ a） 正 弦 信 号 00.51 0 0.5 1 （ b） 调 幅 信 号 时域和频域的周期信号时域和频域的周期信号 00.20.40.60.811.21.41.61.82 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 00.20.40.60.811.21.41.61.82 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 用变化的正弦振荡用变化的正弦振荡 来近似一个矩形信号来近似一个矩形信号 1周期信号的傅里叶变换周期信号的傅里叶变换 8 宽带高性能信号分析仪 3GHz/26.5GHz/40GHz/50GHz 4

7、 42 2 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 9 测量接收机测量接收机 场强接收机场强接收机 EMIEMI测试接收机测试接收机 瞬时测频接收机瞬时测频接收机 测向接收处理机测向接收处理机 TEMPESTTEMPEST接收机接收机 信号分析仪信号分析仪 频谱分析仪、频谱分析仪、 矢量信号分析仪矢量信号分析仪 调制域分析仪、调制域分析仪、 调制度分析仪调制度分析仪 音频信号分析仪音频信号分析仪 动态信号分析仪动态信号分析仪 EMCEMC分析仪分析仪 宽频带：50GHz、110GHz、325GHz 高分辨率：10Hz、1Hz、1mHz 高灵敏度：-155dBm 大动态范围：140dB 低相噪(10kHz

8、)：-123dBc/Hz TEMPEST：信息设备：信息设备 的电磁辐射与信息泄漏的电磁辐射与信息泄漏 4 42 2 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 10 宽带开关预宽带开关预 选混频组件选混频组件 开关 YIG滤 波器 谐波混 频器 低波段驱动调谐本振 中频 微波 信号 4 42 2 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 11 PSA E444xA PSA 系列频谱分析仪系列频谱分析仪 频率范围频率范围: E4443A ：3Hz to 6.7GHz E4445A ：3Hz to 13.2GHz E4440A ：3Hz to 26.5GHz E4447A ：3Hz to 42.98 GHz E4446A

9、 ：3Hz to 44 GH E4448A ：3Hz to 50 GHz 具有多种选件，还可选配专用相位噪声测试软件；具有多种选件，还可选配专用相位噪声测试软件； 具有外部谐波混频器接口，实现频率扩展具有外部谐波混频器接口，实现频率扩展 4 42 2 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 12 3 3频谱分析仪的发展频谱分析仪的发展 随着对测量范围、频率读出准确度、分辨率提出更高的要求，随着对测量范围、频率读出准确度、分辨率提出更高的要求， 频谱分析仪在设计上不断提高本振的稳定度。从开环本振控制设计频谱分析仪在设计上不断提高本振的稳定度。从开环本振控制设计 过渡到闭环锁频本振及合成本振设计，闭环本振频

10、谱分析仪的频率过渡到闭环锁频本振及合成本振设计，闭环本振频谱分析仪的频率 稳定度和频率读出准确度有很大的提高。由于本振稳定度的改善加稳定度和频率读出准确度有很大的提高。由于本振稳定度的改善加 上谐波混频技术的运用，频谱分析仪的测量频率范围可达到上谐波混频技术的运用，频谱分析仪的测量频率范围可达到30Hz30Hz 60GHz60GHz（外扩频到（外扩频到110GHz)110GHz)。 E4440AE4440A频谱仪频谱仪 4 42 2 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 13 ROHDE&SCHWARZ ROHDE&SCHWARZ频谱仪频谱仪 4 42 2 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 R&SR&SF

11、SQFSQ可以提供可以提供120MHz120MHz的解调带宽，同时能提供高端频谱仪的动的解调带宽，同时能提供高端频谱仪的动 态范围，是集频谱仪和矢量信号分析仪功能为一身的高端仪器。态范围，是集频谱仪和矢量信号分析仪功能为一身的高端仪器。 频率范围：从频率范围：从20Hz20Hz到到3.6GHz, 8GHz, 26.5GHz,3.6GHz, 8GHz, 26.5GHz,和和40GHz 40GHz 拥有高端频谱仪具有的动态范围拥有高端频谱仪具有的动态范围 三阶互调截断点（三阶互调截断点（TOITOI）：典型值）：典型值+25dBm +25dBm 1dB1dB压缩点：典型值压缩点：典型值+13dBm

12、 +13dBm WCDMAWCDMA邻信道泄漏功率（邻信道泄漏功率（ACLRACLR），动态范围），动态范围84dB84dB（打开噪声修正）（打开噪声修正） 标配解调带宽为标配解调带宽为28MHz28MHz（可以扩充到（可以扩充到120MHz120MHz） IQIQ存储容量为存储容量为16Msample 16Msample （可扩充到（可扩充到705Msample705Msample） 提供多种应用固件选件（包括各种通讯标准的码域、调制域测量）提供多种应用固件选件（包括各种通讯标准的码域、调制域测量） 15 AV4037AV4037扫频调谐超外差频谱仪扫频调谐超外差频谱仪 16 4 42 2

13、频谱分析仪原理频谱分析仪原理 超外差频谱分析仪的简单原理结构图超外差频谱分析仪的简单原理结构图 17 4 42 2 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 超外差频谱分析仪的简单原理结构图超外差频谱分析仪的简单原理结构图 18 4 42 2 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 频谱分析仪软件功能框图频谱分析仪软件功能框图 19 1 1超外差式分析仪原理。超外差式分析仪原理。 外差接收机通过混频器和本地振荡器外差接收机通过混频器和本地振荡器(LO)(LO)将输入信号转换到中将输入信号转换到中 频。输入信号要通过衰减器，以限制到达混频器时的信号幅度，频。输入信号要通过衰减器，以限制到达混频器时的信号幅度， 然后通

14、过低通输入滤波器滤除不需要的频率。然后通过低通输入滤波器滤除不需要的频率。 AV4061AV4061扫频调谐超外差频谱仪结构扫频调谐超外差频谱仪结构 4 42 2 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 20 480MHz800MHz 一混一混 二混二混 三混三混 1.42.2GHz 0.5500MHz 21.4MHz 多路滤波开关多路滤波开关 4 42 2 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 AV4061微波频谱仪电路板微波频谱仪电路板 21 480MHz 800MHz 1.42.2GHz 下去下去 下去下去 射频输入射频输入 微波频谱仪电路板微波频谱仪电路板 4 42 2 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 2

15、2 2 2、射频模块原理、射频模块原理 AV4061 AV4061射频模块原理框图如图。其主要功能是实现频率合成、射频模块原理框图如图。其主要功能是实现频率合成、 变换和频率选择变换和频率选择, ,即射频输入信号首先经程控步进衰减器即射频输入信号首先经程控步进衰减器(0(050dB50dB、 10dB10dB步进步进) )衰减，衰减量受衰减，衰减量受CPUCPU控制，按输入信号大小进行调整。控制，按输入信号大小进行调整。 AV4061射频模块原理框图射频模块原理框图 4 42 2 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 23 AV4036系列频谱分析仪是一台由工控机控制，操作系统 为Windows XP

16、，四次变频的超外差扫频式频谱分析仪。 它由微波射频部分、中频部分、微波驱动部分、本振合成 部分、数据采集DSP处理部分、控制显示部分和电源部分 组成。其整机原理框图如图所示 AV4036 系列频谱分析仪原理框图系列频谱分析仪原理框图 2、射频模块原理、射频模块原理 24 在在0 0波段，波段，3Hz3Hz 4GHz4GHz的信号由射频信号输入端经的信号由射频信号输入端经10dB10dB开关程控开关程控 步进衰减器、步进衰减器、60dB60dB程控步进衰减器、毫米波开关预选混频组件（简程控步进衰减器、毫米波开关预选混频组件（简 称毫米波称毫米波SYTXSYTX）、宽带开关预选混频组件（简称宽带）

17、、宽带开关预选混频组件（简称宽带SYTXSYTX）、）、4GHz4GHz 低通滤波器进入低通滤波器进入0 0波段变频组件中的基波混频器，与第一本振波段变频组件中的基波混频器，与第一本振YIGYIG调调 谐振荡器（简称谐振荡器（简称YTOYTO）的基波（）的基波（4.0GHz4.0GHz 9.0GHz9.0GHz）混频得）混频得4.9214GHz4.9214GHz 中频，经中频，经4.9214GHz4.9214GHz带通滤波器和中频放大开关到带通滤波器和中频放大开关到0 0波段变频器组件波段变频器组件 中的第二变频器，中的第二变频器，4.9214GHz4.9214GHz中频信号与第二本振中频信号

18、与第二本振4.6GHz4.6GHz差频得第差频得第 二中频二中频321.4MHz。 4036微波部分原理框图微波部分原理框图 2、射频模块原理、射频模块原理 25 微波部件变频得到的微波部件变频得到的321.4MHz321.4MHz第二中频信号经缓冲放大、滤第二中频信号经缓冲放大、滤 波后进入第三变频器，与第三本振波后进入第三变频器，与第三本振300MHz 300MHz 差频得差频得21.4MHz21.4MHz中频。中频。 21.4MHz21.4MHz中频信号通过预滤波器、增益补偿放大器、抗混叠滤波器中频信号通过预滤波器、增益补偿放大器、抗混叠滤波器 和第四变频器，得到和第四变频器，得到7.5

19、MHz7.5MHz的第四中频信号，该信号被的第四中频信号，该信号被30MHz30MHz的采的采 样信号取样并数字化处理后进入样信号取样并数字化处理后进入FPGAFPGA，进行数字下变频和，进行数字下变频和FIRFIR滤波。滤波。 从从FPGAFPGA出来的信号可在高性能的出来的信号可在高性能的DSPDSP芯片中对数字滤波信号实施快芯片中对数字滤波信号实施快 速傅立叶变换，计算不同点数的傅立叶变换，选择不同的窗函数，速傅立叶变换，计算不同点数的傅立叶变换，选择不同的窗函数， 得到符合数字分辨率带宽要求的频谱得到符合数字分辨率带宽要求的频谱 频段频段信号频率信号频率YTO频率频率混频谐波次数混频谐

20、波次数YTO倍数倍数 03Hz4GHz4.98.9GHz11 149GHz4.39.3GHz11 2918GHz4.79.2GHz21 31826.5GHz4.66.7GHz41 426.540GHz5.27.4GHz32 54050GHz7.48.4GHz32 4036微波部分原理框图微波部分原理框图 26 数字中频部分原理框图数字中频部分原理框图 4036微波部分原理框图微波部分原理框图 29 微波测量技术微波测量技术 理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院 3 3、中频滤波及检波模块、中频滤波及检波模块 中频滤波部分的主要功能是实现中频滤波部分的主要功能是实现21.4MHz21.4MH

21、z中频信号可选带通中频信号可选带通 滤波，包括四级晶体滤波器，实现滤波，包括四级晶体滤波器，实现1K1K、3K3K、10K10K、30K 30K 分辨力带分辨力带 宽；四级宽；四级LCLC滤波器，实现滤波器，实现100K100K、300K300K、1M1M、3M3M分辨力带宽，数分辨力带宽，数 字中频滤波器实现字中频滤波器实现10Hz10Hz到到1kHz1kHz分辨力带宽。步进为分辨力带宽。步进为10dB10dB的的50dB50dB 可控中频增益以及调节范围大于可控中频增益以及调节范围大于20dB20dB的校准放大器进行中频增的校准放大器进行中频增 益处理，而后送入检波模块。检波模块首先对中频

22、信号进行对益处理，而后送入检波模块。检波模块首先对中频信号进行对 数和线性检波，得到的视频信号经数和线性检波，得到的视频信号经A/DA/D转换后做数字信号处理，转换后做数字信号处理， 处理后的数据由处理后的数据由LCDLCD显示。显示。 4 42 2 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 30 31 l1 分辨率带宽说明 l信号分辨能力是由频谱分析仪中频（IF）滤波器带宽即 分辨率带宽（RBW）决定的。当有信号通过中频滤波器 时，频谱分析仪就利用信号扫描出中频滤波器的带通形状。 当频谱分析仪接收到两个幅度相等而频率相距很近的信号 时，就会出现其中一个信号扫描出的带通滤波器波形的顶 部几乎覆盖了另一个信

23、号，从而使两个信号看起来像一个 信号。 l2 分辨两个等幅信号的测量通常，要分辨两个等幅信号， 分辨率带宽必须小于等于两个信号的频率间隔。以分辨两 个相距100kHz 的等幅信号为例，用户应选择频谱分析仪 的分辨率带宽小于等于100kHz。 4 42 2频谱分析仪的主要技术性能和指标频谱分析仪的主要技术性能和指标 32 频谱分析仪参数测量频谱分析仪参数测量 33 34 35 微波测量技术微波测量技术 理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院 36 37 频谱分析仪参数测量频谱分析仪参数测量 38 微波测量技术微波测量技术 理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院 频谱分析仪参数测量频谱分析仪参

24、数测量 39 AV4061AV4061中频滤波及检波模块原理框图。中频滤波及检波模块原理框图。 4 42 2 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 40 1 1扫描时间、扫宽、分辨率带宽和视频带宽扫描时间、扫宽、分辨率带宽和视频带宽 2 2中频滤波器特性中频滤波器特性 3 3相位噪声相位噪声 SSB相位噪声定义相位噪声定义 , 10log() offPNoffCN IF L fLfLBdB 4 42 2频谱分析仪的主要技术性能和指标频谱分析仪的主要技术性能和指标 图432 杂散测试结果 图图1113 在频域中相位噪声表现为载波两边的噪声边带在频域中相位噪声表现为载波两边的噪声边带 2 10lg 552

25、.37 10lg 9.1 1080/ offSSBc fPdBmP dBmRBW dBc Hz 频偏为频偏为20 kHz处单边带相位噪声功率处单边带相位噪声功率 3 10lg 60 13.49 10lg 1.8 10106/ offSSBc fPdBmP dBmRBW dBc Hz 频偏为频偏为20 kHz处单边带相位噪声功率处单边带相位噪声功率 X波段频综器相噪曲线波段频综器相噪曲线 43 微波测量技术微波测量技术 理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院 相噪测试结果 44 4 42 2频谱分析仪的主要技术性能和指标频谱分析仪的主要技术性能和指标 45 46 脉冲射频信号测量 47 48

26、脉冲射频信号测量 49 30kHz分辨率带宽设置下的测试分辨率带宽设置下的测试 1kHz分辨率带宽设置下的测试分辨率带宽设置下的测试 4 42 2频谱分析仪的主要技术性能和指标频谱分析仪的主要技术性能和指标 50 利用频标功能提高频率测量精度利用频标功能提高频率测量精度 4 42 2频谱分析仪的主要技术性能和指标频谱分析仪的主要技术性能和指标 51 减小分辨率带宽测量小信号减小分辨率带宽测量小信号 采用轨迹平均测量小信号采用轨迹平均测量小信号 4 42 2频谱分析仪的主要技术性能和指标频谱分析仪的主要技术性能和指标 52 5 5频谱分析仪的非线性特性频谱分析仪的非线性特性 由于频谱分析仪中含有

27、半导体器件，例如放大器件及混频器件，由于频谱分析仪中含有半导体器件，例如放大器件及混频器件， 因此存在非线性。对于很多电子器件，例如混频器和检波器，呈因此存在非线性。对于很多电子器件，例如混频器和检波器，呈 现非线性响应在有些场合是有用的。然而频谱分析仪要求无失真现非线性响应在有些场合是有用的。然而频谱分析仪要求无失真 显示被测输入信号，所以线性特性是频谱分析仪重要的性能指标。显示被测输入信号，所以线性特性是频谱分析仪重要的性能指标。 对于单正弦信号输入的情况，由于存在非线性，会产生各次谐波。对于单正弦信号输入的情况，由于存在非线性，会产生各次谐波。 对于输入信号是两个幅度相等的正弦信号的情况

28、，除了产生谐波对于输入信号是两个幅度相等的正弦信号的情况，除了产生谐波 以外，同时也有互调产物，互调产物的阶数是所含频率各次项之以外，同时也有互调产物，互调产物的阶数是所含频率各次项之 和。频谱仪的非线性指标包括谐波、互调、杂散。和。频谱仪的非线性指标包括谐波、互调、杂散。 6 6 1dB1dB压缩点压缩点 4 42 2频谱分析仪的主要技术性能和指标频谱分析仪的主要技术性能和指标 53 7 7 动态范围动态范围 动态范围表征的是频谱分析仪同时处理不同电平信号的能力。动态范围表征的是频谱分析仪同时处理不同电平信号的能力。 不同的测试，对仪表动态范围的要求也不一样。动态范围下限是不同的测试，对仪表

29、动态范围的要求也不一样。动态范围下限是 由自然噪声或相位噪声决定的，动态范围的上限是由由自然噪声或相位噪声决定的，动态范围的上限是由1dB1dB压缩点或压缩点或 由频谱仪过载而造成的失真决定的。由频谱仪过载而造成的失真决定的。 8 8 频谱测量精度频谱测量精度 频谱分析仪的频率精度也就是参考源的精度，并且受参考源频谱分析仪的频率精度也就是参考源的精度，并且受参考源 的温度和长期稳定度的影响。的温度和长期稳定度的影响。 4 42 2频谱分析仪的主要技术性能和指标频谱分析仪的主要技术性能和指标 频谱分析仪动态范围的几种定义频谱分析仪动态范围的几种定义 55 AV4036 AV4036系列频谱分析仪

30、具有宽频带、高分辨率、高灵敏度、大系列频谱分析仪具有宽频带、高分辨率、高灵敏度、大 动态范围、高精度、低相噪、快速测量等特点，采用了全数字中频动态范围、高精度、低相噪、快速测量等特点，采用了全数字中频 处理、全自动频谱识别与实时校准、宽带微波毫米波集成等多项创处理、全自动频谱识别与实时校准、宽带微波毫米波集成等多项创 新技术，性能优异，环境适应性强。由于采用了模块化、标准化的新技术，性能优异，环境适应性强。由于采用了模块化、标准化的 设计思想，增强了各个功能模块的互换性，通过软硬件功能模块的设计思想，增强了各个功能模块的互换性，通过软硬件功能模块的 组合，可形成系列化产品，并且便于后续功能升级

31、和扩展。组合，可形成系列化产品，并且便于后续功能升级和扩展。 AV4036 AV4036 系列频谱分析仪系列频谱分析仪 4 42 2频谱分析仪的主要技术性能和指标频谱分析仪的主要技术性能和指标 56 主要特点：主要特点： 载波载波1GHz1GHz频偏频偏1kHz1kHz时，时，-108dBc/Hz-108dBc/Hz的典型相噪的典型相噪 频率计数分辨率可达频率计数分辨率可达0.001Hz0.001Hz 可达可达-152dBm-152dBm的典型显示平均噪声电平的典型显示平均噪声电平 +7dBm+7dBm的典型的典型1dB1dB增益压缩增益压缩 可以使用数字分辨率带宽滤波器的连续扫频测量或使用可

32、以使用数字分辨率带宽滤波器的连续扫频测量或使用FFTFFT两种方两种方 式进行测量，可灵活优化测量速度和灵敏度式进行测量，可灵活优化测量速度和灵敏度 160160档数字分辨率带宽设置，可实现扫宽和分辨率带宽的最佳组合，档数字分辨率带宽设置，可实现扫宽和分辨率带宽的最佳组合， 优化测量结优化测量结 2dB2dB步进衰减器，优化失真测量动态范围步进衰减器，优化失真测量动态范围 提供中频、视频、扫描、触发等多种输出接口，采用嵌入式计算机提供中频、视频、扫描、触发等多种输出接口，采用嵌入式计算机 及多任务操作系统，方便对测量结果的存储、打印及数据共享及多任务操作系统，方便对测量结果的存储、打印及数据共

33、享 支持支持GPIBGPIB、USBUSB、LANLAN、串口等功能接口，方便组建自动测试系统、串口等功能接口，方便组建自动测试系统 4 42 2频谱分析仪的主要技术性能和指标频谱分析仪的主要技术性能和指标 典型应用典型应用 可以对电缆、连接器、放大器、可以对电缆、连接器、放大器、 滤波器、混频器、衰减器、隔离器、滤波器、混频器、衰减器、隔离器、 耦合器等元器件或部件进行增益、耦合器等元器件或部件进行增益、 频率响应、带宽、插损、变频损耗、频率响应、带宽、插损、变频损耗、 隔离度、失真等参数和指标的测试。隔离度、失真等参数和指标的测试。 可进行信号源测试，通信卫星监测，可进行信号源测试，通信卫

34、星监测， 搭建综合测试系统。搭建综合测试系统。 AV4036 AV4036具有强大的连通能力，具有强大的连通能力， 提供符合规范要求的仪器驱动库，提供符合规范要求的仪器驱动库， 搭建综合测试系统，可以用于复杂搭建综合测试系统，可以用于复杂 测试对象或生产线快速测量要求的测试对象或生产线快速测量要求的 场合，通信及雷达信号的检测及性场合，通信及雷达信号的检测及性 能评估，信息安全领域的信号监测、能评估，信息安全领域的信号监测、 记录、分析、识别和评估，大型复记录、分析、识别和评估，大型复 杂电子装备集成联试和维修保障，杂电子装备集成联试和维修保障， 电子元器件或射频微波模块批量生电子元器件或射频

35、微波模块批量生 产线等。产线等。 AV4036AV4036搭建综合测试系统搭建综合测试系统 4.34.3频谱分析仪的典型应用频谱分析仪的典型应用 58 59 60 4.4微波频谱仪的典型应用微波频谱仪的典型应用 连接三阶交调失真测量系统连接三阶交调失真测量系统 61 将信号峰值置于参考电平处将信号峰值置于参考电平处信号在频谱分析仪显示器中央信号在频谱分析仪显示器中央 4.34.3频谱分析仪的典型应用频谱分析仪的典型应用 62 4.4微波频谱仪的典型应用微波频谱仪的典型应用 使用最大保持观测漂移信号使用最大保持观测漂移信号 测量信号发生器的频率漂移测量信号发生器的频率漂移 频谱分析仪能够测量信号

36、发生器的短期稳定性和长期稳定性，使用轨迹最大频谱分析仪能够测量信号发生器的短期稳定性和长期稳定性，使用轨迹最大 保持功能保持功能,频谱分析仪能显示输入信号的最大峰值幅度和频率漂移，如果想测量频谱分析仪能显示输入信号的最大峰值幅度和频率漂移，如果想测量 信号占用带宽也可使用轨迹最大保持功能。该实例将使用频谱分析仪的信号跟踪信号占用带宽也可使用轨迹最大保持功能。该实例将使用频谱分析仪的信号跟踪 功能来保持漂移信号一直显示在中心位置，使用频谱分析仪的轨迹最大保持功能功能来保持漂移信号一直显示在中心位置，使用频谱分析仪的轨迹最大保持功能 捕获漂移捕获漂移 63 使用信号跟踪功能测量漂移信号使用信号跟踪

37、功能测量漂移信号 4.34.3频谱分析仪的典型应用频谱分析仪的典型应用 64 主瓣和旁瓣测量主瓣和旁瓣测量杂散测试结果杂散测试结果 4.34.3频谱分析仪的典型应用频谱分析仪的典型应用 65 4.34.3频谱分析仪的典型应用频谱分析仪的典型应用 调制特性测量调幅信号的测量调制特性测量调幅信号的测量 幅度调制信号波形幅度调制信号波形 调制指数等于调制指数等于0.2的调频信号频谱的调频信号频谱 66 4.34.3频谱分析仪的典型应用频谱分析仪的典型应用 脉冲调制信号测量脉冲调制信号测量 理想矩形脉冲的时域和频域波形图理想矩形脉冲的时域和频域波形图 67 4.34.3频谱分析仪的典型应用频谱分析仪的

38、典型应用 射频载波脉冲调制的频谱波形射频载波脉冲调制的频谱波形 脉冲宽度测量脉冲宽度测量 s s 脉冲周期为脉冲周期为50 脉宽为脉宽为5 68 4.34.3频谱分析仪的典型应用频谱分析仪的典型应用 s s 脉冲周期为脉冲周期为20 脉宽为脉宽为2 脉冲重复频率测量脉冲重复频率测量 69 3. 外扩频测量原理外扩频测量原理 LORFIF nfmff 谐波混频器混频公式为：谐波混频器混频公式为： RFLOIF fnff 4.34.3频谱分析仪的典型应用频谱分析仪的典型应用 70 由于混频器的变频损耗是谐波次数的函数，谐波次数由于混频器的变频损耗是谐波次数的函数，谐波次数 越高，变频损耗越大。扩频

39、测量时，输入射频信号频率较越高，变频损耗越大。扩频测量时，输入射频信号频率较 高，使用高次谐波使得本振所需谐波次数显著增大，混频高，使用高次谐波使得本振所需谐波次数显著增大，混频 器变频损耗变大，频谱幅度较低，在频谱图中比较容易分器变频损耗变大，频谱幅度较低，在频谱图中比较容易分 辨。因此为方便分析，我们忽略输入信号的高次谐波，输辨。因此为方便分析，我们忽略输入信号的高次谐波，输 入射频信号基波与本振频率的入射频信号基波与本振频率的n次谐波混频到中频：次谐波混频到中频： 谐波混频器谐波混频器 LORFIF nfmff RFLOIF fnff 信号分析仪太赫兹扩展模块信号分析仪太赫兹扩展模块 7

40、2 波段6mm5mm3mm2mm 频率范围40-6050-7575-110110-170 谐波次数10141820 变频损耗20dB25dB32dB38dB 毫米波扩频部件 73 传统频谱分析仪采用外差式的工作方式，通过适当地传统频谱分析仪采用外差式的工作方式，通过适当地 调整自身本振的调谐范围调整自身本振的调谐范围(本振扫描本振扫描)，将给定范围内的频，将给定范围内的频 谱，进行逐点频率下变频至中频进行信号检测，再将信号谱，进行逐点频率下变频至中频进行信号检测，再将信号 测量结果进行拼接显示，就得到频谱测量的结果。这样做测量结果进行拼接显示，就得到频谱测量的结果。这样做 的局限性是不同频率点

41、的数据并不是在同一时刻采样得到，的局限性是不同频率点的数据并不是在同一时刻采样得到， 信号结果为分时采集拼接而成信号结果为分时采集拼接而成。而通常情况下其数据采集。而通常情况下其数据采集 速度要快于数字后端的处理速度，频谱仪通常使用速度要快于数字后端的处理速度，频谱仪通常使用“抛弃抛弃” 其中一段数据的方式，使得数据处理速率匹配。这就产生其中一段数据的方式，使得数据处理速率匹配。这就产生 了通常说所的了通常说所的“测试盲区测试盲区”问题。也就是如果存在某些瞬问题。也就是如果存在某些瞬 态变换或者存在极短时间的干扰信号，使用外差式频谱分态变换或者存在极短时间的干扰信号，使用外差式频谱分 析仪进行

42、测试有很大的可能性会漏掉信号。析仪进行测试有很大的可能性会漏掉信号。 4 45 5实时频谱分析仪实时频谱分析仪 74 实时频谱分析仪实时频谱分析仪(RTSA)是随着现代是随着现代FPGA技术发展起来的一种技术发展起来的一种 新式频谱分析仪，与传统频谱仪相比，它的最大特点是在信号处理新式频谱分析仪，与传统频谱仪相比，它的最大特点是在信号处理 过程中能够完全利用所采集的时域采样点，从而实现无缝的频谱测过程中能够完全利用所采集的时域采样点，从而实现无缝的频谱测 量及触发。由于实时频谱仪具备无缝处理能力，使得它在频谱监测、量及触发。由于实时频谱仪具备无缝处理能力，使得它在频谱监测、 研发诊断以及雷达系

43、统设计中有着广泛的应用。研发诊断以及雷达系统设计中有着广泛的应用。 4 45 5实时频谱分析仪实时频谱分析仪 实时触发、无缝捕获和多域分析是实时频谱分析仪的几个主要特实时触发、无缝捕获和多域分析是实时频谱分析仪的几个主要特 点，也是其实现的关键技术。利用实时频谱仪独创的频率模板触发点，也是其实现的关键技术。利用实时频谱仪独创的频率模板触发 技术设定频率和功率两维信息，可将感兴趣的脉冲信号捕获下来。技术设定频率和功率两维信息，可将感兴趣的脉冲信号捕获下来。 实时频谱仪独有的数字荧光显示技术实时频谱仪独有的数字荧光显示技术(DPX)，可以让你在复杂的环，可以让你在复杂的环 境中发现感兴趣的信号，即

44、使是同频干扰的信号也可以轻松地分辨境中发现感兴趣的信号，即使是同频干扰的信号也可以轻松地分辨 出来。实时频谱仪还可以在时域、频域、调制域进行相关的多域分出来。实时频谱仪还可以在时域、频域、调制域进行相关的多域分 析和时间关联分析。析和时间关联分析。 75 实时频谱分析仪原理图实时频谱分析仪原理图 实时频谱分析仪具有可以分析同频干扰、发现大信号下面的小信实时频谱分析仪具有可以分析同频干扰、发现大信号下面的小信 号、捕获瞬态干扰信号的优点。频率模板触发为可靠地检测和分析号、捕获瞬态干扰信号的优点。频率模板触发为可靠地检测和分析 动态射频信号提供了一个强大的工具。它可以用来进行传统频谱分动态射频信号

45、提供了一个强大的工具。它可以用来进行传统频谱分 析仪较难完成的测量，如在存在强大的射频信号时捕获小电平瞬时析仪较难完成的测量，如在存在强大的射频信号时捕获小电平瞬时 事件。事件。 4 45 5实时频谱分析仪实时频谱分析仪 76 1 1实时频谱分析技术实时频谱分析技术 大多数现代雷达和通信系统是基于脉冲式和间歇性突发信号来大多数现代雷达和通信系统是基于脉冲式和间歇性突发信号来 传送分组化信息。测试这类系统中的异步事件的传统测量方法通常传送分组化信息。测试这类系统中的异步事件的传统测量方法通常 是使用示波器检测突发的时域特点，使用频谱分析仪检测信号频域是使用示波器检测突发的时域特点，使用频谱分析仪

46、检测信号频域 特点。在多数情况下，这些瞬变信号发生的速度对于传统扫频分析特点。在多数情况下，这些瞬变信号发生的速度对于传统扫频分析 仪太快了，并且瞬变信号的快速上升下降时间会产生频谱成分，从仪太快了，并且瞬变信号的快速上升下降时间会产生频谱成分，从 而大大增加了捕获分析这些信号的难度。实时频谱分析技术的核心而大大增加了捕获分析这些信号的难度。实时频谱分析技术的核心 思想是思想是快速发现问题、实时触发、无缝捕获、多域关联分析快速发现问题、实时触发、无缝捕获、多域关联分析。一旦。一旦 发现问题，测试仪器会根据信号时域或频域特征对特定的信号进行发现问题，测试仪器会根据信号时域或频域特征对特定的信号进

47、行 触发采集，触发导致信号被无缝捕获到存储器中，捕获完成后，就触发采集，触发导致信号被无缝捕获到存储器中，捕获完成后，就 可以分析信号的时域、频域和调制域特点。可以分析信号的时域、频域和调制域特点。 4 46 6新的测试分析技术不断涌现新的测试分析技术不断涌现 77 4)关键指标关键指标 实时频谱仪和传统频谱仪有共同的指标，例如频率、分析带宽、实时频谱仪和传统频谱仪有共同的指标，例如频率、分析带宽、 动态范围等；同时也有自己独特的指标，例如动态范围等；同时也有自己独特的指标，例如FFT速度，最短截获速度，最短截获 时间等。时间等。 (1)频率：频谱仪分析仪能检测的最高频率值，一般无线通信要求频

48、率：频谱仪分析仪能检测的最高频率值，一般无线通信要求 的频率上限在十几个的频率上限在十几个GHz，军用、航天类型的应用要求在，军用、航天类型的应用要求在50GHz以以 上，甚至达到上，甚至达到100GHz以上。以上。 (2)分析带宽：频谱仪能够同时分析的最大信号频率范围，一般取分析带宽：频谱仪能够同时分析的最大信号频率范围，一般取 决于其中频决于其中频ADC的最高带宽。随着微电子技术的发展，现在频谱仪的最高带宽。随着微电子技术的发展，现在频谱仪 的分析带宽已经从最初的几十的分析带宽已经从最初的几十MHz增加到几百增加到几百MHz。 (3)无杂散动态范围无杂散动态范围(SFDR)：衡量频谱仪同时

49、观测大小信号的能：衡量频谱仪同时观测大小信号的能 力，该参数一般取决于频谱仪的本底噪声、力，该参数一般取决于频谱仪的本底噪声、ADC位数等。位数等。 (4)100截获信号持续时间：实时频谱仪虽然适合观测瞬态信号，截获信号持续时间：实时频谱仪虽然适合观测瞬态信号， 但是对信号的持续时间也有特定要求。但是对信号的持续时间也有特定要求。 (5)FFT计算速度：频谱仪里面的计算速度：频谱仪里面的FPGA硬件进行硬件进行FFT计算的速度。计算的速度。 4 46 6新的测试分析技术不断涌现新的测试分析技术不断涌现 78 实时频谱分析仪原理图实时频谱分析仪原理图 4 45 5实时频谱分析仪实时频谱分析仪 A

50、V4011系列实时频谱分析仪系列实时频谱分析仪 4 45 5实时频谱分析仪实时频谱分析仪 实时频谱用于瞬变信号测试的 核心思想 实时频谱用于瞬变信号测试的核心思想实时频谱用于瞬变信号测试的核心思想 发现发现 触发触发 捕获捕获 分析分析 信号中有没有问题？异常信号信号中有没有问题？异常信号 频谱如何变化？频谱如何变化？ 不遗漏任何突发信号不遗漏任何突发信号 的频谱观测能力的频谱观测能力 自动检测异常信号出现时刻自动检测异常信号出现时刻 异常信号发生前后一段时间内异常信号发生前后一段时间内 的数据进行存储的数据进行存储 实时无间断的触发判实时无间断的触发判 断机制断机制 大容量存储大容量存储 与

51、无缝捕获与无缝捕获 对捕获的数据进行细节分析，对捕获的数据进行细节分析， 从而解决用户的问题从而解决用户的问题 灵活的信号分析灵活的信号分析 六、AV4011产品前瞻 AV4011实时频谱分析仪技术引入实时频谱分析仪技术引入 嵌入式计算机平台嵌入式计算机平台 PCIPCI总线总线仪器控制总线仪器控制总线 人机界面人机界面USBUSB、LANLAN、GPIBGPIB 实时分析实时分析 多域分析多域分析 三维谱图三维谱图 频域频域 时域时域 调制域调制域 解调解调 实时处理模块实时处理模块 捕获捕获 存储器存储器 电平触发电平触发 模板触发模板触发 功率触发功率触发 数字下变频数字下变频 外部触发

52、外部触发 实时实时I/QI/Q XA/D 40GHz40GHz 测量信号频带测量信号频带 中频滤波中频滤波 微波变频接收模块微波变频接收模块 40MHz40MHz实时实时 捕获带宽捕获带宽 低波段低波段 高波段高波段 100MHz100MHz采样采样 9kHz9kHz 75MHz75MHz中频中频 六、AV4011产品前瞻 AV4011实时频谱分析仪技术原理实时频谱分析仪技术原理 4 45 5实时频谱分析仪实时频谱分析仪 AV4011实时频谱分析仪技术原理 窗函数归一化的3dB带宽 s s f N NT 时间分辨率：时间分辨率： N f s 3 kRBW dB 频率分辨率：频率分辨率： 窗函数

53、长度 51015202530 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 12141618202224 110 115 120 125 130 135 谱图分析全貌 局部放大视图 高斯窗函数长度高斯窗函数长度3232，时间分辨率高，时间分辨率高 55606570758085 15 20 25 30 35 40 45 50 20406080100120 20 40 60 80 100 120 谱图分析全貌 局部放大视图 高斯窗函数长度高斯窗函数长度128128，频率分辨率高，频率分辨率高 输入信号：输入信号： n 数据速率数据速率128MSPS128MSPS，

54、n 29.6us 29.6us时刻信号频率发生了细微跳变时刻信号频率发生了细微跳变 时间定位时间定位 29.529.75us 时间定位时间定位 2930us 矛盾矛盾 六、AV4011产品前瞻 AV4011技术特性技术特性高分辨率发现细微变化高分辨率发现细微变化 n 数据速率：数据速率：128MSPS128MSPS n 跳频信号：跳频信号： 跳频速率：跳频速率：3.2M3.2M跳跳/ /秒秒 驻留时间：驻留时间：0.3125us=400.3125us=40点点 n 分析时间窗长度：分析时间窗长度：1us=1281us=128点点 重叠处理可以指出信号频重叠处理可以指出信号频 谱随时间变化的谱随

55、时间变化的方向和大小方向和大小， 对于观测持续时间短于时间窗对于观测持续时间短于时间窗 长度的信号非常有利，但是需长度的信号非常有利，但是需 要更高的处理速度要更高的处理速度 128128个样点个样点128128个样点个样点128128个样点个样点 128128点点FFTFFT 128128点点FFTFFT 128128点点FFTFFT 重叠时间间隔重叠时间间隔 重叠点数重叠点数 128128点点FFTFFT 128128点点FFTFFT 50100150200250300350400450500 1 2 3 4 5 6 7 非重叠非重叠 501001502002503003504004505

56、00 100 200 300 400 500 600 700 800 重叠重叠 六、AV4011产品前瞻 AV4011技术特性技术特性重叠技术进行信号瞬态事件观测重叠技术进行信号瞬态事件观测 4 45 5实时频谱分析仪实时频谱分析仪 （2 2）频率模板触发：通过实时检测信号的频谱变化是否进入一个预先设置的频谱模板）频率模板触发：通过实时检测信号的频谱变化是否进入一个预先设置的频谱模板 来捕获信号的频谱变化过程。来捕获信号的频谱变化过程。 利用频率模板触发捕获的大信号存在下的突发干扰信号 模板形状模板形状 时域无时域无 明显特征明显特征 频率无频率无 明显特征明显特征 突发干扰信号突发干扰信号

57、持续持续190us 50%预触发观测预触发观测 干扰信号出现过程干扰信号出现过程 六、AV4011产品前瞻 AV4011典型应用典型应用 87 实时频谱分析技术频率模板触发实时频谱分析技术频率模板触发 88 利用选时分析频谱功能测量跳频信号杂散 （5 5）运用选时分析频谱）运用选时分析频谱 利用选时分 析频谱功能 测量跳频信 号杂散 捕获捕获1ms的的 信号功率变化信号功率变化 66us67us 信号功率变化信号功率变化 66us67us 信号频率变化信号频率变化 脉冲调制脉冲调制 脉内步进跳频脉内步进跳频 脉间跳频脉间跳频 选择脉内一段时间的信号频谱选择脉内一段时间的信号频谱 通过平均值检波

58、可获得脉内某一跳频点的杂散情况通过平均值检波可获得脉内某一跳频点的杂散情况 六、AV4011产品前瞻 AV4011典型应用典型应用 90 91 微波测量技术微波测量技术 理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院 92 微波测量技术微波测量技术 理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院 93 微波测量技术微波测量技术 理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院 93 用于深入分析骚扰细节的实时频谱分析 (选件) 94 微波测量技术微波测量技术 理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院 95 微波测量技术微波测量技术 理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院95 1 1、如图所示电路，试画出沿线电压

59、、电流振幅分布图，、如图所示电路，试画出沿线电压、电流振幅分布图， 试求出它们的最大值和最小值。试求出它们的最大值和最小值。 图 1-5 解：传输线电压：解：传输线电压：BC段为行波状态，其上电压大小不变段为行波状态，其上电压大小不变 ，幅值为，幅值为450V，阻抗为，阻抗为450，电流大小不变，幅值为，电流大小不变，幅值为1A ；AB段为行驻波状态，段为行驻波状态，A点为电压波节，点为电压波节，B点为波腹，电点为波腹，电 压为压为450V。 用于超高速测量基于FFT的 时域扫描 (选件) 96 微波测量技术微波测量技术 理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院96 用于深入分析骚扰细节的实时

60、频谱分析 97 微波测量技术微波测量技术 理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院 98 99 微波测量技术微波测量技术 理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院 实时频谱仪全息频谱显示 100 微波测量技术微波测量技术 理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院 实时频谱仪瀑布图显示 101 信号和频谱分析仪 102 SGMA矢量射频信号源 103 实时频谱分析仪实时频谱分析仪 104 105 便携式接收机从便携式接收机从9 kHz到到7.5 GHz范围进行现场无线电范围进行现场无线电 监测监测 106 便携式接收机从便携式接收机从9kHz到到7.5GHz范围进行现场无线电监测范围进行现场无线