近代电子测量技术-频谱仪

1、频域测量频谱分析仪频谱分析仪是使用不同方法在频域内对信号的电压、功率、频率等参数进行测量并显示的仪器。时间幅度(功率)频率时域测量频域测量频率与时域的关系以频谱形式显示出所测信号分解的每个正弦波的幅度随频率变化的情况就是频域测量。 频谱分析的基本概念广义上，信号频谱是指组成信号的全部频率分量的总集；狭义上，一般的频谱测量中常将随频率变化的幅随频率变化的幅度谱称为频谱度谱称为频谱。频谱测量：在频域内测量信号的各频率分量，以获得信号的多种参数。频谱测量的基础是付里叶变换。 频谱的两种基本类型l离散频谱（线状谱），各条谱线分别代表某个频率分量的幅度，每两条谱线之间的间隔相等l连续频谱，可视为谱线间隔

2、无穷小，如非周期信号和各种随机噪声的频谱.调制失真噪声频谱分析的类型频谱分析仪的分类按分析处理方法分析处理方法：模拟式频谱仪、数字式频谱仪、模拟/数字混合式频谱仪；按基本工作原理基本工作原理：扫描式频谱仪、非扫描式频谱仪；按处理的实时性处理的实时性：实时频谱仪、非实时频谱仪；按频率轴刻度频率轴刻度：恒带宽分析式频谱仪、恒百分比带宽分析式频谱仪；按输入通道数目输入通道数目：单通道、多通道频谱仪；按工作频带工作频带：高频、射频、低频等频谱仪。频段分配 频谱分析仪是使用不同方法在频域内对信号的电压、功率、频率等参数进行测量并显示的仪器。一般有实时分析法、非实时分析法两种实现方法。 实时分析法实时分析

3、法 实时分析法又包括：p并行滤波式（模拟）pFFT分析法（数字）频谱仪的实时与非实时分析并行滤波式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，因此速度快，能够满足实时分析的需要。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。Y放放大大前前置置放放大大器器窄窄带带滤滤波波器器窄窄带带滤滤波波器器窄窄带带滤滤波波器器窄窄带带滤滤波波器器检检波波器器检检波波器器检检波波器器检检波波器器电电子子扫扫描描开开关关扫扫描描发发生生器器X放放大大ux带通滤波器的性能指标（一）p带宽带宽通常是指3dB带宽，或称半功率带宽 分辨率带宽分辨率带宽（RBW）反映了滤波器区分两

4、个相同幅度、不同频率的信号的能力pRBW带通滤波器的性能指标（二）p波形因子波形因子 波型因子反映了区分两个不等幅信号的能力，也称带宽选择性波形因子定义为滤波器60dB带宽与3dB带宽之比。 也可用40dB带宽与3dB带宽之比表示。波形因子较小的滤波器的特性曲线更接近于矩形，故波形因子也称矩形系数波形因子也称矩形系数带通滤波器的性能指标（三）p 滤波器响应时间（建立时间）滤波器响应时间（建立时间） 信号从加到滤波器输入端到获得稳定输出所需的时间。通常用达到稳幅幅度的90所需的时间TR来表述，它与绝对带宽B成反比：TR1/B。 宽带滤波器的响应时间短，测量速度快；窄带滤波器建立时间较长，但频率分

5、辨率更高、信噪比好。响应时间限制了频谱仪的扫描分析速度，影响实时频谱分析的实现。并行滤波器组处理（基于模拟滤波器或FFT数字滤波）在特定时段中对时域数字信号进行FFT变换，得到频域信息并获取相对于频率频率的幅度、相位幅度、相位信息。可充分利用数字技术和计算机技术，非常适于非周期信号和持续时间很短的瞬态信号非常适于非周期信号和持续时间很短的瞬态信号的频谱测量的频谱测量。但其分析速率带宽受ADC采样速率限制，适合分析窄带信号。FFT分析法实时 (FFT) 分析仪方框图非实时分析法非实时分析法 在任意瞬间只有一个频率成分能被测量，无法得到相位信息。适用于连续信号和周期信号的频谱测量。扫频式分析：使分

6、析滤波器的频率响应在频率轴上扫描。 差频式分析（外差式分析）：利用超外差接收机的原理，将频率可变的扫频信号与被分析信号进行差频，再对所得的固定频率信号进行测量分析，由此依次获得被测信号不同频率成分的幅度信息。这是频谱仪最常采用的方法。 扫频外差方式扫频外差方式频谱仪的实时与非实时分析（二）现代频谱仪将外差式扫描频谱分析技术与FFT数字信号处理技术相结合，兼有两种技术的优点：前端仍采用传统的外差式结构，而在中频处理部分采用数字结构，中频信号由ADC量化，FFT则由通用微处理器或专用数字逻辑实现。这种方案充分利用了外差式频谱仪的频率范围和FFT优秀的频率分辨率，使得在很高的频率上进行极窄带宽的频谱

7、分析成为可能，整机性能大大提高。滤波器扫描测试外差式频谱仪p外差式频谱仪的组成p输入通道p中频信号预处理p检波器p视频滤波器p踪迹处理p主要技术参数p参数之间的相互关系 外差式频谱仪的频率变换原理与超外差式收音机相同：利用无线电接收机中普遍使用的自动调谐方式，通过改变扫频本振的频率来捕获待测信号的不同频通过改变扫频本振的频率来捕获待测信号的不同频率分量率分量。也称扫频外差式频谱仪。扫频外差式方案是实施频谱分析的传统途径，在高频段占据优势地位。 外差式频谱分析仪频率范围宽、灵敏度高、频率分辨率可变，是目前频谱仪中数量最大的一种。由于被分析的频谱依次被顺序采样，因而不能进行实时分析。这种分析仪只能

8、提供幅度谱，不能提供相位谱。外差式频谱仪的组成包括输入通道、混频电路、中频处理电路、检波和视频滤波等部分。 输 入 通 道（一） 输入通道也称前端，主要由输入衰减、低噪声放大、低通滤波及混频等几部分组成，功能上相当于一台宽频段、窄带宽的外差式自动选频接收机。用于控制加到仪器后续部分的信号电平，并对输入信号取差频以获得。p 输入衰减：一方面避免因信号电平过高而引起的失真，同时起到阻抗匹配的功能，尽可能降低源负载与混频器之间的失配误差p 低噪声放大：对输入电平进行调整，保证混频器输入电平满足一定的幅度要求，获得较佳混频效果输入通道（二）频率变换原理频率变换原理输入通道（二）外差式频率变换原理外差式

9、频率变换原理AffIfXfLfimagf = fI输输入入滤滤波波镜镜像像频频率率频频率率变变换换| fL fX | = fI 如果输入频率的范围大于2fI，将与镜频在本振处交叠。通常的频谱仪输入频率非常宽，一般的抑制镜频滤波器难以实现调谐。解决办法是选择高中频，本振频率也相应提高输入通道（三）抑制镜频的高中频解决方案ffI频频率率变变换换输输入入频频率率范范围围本本振振频频率率范范围围镜镜像像频频率率范范围围低低通通滤滤波波fI = fL- fXfI = fimag- fL镜频范围远在输镜频范围远在输入频率范围之上，入频率范围之上，两者不会交叠；两者不会交叠；中频频率越高，中频频率越高，镜频

10、距本振越远，镜频距本振越远，可避免因交叠而可避免因交叠而带来的滤波器实带来的滤波器实现问题。因此现问题。因此用用固定调谐的低通固定调谐的低通滤波器在混频之滤波器在混频之前滤去镜频前滤去镜频即可即可 高中频很难实现窄带带通滤波和性能良好的检波，需要进行多级变频（混频）处理。第一混频实现高中频频率变换，再由第二、三级甚至第四级混频将固定的中频逐渐降低。每级混频之后有相应的带通滤波器抑制高次谐波交调分量。利用更多级的变频实现频率扩展（24级）利用谐波混频进一步扩展频率中频信号预处理（一） 中频信号预处理主要是在被检测之前完成对固定中频信号的自动增益放大、分辨率滤波等处理。中频滤波器的带宽通常可程控，

11、以提供不同的频率分辨率。 中频信号幅度调节：由自动增益电路完成。末级混频的增益必须能够以小步进精密调节，以保持后续电路中的最大信号电平固定而不受前端的影响。 中频滤波器：用于减小噪声带宽、分辨各频率分量。频谱仪的分辨率带宽由最后一个中频滤波器的带宽决频谱仪的分辨率带宽由最后一个中频滤波器的带宽决定。定。数字滤波器选择性较好、没有漂移，能够实现极稳定的窄分辨率带宽。中频信号预处理（二）Agilent ESA-E系列频谱分析仪原理图Agilent PSA系列频谱分析仪原理框图Agilent PSA系列频谱分析仪全数字中频部分原理框图检 波 器（一） 在模拟式频谱仪中，采用检波器来产生与中频交流信号

12、的电平成正比的直流电平，以获取待测信号的幅度信息。常用包络检波器。最简单的包络检波器由一个二极管和一个并联RC电路串接而成。只要恰当地选择检波器的R、C值，就可获得合适的时间常数以确保检波器跟随中频信号的包络变化而变化。频率扫描速度的快慢也会对检波输出产生影响，扫速太快会使检波器来不及响应。 检 波 器（二）频谱分析仪有时域功能可用，此时扫频宽度设置成零扫频带宽（Zero Span）。 视频滤波器（一） 视频滤波器用于对显示结果进行平滑或平均，以减小噪声对信号幅度的影响。p 基本原理：视频滤波器实质是低通滤波器实质是低通滤波器，它决定了驱动显示器垂直方向的视频电路带宽。当视频滤波器的截止频率小

13、于分辨率带宽时，视频系统跟不上中频信号视频系统跟不上中频信号包络的快速变化，因此使信号的起伏被包络的快速变化，因此使信号的起伏被“平滑平滑”掉掉。p 应用：主要应用于噪声测量，特别是在分辨率带宽（RBW）较大时。减小视频滤波器的带宽（VBW）将削弱或平滑噪声峰-峰值的变化，当VBW/RBW RBW时：ST不受视频滤波器的影响。此时，中频滤波器的响应时间仅与RBW2成反比：)( 2VBWRBWRBWSpanKST 其中K为比例因子，取值与滤波器类型及其响应误差有关。例如：4级或5级级联的模拟滤波器，K取2.5；高斯数字滤波器，K可取值1甚至小于1p VBWRBW时：所需的STmin受限于视频滤波

14、器的响应时间。VBW越大，视频滤波器的响应越短，ST相应也越小，VBW与ST成线性反比。参数之间的相互关系（三）p默认的VBW设置原则：在保证不增加ST的前提下尽最大可能实现滤波平均。 当K=2.5时，应有RBW/VBW1；若使用数字滤波器（取K=1），为了确保视频滤波器的稳定，应有RBW/VBW0.3。p参数部分联动设置的经验公式正弦信号测量RBW/VBW=0.31 脉冲信号测量RBW/VBW=0.1噪声信号测量RBW/VBW=9 大多数当今的分析仪器自动结合扫频时间和宽度以及分大多数当今的分析仪器自动结合扫频时间和宽度以及分辨率带宽设置。辨率带宽设置。 VBW/RBW分别为3:1,1:10

15、,1:100时的平滑效果参数之间的相互关系（四）p 输入衰减、中频增益、参考电平输入衰减、中频增益、参考电平 频谱仪的幅度测量上限由允许输入的最大电平决定，下限取决于仪器固有噪声或本底噪声。因为放大、检波及A/D转换器件的动态范围都很小，不可能在同一次测量的设置下同时达到这两个限制。用户会根据不同需要选择最大显示电平（参考电平）。输入衰减、中频增益是两个决定性因素。参数之间的相互关系（五） 输入信号过大可能导致第一混频受损，因此高电平输入必须衰减，衰减量取决于第一混频及其后续部分的动态范围。混频器电平过高，失真产生的频率分量将会干扰正常显示；衰减量过大则会导致信噪比降低，减小动态范围。因此，输

16、入衰减及中频增益的选择需折中考虑。 实际应用中，即使参考电平非常低，通常也会将输入衰减设置为最小值（如9dB），以获得较好的匹配，提高幅度测量精度。频谱分析的操作超过限制功率或含有直流成份的信号是十分危险的！典型频谱分析仪的显示使用频谱分析仪进行测量相位噪声测量相位噪声测量脉冲信号测量脉冲信号测量信道和邻道功率测量信道和邻道功率测量 除了完成幅度谱、功率谱等一般的测量功能除了完成幅度谱、功率谱等一般的测量功能外，频谱仪还能够用于对如非线性失真、相位噪外，频谱仪还能够用于对如非线性失真、相位噪声、邻道功率、调制度等频域参数进行测量。声、邻道功率、调制度等频域参数进行测量。相位噪声测量相位噪声是本

17、振短期稳定度的表征，也是频谱纯度的一个重要度量指标。它通常会引起波形在零点处的抖动，在时域中不易辨别，而在频域中表现为载波的边带，所以常在频域内进行测量。 p显示出该信号的频谱，找出信号的中心频率找出信号的中心频率的功率幅度；p适当选择扫频宽度选择扫频宽度，使能显现出所需宽度的两个或一个噪声边带；p分辨带宽的视频带宽宜尽量取小，以减小载波谱线宽度和边带中噪声的高度而又不感到载波谱线有明显晃动；p纵轴采用对数刻度并调参考电平将谱线顶端调到刻度的顶部基线。 相位噪声测量过程（一）p利用可移动的光标读出谱线顶端电平C（dBm）和一个边带中指定偏移频率 fm处噪声的平均高度的电平N（dBm）p求出其差

18、值（N-C）dB；p再加上必要的修正。 相位噪声测量过程（二）p第一个修正项：这里读出的噪声电平N是等效带宽B内通过的总噪声电平；折合成每1Hz带宽应加修正项（-10logB）； p第二个修正项：频谱仪的纵细刻度读数是按测正弦信号校准的，测噪声时频谱仪的峰值检波器和对数放大器将使噪声电压有效值和功率电平读数偏低偏低约2.5dB；应加“频谱仪效应”修正项（2.5dB）； 相位噪声测量过程（三）p相位噪声为：（NC）dB-10lgB2.5 dBcHz相位噪声测量过程（四）几点限制 p此方法不能从相位噪声中排除调幅噪声，故调幅噪声必须小于相位噪声 l0dB以上，才能正确应用；p能测量（C-N）的范围

19、受频谱仪动态范围限制，即频谱仪本振的噪声电平必须比被测信号源的噪声低得多；p测量近载频噪声受频谱仪带宽限制。 此法最适于测量漂移较小但相应噪声相对较高的此法最适于测量漂移较小但相应噪声相对较高的信号源。信号源。 脉冲信号测量 脉冲信号是雷达和数字通信系统中的一类重要信号，它的测量比连续波形困难。如果采用窄分辨带宽进行频谱测量，将呈现出离散的谱线；如果采用较宽的分辨带宽，这些谱线就会连成一片。可见，不同的频谱仪设置可能对同一个脉冲信号的测量结果产生不同影响。脉冲信号测量原理（一）单脉冲的付氏变换具有采样函数的曲线形状：其中为脉冲宽度。频谱的零点发生在1/的整数倍处，频谱幅度与脉冲宽度成正比，即脉

20、冲越宽，能量越大。 2222sin fffV脉冲信号测量原理（二） 脉冲信号V(f)的谐波位于波形基频（即1/T的整数倍）处，波形周期称为脉冲重复频率PRF，有PRF=1/T。谐波的总体形状或包络与单脉冲的付氏变换相同，呈现采样函数特性，并在1/的整数倍处出现频谱包络的零点。TtfV(f)1/T1/2/ 时域中的重复脉冲时域中的重复脉冲 频域中的脉冲串频谱频域中的脉冲串频谱线状谱与包络谱p 当频谱仪的分辨率带宽RBW比脉冲谐波的频率间隔PRF窄时，频谱仪能够区分每一条谐波的谱线，因此将清楚地显示出脉冲波形的线状谱。窄RBW可改善信噪比，显示结果与信号实际频谱非常接近。改变扫描宽度能使被测频谱适

21、当地加宽或变窄，但改变扫描时间不会影响频谱的形状。p 在用户并不过多关心单独谱线的情况下，通过选择较宽的RBW（如大于脉冲谐波的PRF），频谱仪可以显示脉冲波形的包络而不展示谱线的细节，这类频谱叫做包络谱或脉冲谱。 脉冲测量的分辨率滤波器p 获得清晰的脉冲线状谱显示的经验公式： PRFRBW3 . 0 p 获得脉冲包络谱的经验公式： PRFRBW7 . 1 过大的RBW会导致无法分辨包络谱的零点，因此RBW必须保持小于包络谱中的零点间隔，即小于1/。综合起来，在显示包络谱时的RBW设置条件是：大于脉冲重复频率，且远小于1/： /1 . 07 . 1 RBWPRF载噪比的测量（一） p载噪比(C/N)通常用载波功率峰值与平均噪声功率相差的dB数来表示；p测量载噪比也就是测量平均噪声功率与载波功率之间相差的dB数；p噪声功率一般是指1Hz带宽下的测量值，通常是用dBm/Hz或W/Hz为单位来表示。 载噪比的测量（二）