第6章 信号分析和频域测量

1、现代电子测量现代电子测量第1页现代电子测量现代电子测量第2页现代电子测量现代电子测量第3页 nnjjenfeF )( deeFnfnjj)(21现代电子测量现代电子测量第4页时域时域周期周期非周期非周期连续连续离散离散频域频域周期周期非周期非周期连续连续离散离散付付氏氏变变换换现代电子测量现代电子测量第5页现代电子测量现代电子测量第6页现代电子测量现代电子测量第7页现代电子测量现代电子测量第8页现代电子测量现代电子测量第9页前置前置放大器放大器窄带滤波器窄带滤波器窄带滤波器窄带滤波器窄带滤波器窄带滤波器窄带滤波器窄带滤波器门门门门门门门门脉冲分配器脉冲分配器脉冲脉冲发生器发生器阶梯波阶梯波发生

2、器发生器X放大放大Y放大放大ux检波检波现代电子测量现代电子测量第10页视频视频检波器检波器X放大放大Y放大放大ux 电调谐电调谐滤波器滤波器锯齿波锯齿波发生器发生器现代电子测量现代电子测量第11页X放大放大Y放大放大检波检波扫描信号扫描信号发生器发生器fxLOfLIF 滤波滤波现代电子测量现代电子测量第12页uxA/D数数据据缓缓存存数数字字滤滤波波器器数数字字检检波波平平均均显显示示时时基基地地址址控控制制现代电子测量现代电子测量第13页3dB带宽带宽(半功率带宽半功率带宽) ) 分辨率带宽（分辨率带宽（RBW）反映滤波器）反映滤波器区分两个相同幅度、不同频率的区分两个相同幅度、不同频率的

3、信号的能力信号的能力实实际际滤滤波波器器理理想想滤滤波波器器3dB点点3dB带带宽宽A20fA20f10.707f0f2f1RBWRBWRBW现代电子测量现代电子测量第14页dBff1f23dB60dB0204060B3dBB40dBB60dB3dBf0dBf反映区分两个不等幅信号反映区分两个不等幅信号的能力，也称带宽选择性的能力，也称带宽选择性波形因子定义：波形因子定义： dBdBBBSF3603/60/ 也可用也可用40dB带宽与带宽与3dB带宽之带宽之比表示。比表示。波形因子较小的滤波波形因子较小的滤波器的特性曲线更接近于矩形，器的特性曲线更接近于矩形，故波形因子也称故波形因子也称矩形系

4、数矩形系数现代电子测量现代电子测量第15页 等绝对带宽或等信息量带宽：等绝对带宽或等信息量带宽：线性频率刻度下对称线性频率刻度下对称0dB对数频率对数频率-10dB-20dB-30dB-40dB-50dB0.2f00.5f0f02f05f0倍频程倍频程选择性选择性1倍频程倍频程 1倍频程倍频程恒百分比带宽恒百分比带宽: :绝对带宽绝对带宽B与与中心频率中心频率f0的比值（即相对带的比值（即相对带宽）是常数宽）是常数。对数刻度下频率对数刻度下频率特性对称。常用特性对称。常用“倍频程选择倍频程选择性性”表示远离中心频率一倍频表示远离中心频率一倍频率处（率处（0.5f0和和2f0）的滤波器衰）的滤波

5、器衰减量。减量。现代电子测量现代电子测量第16页u 基本思想基本思想超外差式收音机超外差式收音机 无线电接收机中普遍使用的自动调谐方式无线电接收机中普遍使用的自动调谐方式改变扫频本振频率来捕获待测信号不同频率分量改变扫频本振频率来捕获待测信号不同频率分量fifxfxfL= fI+fxfxfIfi现代电子测量现代电子测量第17页n实施频谱分析的传统途径，在高频段占据优势。实施频谱分析的传统途径，在高频段占据优势。视频视频滤波滤波X放大放大Y放大放大fx检波检波扫描信号扫描信号发生器发生器LOfLIF滤波滤波中频信号处理中频信号处理输入输入电路电路现代电子测量现代电子测量第18页相当于宽频段、窄带

6、宽的外差式自动选频接收机。相当于宽频段、窄带宽的外差式自动选频接收机。前端。前端。u 输入衰减：输入衰减：避免电平过高引起失真，阻抗匹配。避免电平过高引起失真，阻抗匹配。u 低噪声放大：低噪声放大：从电平上保证获得较佳混频效果。从电平上保证获得较佳混频效果。u 低通滤波：低通滤波：滤除分析范围以外的频率分量。滤除分析范围以外的频率分量。u 混频：混频：频率变换频率变换现代电子测量现代电子测量第19页如果输入频率的范围如果输入频率的范围大于大于2fI，将与镜频，将与镜频在本振处交叠。通在本振处交叠。通常的频谱仪输入频常的频谱仪输入频率非常宽，一般的率非常宽，一般的抑制镜频滤波器难抑制镜频滤波器难

7、以实现调谐。解决以实现调谐。解决办法是选择办法是选择高中频高中频，本振频率相应提高。本振频率相应提高。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现代电子测量现代电子测量第20页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镜频范围远在输入频率范围之上，两者不会交叠；中频频率镜频范围远在输入频率范围之上，两者不会交叠；中频频率越高，镜频距本振越远，可避免因交叠而带来的滤波器实现越高，镜频距本振越

8、远，可避免因交叠而带来的滤波器实现问题。用固定调谐的低通滤波器滤去镜频。问题。用固定调谐的低通滤波器滤去镜频。现代电子测量现代电子测量第21页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。多级变频（混频）处理。第一混频实现高中频频率变换，再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。由第二、三级甚至第四级混频将固定的中频逐渐降低。每级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。混频之后有相应的带通滤波器抑制高次谐波交调分量。低低通通滤滤波波带带通通滤滤波波带带通通滤滤波波射

9、射频频输输入入100KHz3GHz第第一一本本振振4GHz6.9GHz3.9GHz第第二二本本振振第第三三本本振振3.56GHz340MHz329.3MHz10.7MHz固定中频？固定中频？现代电子测量现代电子测量第22页现代电子测量现代电子测量第23页 用于对显示结果进行平滑或平均，以减小噪声影响。用于对显示结果进行平滑或平均，以减小噪声影响。u 基本原理基本原理：实质是低通滤波器，当：实质是低通滤波器，当视频视频滤波器截止频率小滤波器截止频率小于分辨率带宽时，视频系统跟不上中频信号包络的快速变化，于分辨率带宽时，视频系统跟不上中频信号包络的快速变化，而使信号的起伏被而使信号的起伏被“平滑平

10、滑”掉。掉。u 应用应用：噪声测量。特别是：噪声测量。特别是RBW较大时，减小较大时，减小VBW将削弱将削弱噪声峰峰值的变化，当噪声峰峰值的变化，当VBW/RBW 0.01 时，效果明显。时，效果明显。 频谱仪进行一次扫描所得的频谱图的迹线即频谱仪进行一次扫描所得的频谱图的迹线即“踪迹踪迹”（TraceTrace）、）、“扫迹扫迹”、“轨迹轨迹”、“轨迹线轨迹线”。u 标记标记（MarkerMarker）：最大）：最大/ /最小值、相对幅度或频率，有助最小值、相对幅度或频率，有助于改善相对测量精度、减小读数误差。于改善相对测量精度、减小读数误差。u 踪迹平均处理踪迹平均处理：对同一输入信号多次

11、扫描所得的踪迹进：对同一输入信号多次扫描所得的踪迹进行的平均。行的平均。线性加权踪迹平均、指数加权踪迹平均线性加权踪迹平均、指数加权踪迹平均现代电子测量现代电子测量第24页VBWRBWVBWRBW：STST与与VBWVBW成线性反比。成线性反比。)( 2VBWRBWRBWSpanKST 现代电子测量现代电子测量第25页现代电子测量现代电子测量第26页频率指标频率指标幅度指标幅度指标现代电子测量现代电子测量第27页中频滤波器的中频滤波器的3dB带宽决定了可区分的两个等幅信号的最小带宽决定了可区分的两个等幅信号的最小频率间隔。如果区分不等幅信号，分辨率就与滤波器的形状频率间隔。如果区分不等幅信号，

12、分辨率就与滤波器的形状因子有关。因子有关。现代电子测量现代电子测量第28页 CHzBRBWNSpanASpanffrefx%1% 相噪，频率短稳指标。表现为载波边带，也称边带噪声。相噪，频率短稳指标。表现为载波边带，也称边带噪声。通常用在源频率的某一频偏上相对于载波幅度下降的通常用在源频率的某一频偏上相对于载波幅度下降的dBcdBc数值数值表示，如在表示，如在9KHz9KHz频偏处频偏处90dBc90dBc。 相噪由本振频率或相位不稳定引起。相噪由本振频率或相位不稳定引起。有效设置频谱仪参数有效设置频谱仪参数可使相噪达到最小（可使相噪达到最小（RBWRBW减小，相噪降低）减小，相噪降低），但无

13、法消除，但无法消除。相。相噪也是影响谱仪分辨不等幅信号的因素之一。噪也是影响谱仪分辨不等幅信号的因素之一。现代电子测量现代电子测量第29页现代电子测量现代电子测量第30页实际混频器会产生本振和射频信号。当本振频率与中频的中心频率相同或非常接近时，这个对应于零频（直流）输入的本振信号将通过中频滤波器，即本振馈通。现代电子测量现代电子测量第31页RF输输入入LOfLADCDDCFFT处处理理显显示示LPF中中频频预预处处理理现代电子测量现代电子测量第32页模模拟拟滤滤波波取取样样电电路路ADCsfFFT数数字字信信号号处处理理器器数数字字滤滤波波数数字字正正弦弦波波fLfHf（ a）0fLfH-f

14、Lff（ b）（ c ）00现代电子测量现代电子测量第33页现代电子测量现代电子测量第34页现代电子测量现代电子测量第35页现代电子测量现代电子测量第36页)()()()()()(11qXWpXqXqXWpXpXmkNmmmkNmm 基基2的的N点点FFT计算步骤计算步骤将输入数据做位倒序将输入数据做位倒序进行蝶形运算进行蝶形运算计算计算xn的频谱：的频谱： 由频谱求平方得功率谱由频谱求平方得功率谱 10)(NnnkNWnxkX现代电子测量现代电子测量第37页现代电子测量现代电子测量第38页除了完成幅度谱、功率谱等一般的测量功能外，频谱仪还能除了完成幅度谱、功率谱等一般的测量功能外，频谱仪还能

15、够用于对如相位噪声、邻道功率、非线性失真、调制度等频够用于对如相位噪声、邻道功率、非线性失真、调制度等频域参数进行测量。域参数进行测量。现代电子测量现代电子测量第39页AAPNACfTfoff1Hzf本本 振振 信信 号号现代电子测量现代电子测量第40页现代电子测量现代电子测量第41页 2222sin fffV tTnTnTnTTtxn 2cossin21 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现代电子测量现代电子测量第42页现代电子测量现代电子测量第43页现代电子测量现代电子测量第44页现代电子测量现代电子测量第45页ninnin

16、ininoutVkVkVkVkkV 332210其中其中k0：系统输出直流分量；：系统输出直流分量；k1：电路增益；：电路增益；k2及以及以上的其余系数：电路的非线性特性。上的其余系数：电路的非线性特性。如果电路是完如果电路是完全线性的，则除全线性的，则除k1之外的所有系数均应为之外的所有系数均应为0。 由于对渐变形式的非线性，由于对渐变形式的非线性，kn的大小随的大小随n增大而增大而迅速变小，只有二次、三次效应起决定作用。故可迅速变小，只有二次、三次效应起决定作用。故可忽略上式中忽略上式中k3以后的各项，因而得到以后的各项，因而得到简化失真模型简化失真模型： 332210inininoutV

17、kVkVkkV 现代电子测量现代电子测量第46页 tAktAktAkAkAkkttAktAktAkkVout 3cos412cos21cos4321 3cos41cos432cos121cos3322331220332210 现代电子测量现代电子测量第47页 dBdBAAAAA3log203A20log , 2log202log2032 现代电子测量现代电子测量第48页 ttcttcttcttcttcttctctctctctctccVout12121211211021921821726152413221102cos2cos 2cos 2coscoscos 3cos3cos2cos2coscos

18、cos 现代电子测量现代电子测量第49页失真度失真度D0以百分比（）或分贝以百分比（）或分贝（dB）为单位，亦称失真系数。）为单位，亦称失真系数。 %1001220 uuDMmm其中其中u1、u2、um分别表示基频及其各次谐波分别表示基频及其各次谐波的均方根值。的均方根值。现代电子测量现代电子测量第50页现代电子测量现代电子测量第51页%1001222 MmmMmmuuD 按照近似式测量失真度，所得的是谐波电压总按照近似式测量失真度，所得的是谐波电压总有效值与被测信号总有效值之比。近似的条件：有效值与被测信号总有效值之比。近似的条件：当当失真度小于失真度小于9时，可用近似失真度测量值时，可用近

19、似失真度测量值D代替定代替定义值义值D0，否则需对，否则需对D值进行换算或修正值进行换算或修正。换算公式。换算公式为：为： 201DDD 现代电子测量现代电子测量第52页输输入入衰衰减减基基波波抑抑制制网网 络络有有效效值值电电压压表表12S单单音音输输入入现代电子测量现代电子测量第53页1. 开关开关S先打到先打到1处，处，测出被测信号的电压总有效值测出被测信号的电压总有效值。适当调节输入电平使电压表指示为某一规定的基适当调节输入电平使电压表指示为某一规定的基准电平值，该值完全对应于失真度大小，也就是准电平值，该值完全对应于失真度大小，也就是使近似式中的分母为使近似式中的分母为1这个过程称为

20、这个过程称为“校校准准”；2. 开关打到开关打到2处，调整基波抑制网络使电压表指示处，调整基波抑制网络使电压表指示最小，表明此时电路对基波的衰减量最大。由于最小，表明此时电路对基波的衰减量最大。由于基波已被抑制，此时基波已被抑制，此时测出的是被测信号的谐波电测出的是被测信号的谐波电压总有效值压总有效值。由于电压表已经过校准，故当前指。由于电压表已经过校准，故当前指示值就是示值就是D值。值。现代电子测量现代电子测量第54页白白噪噪声声发发生生器器带带阻阻滤滤波波器器被被测测电电路路选选频频电电压压表表f0f0UoutUNf0现代电子测量现代电子测量第55页%100 UUDout其中，其中，Uout为选频电压表在频率为选频电压表在频率f0处的读数，处的读数，U为同为同一带宽下其他频率处的电压表读数。一带宽下其他频率处的电压表读数。 现代电子测量现代电子测量第56页显显示示调调谐谐陷陷波波滤滤波波器器现代电子测量现代电子测量第57页 MmNmMmNmuuuuND122222现代电子测量现代电子测量第58页现代电子测量现代电子测量第59页现代电子测量现代电子测量第60页现代电子测量现代电子测量第61页现代电子测量现