RF_fundamentals 频谱分析基础

1、May 9-11, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential1射频基础知识 2011 销售大学预习资料May 9-11, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential2示波器测量幅度相对于时间的变化Af = 1/ TAmplitudeTime简单例子:正弦波纵轴表示幅度横轴表示时间频率表示单位时间内的周期个数May 9-11, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Con

2、fidential3频谱分析仪测量幅度（功率）相对于频率的变化A/sqrt(2)RMS Amplitude (Power)T = 1/ fFrequency简单例子：正弦波纵轴代表幅度的有效值横轴代表频率频谱分析仪在某一时刻只测量感兴趣的一定范围的频率，其他频率成分滤除掉，从效果上看是特定频率的功率计.May 9-11, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential4同一信号的两种不同观测结果请记住-电子是不知道会被什么仪器测量的 正弦波是最简单的例子May 9-11, 2011Trinity Product Ch

3、ampion Training - Tektronix Confidential5 5稍微复杂一些的例子方波实际是很多正弦波叠加的结果时域观测频域观测May 9-11, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential6timeAmplitude(power)frequency时域:正弦波的叠加频域:一组独立的正弦信号所有所有复杂信号都可以看做是一组正弦波的组合傅里叶分析描述相等的测试7/4/2022RF Fundamentals Training7 7更多例子周期性脉冲波周期性脉冲波调幅信号调幅信号瞬态信号瞬态信号脉

4、冲信号脉冲信号May 9-11, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential8为什么需要在频域分析信号?噪声Noise 所有的有源电路均会产生噪声，这些噪声在多大程度上会影响整个设计? 噪声从哪里来? (EMI) 信噪比测量失真Distortion 在示波器上看到的很干净的正弦波可能包含在时域波形中不易察觉的谐波成分，但在频域很容易看到通信Communications 现代无线通信技术多基于频域 分配频段 通信信道 需要确定占用带宽，调制质量等特性ModulationNoiseDistortionMay 9-11

5、, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential9示波器FFT典型的分析方式是DC到 (1/2采样率) Hz重要的频谱分析概念中心频率和分析范围中心频率和分析范围 Center Frequency and Span频谱分析仪的典型方法是设定一个中心频率CF (因为它在屏幕显示的中心) 通常是载波频率在中心频率两侧可以观测的频率区域称作频率范围SPANSpanCenter FrequencyMay 9-11, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Conf

6、idential10分辨率带宽RBW定义了在频域多小的一个频率可以被分辨出来在分辨率带宽内，所有功率被看做是同一频率成分的功率如果两个载波间的频率差是1KHz，只有分辨率带宽RBW小于1KHz时才能区别出它们重要的频谱分析概念分辨率带宽分辨率带宽(RBW)同一信号的两种显示同一信号的两种显示速度和分辨率带宽的关系 RBW越低(越窄) 计算速度越慢，但频率分辨更细同时底噪更低 RBW越高(越宽)计算速度越快，但频率分辨率变粗底噪更高宽宽 RBW窄窄 RBWMay 9-11, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidentia

7、l1111示波器使用线性坐标,通常是 伏/格频谱分析仪常使用对数坐标，表示为dBx (关于 x后面有更多介绍)什么是dB? dB是两种功率电平间的比例关系表达式 0dB 表示1:1 10dB表示10:1 20dB表示100:1 30dB表示1000:1为什么使用对数坐标代替线性坐标? 使微小信号能够和大信号显示在同一坐标系下 (更高的动态范围) 如果信号在示波器显示中下降3个格，幅度损失30% 如果信号在频谱分析仪上下降3个格 (在 10dB/div), 它损失了99.9%幅度 (信号比原来减小了1,000倍)重要的频谱分析概念对数坐标对数坐标dB = 10 log (P2 / P1) P1

8、和和P2 是功率值是功率值May 9-11, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential1212什么是 dBm?如前所述, dB 表示两种功率值的比值dB之后的字符表示比较的参考标准是什么 dBm 参考标准是一个毫瓦 30dBm = 1W 20dBm = 0.1W 10dBm = 10mW 0dBm = 1mW -10dBm = 0.1mW -20dBm = 10W dBmV 参考的是一个毫伏 dBV 参考的是一个微伏 dBmA参考的是一个毫安 dBA参考的是一个微安 dBW参考的是一个微瓦重要的频谱分析概念dB

9、m, dBc什么是dBc?dBc 还是指两个功率值的比值比较的参考是载波的功率而不是一个固定的数值 30dBc = 载波大小的1000倍 20dBc =载波大小的100倍 10dBc =载波大小的10倍 0dBc =载波大小的1倍 -10dBc =载波大小的10分之一 -20dBc =载波大小的100分之一dBm 是是绝对绝对测量值测量值dBc 是是相对相对测量值测量值7/4/2022RF Fundamentals Training13dB也可以用来计算电压计算功率略有不同13重要的频谱分析概念功率vs电压计算dB = 20 log (V2 / V1)where V1 and V2 are i

10、n VoltsdB = 10 log (P2 / P1)where P1 and P2 are power in WattsdB 变化变化功率变化功率变化电压变化电压变化+20dB100 x10 x+10dB10 x3.2x+6dB4x2x+3dB2x1.4x-3dB0.5x0.7x-6dB0.25x0.5x-10dB0.1x0.3x-20dB0.01x0.1x技术要点技术要点: 功率Power每 3dB的变化代表一倍或一半功率的变化 每10dB的变化代表 10 x倍功率变化 电压Voltage 每6dB的变化代表一倍或一半的电压变化 每20dB 的变化代表10 x 倍电压变化请注意：功率变化

11、时电压变化的平方请注意：功率变化时电压变化的平方 (这就是在电压公这就是在电压公式中前面有式中前面有2倍的原因倍的原因)May 9-11, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential1414示波器规定的带宽是指从DC直流到-3dB点的频率频谱分析仪使用频率范围定义 这个范围之内的频率可以分析 在这个范围内频带是平坦的而不像示波器会滚降 通常从9kHz或100kHz开始到几个GHz 频谱分析仪的前端一般不能像示波器一样接收直流信号重要的频谱分析概念输入信号频率范围输入信号频率范围30%在频率到达在频率到达 -3 d

12、B点点(带宽点）带宽点）时时 ，测量得到的信号幅度有，测量得到的信号幅度有30%的衰减的衰减Frequency10%20%3%Amplitude重要的频谱分析概念参考电平示波器使用 Volts/div 进行控制 用户调节示波器，设定希望观测信号时使用的幅度 示波器调整通道前端衰减/放大倍数到合适的值，使示波器的全屏幕显示（如10div）能够充分利用A/D转换器的有效范围参考电平是频谱分析仪类似的控制功能 告知频谱分析仪信号会有多大 通常通过RF通道的衰减设置控制 与示波器的volts/div控制不同，通常会预留一定的空间(4-6dB) 防止在有多个频点与参考电平到达同样功率是出现的削波 一些频

13、谱分析仪允许参考电平和衰减单独控制 通常以 dBm为单位 还可以使用以下单位：dBmV, dBV, dBmA, dBA, dBW 通常参考电平位于屏幕网格的最上方 可能具有垂直位置控制，在用户需要时在垂直方向上移动7/4/2022RF Fundamentals Training15May 9-11, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential1616动态范围是在测量一个大信号时同时可以观测微弱信号的能力杂散峰值是低幅度信号，用户可能关心也可能不关心SFDR无杂散动态范围很关键，因为它使用户了解看到的杂散峰值是否是

14、真实信号的一部分 简单地说，如果信号上升进入SFDR，它来自与真是信号 SFDR之下的信号可能是实际有的，也可能来自于测试仪器本身为了准确测量信号，由频谱分析仪带来的信号失真必须控制在测量水平之下重要的频谱分析概念无杂散动态范围无杂散动态范围 (SFDR)载波载波Carrier杂散杂散Spurs (实际存在吗实际存在吗l?)什么是什么是SFDR?May 9-11, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential17我们关心两种杂散（Spurs） 输入相关的杂散和残留杂散输入相关的杂散（spurs）是那些由于输入信号和

15、频谱分析仪相互干扰造成的如果输入信号移除，这些杂散消失重要的频谱分析概念无杂散动态范围无杂散动态范围 (SFDR)通常是由于信号与频谱分析仪的信号混频造成的指标给出了2次3次谐波失真和2次3次交调失真残留杂散（spurs）是由仪器和环境带来的在输入信号移除后还会存在通常由内部噪声源如时钟、晶振等， 或者是屏蔽不好带来的外部噪声表示为 Residual ResponseMay 9-11, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential1818DANL表示频谱分析仪有多低的噪声 也被称作底噪 noise floor在没有

16、输入情况下测量单位是 dBm/Hz可视噪声是由RBW分辨率带宽设定值决定的 噪声是宽带信号 缩窄RBW设定会降低显示噪声水平重要的频谱分析概念显示平均噪声电平显示平均噪声电平(DANL)降低RBW = 降低 Noise 每降低10倍RBW同时降低10倍噪声May 9-11, 2011Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential19Modern FFT Based AnalyzersSteppedSpectrumAnalyzer扫频扫频式式频谱频谱分析分析仪仪OscilloscopeAttenuatorInputLow-Pa

17、ssYIGPre-SelectorSweepGeneratorSwept TunedLocalOscillatorResolutionBandwidthFilterEnvelopDetector(SLVA)VideoBandwidthFilterDisplayYXRF Down-ConverterAttenuatorInputLow-PassBand-PassLocalOscillatorIF FilterDigitalFilterDisplayRF Down-ConverterX-YMemoryMicro-ProcessorADCAcquisition BandwidthPost Captu

18、re ProcessingInputDigitalFilterDisplayX-YMemoryMicro-ProcessorADC前端硬件重要的频谱分析概念捕获带宽捕获带宽捕获带宽是仪器一次采集能够获得的频谱范围捕获带宽捕获带宽BW = RBW捕获带宽通常为捕获带宽通常为10 MHz, 最高可以做最高可以做到到140 MHz捕获带宽捕获带宽 BW = 示波器示波器 BW (有有滚降）滚降）7/4/2022RF Fundamentals Training20当测量频率范围大于仪器的捕获带宽时，用户需要看到的频谱不能通过一次捕获得到 例如 100 MHz频率分析范围在一个10 MHz捕获带宽的阶段

19、型捕获频谱分析仪中需要10次独立的捕获过程，之后通过拼接获得全部100MHz的频谱显示这就是为什么传统的频谱分析仪不能很好地处理现代宽带RF信号和瞬态RF事件的原因 当感兴趣的事件发生时，仪器正在捕获其他的频段重要的频谱分析指标捕获带宽为什么捕获带宽很重要为什么捕获带宽很重要?复习测试1 频谱分析仪主要显示 A 幅度vs时间 B 频率vs时间 C 幅度vs频率 D 以上都不是 2 下面的叙述正确的是？ A 所有复杂的信号可以看成是一组正弦波的组合 B 方波实际是很多正弦波叠加的结果 C 一个时域上的脉冲信号在频域是有全部频率组成的 D 以上都是 3 下面的叙述错误的是？ A 在扫频式频谱仪中，

20、捕获带宽=分辨率带宽 B 步进式频谱仪通常捕获带宽为1GHz或更高 C 捕获带宽是一次采集可以获得的频谱范围 D 现代的射频应用需要越来越宽的捕获带宽 00/00/2007 (Edit in View Header and Footer)Presentation Title (Edit in View Header and Footer)21复习测试4 下面的叙述不不正确的是？ A RBW决定了在频域中多小频率的信号可以分辨出来 B 更小（更窄或更低）的RBW，频谱仪工作更快但频率分辨率更低 C 在RBW之内的所有频率分量看上去只有一个频率 D 更大（更宽或更高）的RBW有更高的噪声电平 5 下面的叙述正确的是？ A dBm是绝对测量值而dBc是相对值 B dBm和dBc都是绝对值 C dBm和dBc都是相对值 D dBm是相对测量值而dBc是绝对值 00/00/2007 (Edit in Vi