频谱分析仪讲稿ppt课件

1、频谱分析仪主要内容引见频谱分析仪内部构造及任务原理引见频谱分析仪主要参数的设置论述频谱分析仪的主要丈量运用简述本卷须知8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz要到达的学习目的了解频谱分析仪构造原理熟练运用频谱分析仪合理设置频谱分析仪主要参数降低测试误差频域和时域的概念 时域：是信号在时间轴上显示的波形 频域：是在频率轴上显示信号所包含的频率tufu频域和时域傅立叶变换原理通知我们：任何时域内电信号都是由一个或多个不同频率、不同幅度和不同相位的正弦波或余弦波组成的，但运用示波器无法察看到频域内信息，只能在时域内察看到信号波形；运用频谱分析仪在频域丈量，就能显

2、示出信号所包含的一切正弦波或余弦波的频率分量；幅度(功率)频率时域丈量频域丈量时间tU时域f03f0f频域上图是信号在时域和频域内察看的结果，由此可以清楚看出信号在时域得到的是信号的波形信息，不能分析频率分量。假设存在干扰或谐波失真信号，在时域上无法区分。在频域上可以准确地丈量有用信号和无用信号的各种参数。这就是频域察看的必要性。频域察看的必要性2 频谱分析仪构造及原理频谱分析仪的类型1. 谱分析仪主要有超外差式频谱分析仪2. 快速傅立叶变换FFT频谱分析仪： 被分析的信号经过模数转换器采样，变成离散信号，采样值被保管在一个存储器中，经过离散FFT变换计算，计算出信号的频谱。FFT分析仪仅适宜

3、丈量低频信号。超外差频谱分析仪 这种频谱分析仪，首先输入信号与延续扫频本振进展混频，再与固定本振混频变到中频21.4MHz，经过可变增益放大器中频滤波器，再经一个可变增益放大器或对数放大器经过检波视频滤波显示在显示屏上的频率轴上。超外差频谱分析仪内部构造如以下图滤波器频率基准对数放大器RF 输入衰减器混频器IF 滤波器包络检波器视频滤波器本地振荡器扫频发生器IF 增益输入显示IF 增益t/f输入信号与本振混频经中频滤波显示在屏幕上f2f1f3finfloIF=flo-finIFt1/f1t2/f2t3/f3混频滤波ff屏幕显示检波t1t2t3f1f2f3(f1、f2, f3)(f1, f2、

4、f3)(f1, f2、 f3)L1L2L31射频输入部分前端 在电信领域中运用的丈量仪器的输入要求一样，频谱分析仪通常采用的输入阻抗50欧姆。为了能在输入阻抗的系统中运用，如有线电视、广播系统中，比输入阻抗运用更为广泛，在这样的系统中用频谱分析仪进展测试时，通常 需求一个的阻抗变换器，否那么，会由于不匹配呵斥的丈量误差。 实现转换最简单的方法是串一个的阻抗。虽然后者的插入损耗低大约1.8dB，但只是输入的匹配，而输出到频谱仪的射频衔接却处于失配，如图9.14a所示。频谱仪的输入阻抗偏离了，由于多径反射会呵斥丈量误差。为此，建议运用两端都匹配的衰减器如或衰减器，如图9.14b所示，在这种情况下，

5、会呵斥高的插入损耗。匹配2低通滤波器低通滤波器的主要作用是抑制镜像频率。LORFIF镜像为了保证接纳有用信号的质量，需在射频混频器前参与滤波器来抑制镜像频率。信号带宽窄采用低中频方式比较容易处置。见以下图： 本振混频低通衰减带通混频：信号镜像中频低通fI本振finminfimminfLmin低中频方式：fIfIfLfimfinfIfIfIfIfIfIfLfinfim当输入信号频带很宽时，采用低中频混频方式，镜像与信号重叠。低通滤波器不能将镜像噪声滤除，中频将叠加镜像噪声。处理这个问题的方法是采用比信号高的中频方案。见下页：低中频方式不能抑制镜像采用高中频方式将信号与镜像分开输入信号本振镜像中频

6、fIfin minfin maxfLminfLmaxfimminfIfIfIfI高中频方式可以抑制镜像3衰减器衰减器主要有三个作用1. 维护频谱仪不受损坏：丈量高电平信号时，为了不烧坏频谱分析仪，必需对信号进展衰减；2. 提高测试的准确性：混频器是非线性器件，当混频器输入信号电平较高时，输出信号电平超越混频器1dB紧缩点电平，使无互调范围减小，输出会产生三阶五阶互调调和波失真。测试结果会不准确。3. 提高频谱仪动态范围：经过设置步进衰减器调理进入混频器的电平，可以得到较大的动态范围3混频器混频器的作用就是将输入高频信号转换成中频信号，由于混频器是非线性器件，输出会有很多频率成分 ： 但我们需求

7、的是混频方式有两种：本振的基波混频调和波混频，基波混频是输入信号与本振基波混频，而谐波混频是信号与本振信号的谐波混频。谐波混频会呵斥相对高的转换损耗。混频器对输入RF小信号而言是线性网络，当输入信号幅度逐渐增大时，就存在着非线性失真问题，所以输入信号的幅值应低于频谱分析仪混频器的1dB紧缩点。RFLOIF上变频是一个非线性过程。变频器的输入/输出特性可以用台劳级数来描画： V0t=a0+a1x+a2x2+a3x3+。 1假设本振u1=Um1cos1t, 信号u2=Um2cos 2t 将x=Um1cos1t, +Um2cos 2t代入式1, 那么可以求得V0t中的各频率分量表达式： o=|p1q

8、2| p、q=0, 1, 2, (2)式2阐明, 输出信号包含基波、谐波、基波谐波的各种不同组合。为了简单阐明问题，如今我们只单独来看1式中的x2项。将x=Um1cos1t, +Um2cos 2t代入x2就得到： Um1cos1t, +Um2cos 2t2 =Um1cos1t2+ 2 Um1cos1t Um2cos 2t+ Um2cos 2t2。3 Um1cos1t Um2cos 2t=1/2Um1Um2cos1t2tcos1t-2t。混频器4增益可变中频放大器输入信号经过了前置衰减器，混频器电平降低，为了恢复信号幅值，在混频后对中频信号进展放大。在放大有用信号的同时，噪声和干扰信号也被同时放

9、大与RF衰减器捆绑在一同5中频滤波器中频信号经放大后，然后经过中频滤波器，中频滤波器是一个带通滤波器，它选出需求的混频分量，抑制掉其他不需求的信号。中频滤波器的带宽决议了频谱分析仪的RBW范围根据频谱分析仪类型不同，中频滤波器有模拟滤波器、数字滤波器和FFT滤波器 滤波器的带宽通常为3MHz、1MHz、300KHz、 100KHz、 30KHz、 10KHz、3KHz、 1KHz、300Hz、100Hz、10Hz、1Hz分辨率带宽RBW越窄接近的两个信号区分越清楚RBW6 模拟滤波器模拟滤波器用来实现大的分辨率带宽。普通频谱仪为4级滤波电路，也有5级滤波电路产品，这样可分别得到14和10的波形

10、因子，然而理想的高斯滤波器的波形因子为4.6波形因子即带宽选择性，简称选择性。在实践丈量中，经常会遇到这种情形，两个频率接近的信号幅度不等，大信号构成的呼应曲线掩盖了小信号，使小信号丧失，所以很多公司产品提供了滤波器3dB带宽，表示等幅正弦信号频率相差多少时仍能将它们区分开，这样的合成呼应曲线仍有两个峰 值，中间下沉大约3dB,如以下图所示有些频谱分析仪的带宽选择性定义为60dB与3dB带宽之比，如以下图，也有的频谱分析仪的选择性用60dB和6dB带宽之比表示3 dB60 dB60 dB BW3 dB BW3 dB BW 选择性 =7滤波器矩形系数两等幅信号的测试3 dB10 kHz10 kH

11、z RBW3dB60dBRBW=1KRBW=10K8数字中频滤波器经过数字滤波器可以获得很窄的带宽。和模拟滤波器相比，理想的高斯滤波器可以实现。数字滤波器在可接受的价钱内有更好的选择性。如5级电路模拟滤波器的波形因子为10，高斯滤波器为4.6。另外，数字滤波器有更好的温度稳定性，无需调整，所以在带宽上更加准确由于数字滤波器的瞬态相应曾经确定，运用适宜的修正系数可使数字滤波器获得比模拟滤波器在一样带宽的情况下更短的扫描时间典型选择性 模拟 15:1 数字 5:1模拟滤波器数字滤波器9FFT滤波器 假设单纯为了测试精度而设置非常窄的分辨率带宽，那么会呵斥无法容忍的长时间扫描，因此在非常高的分辨率的

12、情况下建议采用FFT滤波器，从时域特性计算频谱，见以下图。当采用FFT滤波器时，频率非常高的信号不能经过A/D直接采样，须经过与本振混频变为中频并在时域对带通讯号取样X(t)A/DRAMFFT10对数放大器检波器之前有一个对数放大器，对数放大器按照对数函数来紧缩信号电平对于输入电压幅度v,输出电压幅度为logv，这大大减小了由检波器所检测的信号电平变化，而同时向用户提供校准成用分贝读数的对数垂直刻度，在频谱分析仪中，由于信号电平大幅度变化，故需求采用对数刻度 对数放大器11检波器频谱分析仪普通都是用包络检波器把IF信号变换成视频。包络检波器最简单的方式是一个二极管后面接一个并联的RC电路，如以

13、下图峰值检波器由二极管和RC电路组成，其输出要跟随IF信号的包络而变化，它必然也具有一定的呼应时间，这就是检波器的时间常数。时间常数太大，检波器就不能及时跟上包络变化的速度；扫描速度的快慢也会对检波器输出产生影响，扫描太快，检波器电路来不及呼应，其输出幅度也就反映不出包络的变化检波方式不同的检波方式在显示屏上会有不同的数据处置，频谱分析仪主要有以下检波方式：最大峰值检波最小峰值检波取样检波RMS检波器平均值检波 最大峰值检波取样检波最小峰值检波12视频滤波器视频滤波器在包络检波器之后，视频滤波器决议了视频带宽，视频滤波器是第一级低通设置，用于从视频信号中滤除噪声，平滑轨迹，从而使显示结果稳定。

14、和分辨率带宽类似，视频带宽也会限制最大允许扫描速度，要到达最小的扫描时间需求增大视频带宽S/N比较低时，可以经过减小VBW来稳定显示，弱信号会在频谱中突现出来并且稳定可再现。在丈量正弦波信号时，减小VBW，对电平无影响未经视频滤波经过视频滤波13锯齿波发生器、本振和显示锯齿波发生器既控制显示器上X轴扫描位置，又控制LO的频率，所以就可以经过校准，用显示器的程度轴来表示输入信号频率任何振荡器都不是绝对稳定的，而是在一定程度上被随机噪腔调频或调相的。LO的不稳定性会直接影响由LO和输入信号混频后的中频，因此，LO的相位噪腔调制边带也会在显示器上任何谱分量的两边出现，LO越稳定，相位噪声越低YIG振

15、荡器经常被用作本振，也由一些频谱仪采用压控振荡器作为本振，其调理范围较小，但较YIG调整起来更快；为了添加频谱仪的频率精度，本振信号可以是合成信号，也就是说，本振经锁相环锁定在参考信号上。参考信号通常由一个温控晶振产生，为了添加频率精度与长期的稳定性，大多数频谱仪广泛采用恒温控制晶振显示屏X轴扫描Y轴信号频谱分析仪性能目的频谱分析仪有以下主要性能目的：滤波器特性相位噪声接纳机的固有噪声系统非线性1dB紧缩点动态范围丈量精度下面就这些目的分别讨论1分辩滤波器特性中频滤波器需求矩形滤波器，但对频谱分析仪而言，矩形滤波器的瞬态呼应是不适宜的。由于这样的滤波器与较长的瞬态呼应时间，输入信号的频谱应经过

16、非常缓慢的本振调谐变到中频仪防止幅度误差。运用优化瞬态呼应的高斯滤波器可以获得较短的测试时间滤波器的特性常以波形系数来定义：SFBW60dB/BW(3dB)失真产物2相位噪声相位噪声是振荡器短时间稳定度的度量参数,虽然我们看不到频谱分析仪LO系统的实践频率抖动，但LO频率或相位不稳定的表现是可以察看到的，这就是相位噪声相位噪声通常是以一个单载波的幅度为参考，并偏移一定的频率下的单边带相位噪声。这个数值是指在1Hz带宽下的相对噪声电平，故其单位为dBc(1Hz)或 dBc/Hz,c表示载波，由于相位噪声电平比载波电平低，所以定义为负值相位噪声主要影响频谱分析仪的分辨率和动态范围噪声边带3分析仪的

17、固有噪声固有噪声可以了解为频谱分析仪的热噪声。固有噪声会导致输入信号信噪比的恶化。所以固有噪声是频谱分析仪灵敏度的度量目的，决议了频谱分析仪的最小可检测电平目的中的显示噪声平均电平必需对应相应的分辨率带宽和衰减器设置，由于这两个目的对显示的噪声电平都有影响。典型情况下是设置衰减器为0dB和最小分辨率带宽RF衰减器设置和RBW对设置对显示噪声本底影响见以下图减小带宽 = 降低噪声10 dB10 kHz RBW1 kHz RBW10 dB100 kHz RBW4IF滤波器带宽对噪声电平的影响10 dB信号电平5RF输入衰减对噪声电平的影响10dB衰减20dB衰减6接纳机的非线性特性由于频谱分析仪中

18、含有半导体器件，所以存在非线性。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必需的性能参量，对于单正弦波信号输入的情况，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波信号的情况，除了产生谐波之外，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线性主要由混频器和中频放大器决议，而输入射频衰减器实践上对线性是没有影响的。假设由射频衰减器改动混频器的输入电平，频谱仪产生的互调产物电平将依其阶数变化，而DUT产生的互调产物电平坚持不变。所以调理衰减器可以判别频谱仪显示的互调产物的来源：假设添加RF衰减，而谐波和互调产物的相对电平坚持不变，阐明失真

19、来自DUT，丈量结果正确；假设谐波和互调产物的相对电平有变化，那么阐明有部分失真来自频谱分析仪内部，丈量结果不正确频谱仪常用截止点T.O.I和1dB紧缩点来表征分析仪的非线性特性0dB-20dB-40dB-60dB-80dB-100dB-60dB-30dB0dB二次谐波三阶互调混频器二次谐波和三阶互调-20dB-40dB-60dB-80dB-100dB-60dB-30dB0dB-0dBRBW=100Hz显示噪声RBW=1K显示噪声信噪比示图-20dB-40dB二次谐波-60dB三阶互调-80dBRBW=1K显示噪声-100dB-60dB-30dB0dB混频器最正确任务区混频器最正确任务区7动态

20、范围动态范围是频谱分析仪同时处置不同电平信号的才干。动态范围的限值依赖于实践所要进展的丈量，动态范围下限是由自然噪声或相位噪声决议的，动态范围的上限是由1dB紧缩点或由频谱仪过载而呵斥的失真决议的最大动态范围通常是在最小分辨率带宽情况下，显示的噪声做为下限，1dB紧缩点作为上限。假设到达第一级混频器的输入电平高出1dB紧缩点，那么将产生混频器的非线性失真，运用较小的RBW时，失真产物就会明显地显示出来他们不会被噪声淹没，此时的频谱丈量就不能明确反映被测设备的真实频谱 频谱分析仪动态范围频谱分析仪的动态范围目的是表征频谱仪同时丈量大小信号的才干，用最大信号与最小信号之比的dB值表示。1混频器的内

21、部失真-限制了最大信号电平2内部噪声电平-限制了最小信号电平3本振相位噪声-限制了丈量近端微弱信号的才干 根据上述分析，频谱仪在运用时要留意上述影响要素，以获得较大的动态范围。通常，频谱分析仪的动态范围为70-120dBc。8丈量精度频谱仪丈量精度分为频率测试精度和幅度丈量精度频率精度：频谱仪的本振经过锁相环同步到一个稳定的参考振荡器上，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。参考源通常采用温度补偿晶体振荡器和箱控晶体振荡器，产生的参考频率收到环境温度和操作期间老化的影响幅度丈量精度：其误差来源主要有频率呼应，衰减器误差，中频增益误差，线性误差，带宽切换误

22、差和失配误差SpecificationsAccuracy: Frequency Readout Accuracy ExampleSingle Marker Example:2 GHz400 kHz span3 kHz RBWCalculation: (2x10 9 Hz) x (1.3x10 - 7 /yr.ref.error) =260 Hz1% of 400 kHz span=4000 Hz15% of 3 kHz RBW=450 Hz10 Hz residual error=10 HzTotal = 4720 HzAccuracy: Relative Amplitude Accuracy

23、 - Freq. ResponseSpecification: 1 dB Signals in the Same Harmonic Band频谱分析仪灵敏度 灵敏度是表示接纳微弱信号的才干，而限制接纳机灵敏度提高的主要要素是内部噪声电平。频谱仪在不加任何信号时也会显示噪声电平，这个平均噪声电平DANLDisplayed Average Noise Level通常称为本底噪声Noise Floor。本底噪声在频谱图中表现为接近显示器底部噪声基线。因此，被测信号小于本底噪声那么测不出来。 本底噪声是频谱仪本身产生的噪声，其大部分来自中频放大器第一级前的器件与电路的热噪声，且是宽带白噪声。常用的频谱

24、仪的灵敏度，普通数量级为100-150dBm。频谱分析仪灵敏度本振信号中频相位噪声镜像fIfIfI9Sweep time频谱分析仪的扫描时间是扫描一次整个频率量程并完成丈量所需求的时间，也称分析时间，我们普通都希望丈量速度越快越好，因此希望扫描时间越短越好，和扫描时间有关联的主要有：span、RBW和VBW，而且检波器的时间常数对扫描时间也有影响当VBW小于或等于RBW时，STkspan/RBW/VBW，K为滤波器比例系数，扫描范围越大，扫描时间越长。RBW越小，精度提高，但每次扫描的带宽变窄，总的扫描时间会添加，VBW也同理。假设检波器时间常数太大，检波器就不能及时地跟上包络变化的速度，测试

25、时间也必需添加以下图是扫描时间太短的结果表示图：频率升高，幅值下降PHS频谱测试时sweep time设为4s，也可设置Auto扫频过快10Display由于在视频滤波前的对数放大器，有紧缩特性，所以在丈量范围内，幅值越大，准确度越高，所以在显示器的7090范围内丈量最适宜，测试时被测频谱置于频谱分析仪显示屏的7090范围内709011detector mode频谱分析仪普通都以正峰值作为其主要检波方式，而把采样方式作为辅助检波方式。建议在测试杂散时采用正峰值检波方式，即peak方式，由于不论分辩带宽和视频带宽之比是多少，都不会丧失有用信号和杂散的信息。假设采用其他方式检波，假设仪器其他参数设

26、置不合理，就会丧失有用信息.借助限值线评价踪迹图测试实例射频的空间丈量 在挪动通讯系统中，经常用频谱分析仪丈量空间传输的信号电平，尤其在网络优化系统工程里，用频谱分析仪来丈量空间的电场分布，也就是用频谱分析仪丈量空间的传输的信号电平功率。Ptwrm9.4.3 调制信号丈量1绝对电平dBm的丈量 当被测信号电平不太大时，即小于20 dBm，可将被测的信号电平功率直接输入到频谱分析仪，进展直接丈量它的电平功率。假设，被测信号功率比较大时，频谱分析仪输入端接入一个较大功率的衰减器，被测信号是经过衰减器后输入的频谱仪的输入端。 丈量信号电平放大器信号源衰减器频率丈量放大器信号源中、高档频谱仪具有Cou

27、nter功能，频率丈量精度较高。衰减器信号、杂波、谐波的丈量放大器信号源杂波谐波 调制信号丈量 1调幅信号的丈量式中， 称为调幅系数，它的大小反映了调幅的深度。 由式9.29阐明，单音调制的已调幅信号包含有三个频率分量，其中一个是载波，另外两个对称地分布在载波两侧，分别称为上下边带分量。边带分量的幅度正好是调制信号幅度的一半， 调幅信号的测试方法，通常有频谱仪直接丈量法扫频法、时域法和FFT频域法等测试方法。频谱分析仪直接丈量调幅信号扫频法 图9.36 已调幅信号的频谱图例如， ，那么调制频率 ，调幅度 时域方法测试调幅信号 利用频谱仪测试调幅信号的直接丈量法，不适于调制频率低于频谱分析仪的分

28、辨带宽。在这种情况下，可采用所谓时域丈量方法，该法是将频谱仪的分辨带宽增大到调制频率的两倍以上，并把扫频宽度SPAN减到零零跨度，把中心频率调到被测调幅信号的载频，此时频谱仪本质上是一台调幅接纳机，故显示屏上显示的图象，即是被测调幅信号检波后的包络，如图9.37所示。测出包络的峰值和谷值，那么可求调幅系数为时域方法测试调幅信号事例计算调频信号的丈量一个已调频信号电压可用下式表示：其中， 称为调频系数，它的物理意义是在调频过程中每单位调频频率所能产生的角频率偏移的程度。调频信号的频谱是由无限边带组成的，然而，在窄带调频情况下，只需两个主要的边带，它们的幅度相对于 幅度为式中： 为载波与边带第一根

29、谱线幅度差； 为调制指数； 为最大调频频偏； 为调制频率。1已调频波的根本特性 )调频信号的丈量方法1频谱分析仪扫频频域法对窄带即调相扫频频域法，实践上是用频谱分析仪直接丈量调频信号，假设用扫频频域法丈量窄带调频时，频铺仪上显示，如图9.38所示。图中得到那么所以Haberly方法 谐波失真和互调丈量1谐波失真度的丈量一个纯真的正弦周期振荡波，用下式表示： 由于放大器的非线性作用，使输出信号波产生了波形失真，此时，信号可用下式表示 信号的非线性失真用非线性失真系数来表示，又称为失真度，它的定义是各次谐波振幅的均方根值与基波振幅之比，用符号d来表示。 一个非正弦的周期振荡波为其非线性失真系数d为

30、: 为了便于丈量，经常把各次谐波振幅的均方根值与信号总电压之比，用d表示: 1. 用频谱分析仪测试正弦波失真度频谱分析法，是把非正弦周期振荡信号的基波、各次谐波逐个分别出来进展测定，然后获得其失真度数据。 用频谱分析仪测试正弦波失真度放大器信号源谐波2用频谱分析仪进展互调丈量放大器信号源信号源合路衰减器54.462+-5.70=21.5355.282 +-5.65=21.99相位噪声丈量频率源相位噪声丈量结果 宽范围频偏处的相位噪声丈量对数坐标数字调制频谱图QPSK、QAM微波通讯发射机BW扫频信号源双工器校准在RBW100KHz显示黑谱线。当RBW1MHz时，只显示兰色轮廓。4. 频谱仪用作

31、标量网络分析仪按Trace键，选MaxHold用频谱分析仪丈量数字调制信号的功率RBW100KHzBW假设Marker=-30dBm，BW=1MHz，RBW=100KHz那么总功率P=-30-10Lg10000010LgBW =-80+60=-20dBm网络分析仪可以测试频率、信号频谱、电压、功率，但是不能丈量阻抗。谢谢Setting Up for RecordingBegins recording your PowerPoint Presentation.Records Audio for the PowerPoint slides.Records Camera with the PowerPoint Presentation. Displays the Camera Preview during recording.Click the Recording options ico