现代电子测量-频谱分析仪课件

1、现代电子测量 频域测量 频域测量频域测量的仪器主要用于测量信号的频谱、功率谱、相位噪声功率谱等参数，典型的仪器有频谱分析仪、信号分析仪等。 频域测量频谱分析仪频谱分析仪频谱测量的概念 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。 频谱分析仪频谱分析仪的用途 信号的频谱分析；信号的基本参数测量；频率稳定度的测试；配接天线后用作场强仪，用于EMC测量；网络测量；频谱分析仪频谱分析仪的用途 低频频谱分析仪广泛应用于声频、振动与冲击、机械工程、建筑、医学等领域；以FFT为核心的频谱仪能提供包括相位谱在内的各种频谱，可用于信号的时域、领域、幅值域的各种分析；多通道的FFT

2、分析仪可对系统的输人输出信号或其它多个测量点信号作同相位的数据采集和分析计算； 频谱分析仪频谱分析仪的发展 早期的频谱分析仪只是一个具有几个档级滤波器式的频谱监视器 ；现代高频频谱仪已变为扫第一本振，扫频宽度大大提高，称为全景频谱分析仪。80年代出现了模块化频谱分析仪，有些机型还具有EMC、CATV、GSM900的测量功能；在低频端还有实时频谱分析仪一大类，而且全面走向了数字化。频谱分析仪频谱分析仪的种类 模拟式、数字式、模拟数字混合式；实时型、非实时型；恒带宽分析、恒百分比带宽分析；单通道型、多通道型；高频、低频。 频谱分析仪实时频谱分析仪和非实时频谱分析仪 所谓实时分析，是指在长度为T的时

3、间内完成了频率分辨率达到1T Hz的谱分析；频谱分析仪恒带宽分析与恒百分比带宽分析 恒带宽分析为线性频率刻度，适用于周期信号的分析和波形失真分析；恒百分比带宽分析所得频谱的频率轴采用对数刻度，具有较宽的频率覆盖，能兼顾低频与高频频段的频率分辨率，适用于噪声类随机信号的连续形式的谱密度分析。 频谱分析仪恒带宽分析与恒百分比带宽分析 频谱分析仪频谱分析仪的工作原理 目前微波或高频频谱分析仪普遍采用的是扫频超外差的测试原理, 简化原理框图如右图所示 频谱分析仪频谱分析仪的工作原理 频谱分析的过程如右图所示 频谱分析仪频谱分析仪的工作原理 包络检波器：频谱仪显示的是经包络检波器后的视频信号，检波器应跟

4、随 IF信号的包络而变化，而不是随 IF正弦波本身的瞬时值而变。 频谱分析仪频谱分析仪的工作原理 如果在IF滤波器带宽内的是一个调幅波信号所有谱线，则在频谱仪的显示器上将显示出该调幅波的包络。 即频谱分析仪有时域功能可用，此时扫频宽度设置成零扫。 频谱分析仪频谱分析仪的工作原理 采用数字中频的技术的频谱分析仪 频谱分析仪频谱分析仪的工作原理 采用多级混频的频谱分析仪 频谱分析仪频谱分析仪的显示样式 频谱分析仪频谱分析仪的频率分辨率 频率分辨率是频谱分析仪区分两个相邻输入正弦信号的能力。影响频谱仪频率分辨率的因素有中频滤波器带宽、本振的剩余调频和本振的相位噪声，中频滤波器带宽是起主要作用的因素。

5、 频谱分析仪频谱分析仪的频率分辨率 如果某个混频信扫频通过IF，则带通滤波器的特性曲线就会被描绘到显示屏上。 若两个信号的频率非常接近，则它们所生成的特性曲线就会形成一个响应峰，就像一个响应一样，这时就不能将两个信号区分开了。 频谱分析仪频谱分析仪的频率分辨率 中频滤波器的参数 中频滤波器的参数主要有：半功率带宽及有效噪声宽波形因子 频谱分析仪频谱分析仪的频率分辨率 滤波器的半功率带宽及有效噪声带宽 半功率带宽即为3dB带宽；当理想的矩形滤波器在矩形曲线下的面积与实际滤波器特性曲线下的面积相等时，矩形的宽度即为实际滤波器有效噪声带宽；常用3dB带宽来代替有效噪声带宽。 频谱分析仪频谱分析仪的频

6、率分辨率 滤波器的半功率带宽及有效噪声带宽 滤波器的带宽反映了它能区分两个同样幅值的不同频率信号的能力；当两个频率间隔等于滤波器带宽的等幅信号同时输人频谱仪时，频谱仪“正好”能将它们分开，谱图上出现两个峰，峰谷点之间差3dB 频谱分析仪频谱分析仪的频率分辨率 滤波器的波形因子 波形因于定义为滤波器特性曲线两侧衰减达60dB的带宽B60与3dB带宽B3之比；模拟滤波器的波形因子一般为15:1，数字滤波器的波形因子可以做到5:1 频谱分析仪频谱分析仪的频率分辨率 滤波器的选择性带宽 能反映相差60dB的两个信号f1与f2之间的最小频率间隔即为滤波器的选择性带宽；滤波器的波形因子指标反映了频谱仪能区

7、分幅度相差很大的(60dB)两个频率分量的能力。 频谱分析仪频谱分析仪的频率分辨率 本振剩余调频频谱仪LO的稳定性也是影响频谱分析仪的分辨率的一个因素；在频谱分析仪上所看到的最小分辨带宽，在一定程度上是由LO的稳定性决定的。 频谱分析仪频谱分析仪的频率分辨率 本振相位噪声 LO的相位噪声调制边带也会在显示器上任何谱分量的两边出现；显示的谱分量与相位噪声的幅度之差是LO稳定性的函数，LO越稳定，相位噪声就越低。该幅度之差还和分辨带宽有关，分辨带宽缩小10倍，则相位噪声电平减少10dB。 频谱分析仪频谱分析仪的频率分辨率 本振相位噪声 相位噪声是限制频谱分析仪分辨不等幅信号的因素之一；分辨两个频率

8、接近的不等幅信号的但前提条件是：相位噪声不能掩盖小信号。 频谱分析仪频谱分析仪的频率分辨率 扫描时间指扫描一次整个频率量程并完成测量所需要的时间，也称分析时间;为了保证测量的准确性，扫描时间不可能任意地缩短。也就是说，由于其他因素的限制，扫描时间必须适当。 频谱分析仪频谱分析仪的频率分辨率 扫描时间IF滤波器是带宽有限的电路，它需要有一定的时间来充电和放电。如果混频后的信号分量扫描太快，则显示出来的幅度就会减少，频率也会发生偏移 频谱分析仪频谱分析仪的频率分辨率 扫描时间扫描时间（ST）与扫频范围（span）、分辨率带宽（RBW）的关系为： 对于平顶（接近矩形）滤波器，10 k 20，对于同步

9、调谐模拟滤波器，k=25。对于利用数字信号处理的频谱分析仪，k 1。 频谱分析仪频谱分析仪的动态范围 频谱分析仪能已给定的精度测量分析输入端同时出现的两个信号之间的最大功率比（用dB表示）。频谱分析仪的动态范围主要受输入混频器的失真特性、系统的宽带噪声门限（灵敏度）和本地震荡器的相位噪声三个主要因素制约。 频谱分析仪频谱分析仪的动态范围显示范围 频谱分析仪的显示范围（显示动态范围）是指经过校准后CRT显示的幅度范围 ；注意：在大多数情况下频谱仪最下面的刻度是未经校准的，最下面的刻线代表信号幅度为0，所以最下面的分度覆盖了相对于参考电平（顶线）-100dB到-的范围（对于100dB显示范围的频谱

10、仪）。 频谱分析仪频谱分析仪的动态范围测量范围 测量范围是在任何环境下可以测量的最大信号与最小信号的比值；可以测量的信号的上限由最大安全输入电平决定，大多数为30dBm（1W）；可以测量信号的下限由灵敏度决定，并与最小分辨带宽有关，一般为-115dBm到-135dBm，因此测量范围为145dB到165dB；但在输入有+30dBm的信号时，是不可能同时看到-135dBm的信号的。 频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示平滑技术 频谱分析仪显示的是信号加内部噪声。频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示平滑技术 为了减少噪声对所显示信号幅度的影响，需要对显示结果进行平滑或平均处理 。频谱分析仪频谱仪的显示技术

11、显示平滑技术 视频滤波 频谱分析仪视频滤波器用来实现平滑；平均或平滑的程度和视频带宽与分辨带宽之比有关，比值少于0.01时，平滑的效果非常明显，比值较大时效果不明显。 频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示平滑技术 视频滤波 当视频带宽等于或小于分辨带宽时，扫描时间变为：STKspan（RBWVBW） 式中，VBW为视频滤波器的带宽。频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示平滑技术 视频平均 在这种方式下，要扫描两次或更多次后才能完成逐点的平均过程，在每个扫描点上，将目前的测量值平均后再加到先前已经平均的数据上，从而得到新的平均值，即：Aavg（n-1）nAn-1十（ln）An式中，Aavg为新的平均值，A

12、n-1为前次扫描的平均值，An为目前扫描的测量值，n为目前的扫描次数。 频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示平滑技术 视频平均 频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示平滑技术对于噪声或非常接近噪声的低电平正弦信号，用视频滤波和视频平均的效果是一样的；视频滤波所完成的平均是实时的；对于特定的信号，两种平均方法可能得到完全不同的结果。 频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示平滑技术对于一个信号的频谱随时间而变，用视频平均则每次显示的均不同，而用视频平均方式则能够得到更接近真实的结果。 频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示平滑技术频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示方式 对于利用数字式显示的频谱仪，不管在CRT上用多少个数

13、据点来表示曲线，每个点也只能代表某个频率的数值。 频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示方式 频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示方式 利用数字式显示的频谱仪，显示方式主要有瞬时采样方式和正峰值采样方式两种；频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示方式瞬时采样方式采样的点数越多，显示效果越好，但点数是有限制的；采样方式是显示随机噪声很好的方法 。频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示方式瞬时采样方式在分析正弦信号时就可能出现问题；右图显示的是实际上等幅梳状信号。 频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示方式瞬时采样方式当分辨带宽比采样间隔小时，采样方式会丢失信号，造成错误的结果。 频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示方式正峰值采

14、样 正峰值采样方式显示在每个单元中出现的最大值；正峰值采样显示方式确保不管分辨带宽和采样单元的宽度之比是多少，都不会丢失谱线；正峰值采样显示方式不适合随机噪声，因为这种方式只捕捉噪声的峰值。 频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示方式正峰值采样 频谱分析仪频谱仪的显示技术 显示方式频谱分析仪一般都以正峰值作为其主要显示方式，而把采样方式作为辅助显示方式。 频谱分析仪频谱仪的输入耦合 频谱分析仪的输入耦合同样有DC和AC两种方式。 注意：在DC耦合方式下输入没有隔直电容，如果输入信号含有直流分量，很容易损坏频谱仪的混频器。 频谱分析仪频谱仪使用中的问题 第一级混频器过载造成的失真 当输入信号的幅度超过

15、了混频电路的最大线性范围时，其输出的幅度就会比正常值低，并且由于交调或谐波失真而产生出许多不需要的信号；对于一般的频谱分析仪，加到第一级混频器上的最佳信号幅度约为+17dBmV；频谱分析仪频谱仪使用中的问题 第一级混频器过载造成的失真 加到第一级混频器上的信号幅度（前置放大器关断时）等于输入信号的幅度减去RF衰减量；在频谱分析仪的输入端只有少数几个信号的情况下，应把其中幅度最大的信号设定在屏幕最上面的刻度线（基准电平）上； 频谱分析仪频谱仪使用中的问题 第一级混频器过载造成的失真 避免邻近频道的大信号的造成第一级混频器过载的方法之一频谱分析仪频谱仪使用中的问题 第一级混频器过载造成的失真 在频

16、谱分析仪的输入端有很多信号的情况下，尽管每个信号的幅度都较低，也有可能使第1级混频器过激励。假定共有N个信号，每个信号的幅度为U1，总的信号幅度为U，则：U2=NU12 或用dBmV为单位来表示：UdBmV=U1dBmV10lgN 频谱分析仪频谱仪使用中的问题 第一级混频器过载造成的失真 判断某些杂散信号或差拍是不是频谱分析仪内部产生的简单方法： 把RF衰减量增加几个dB，不改变基准电平，内部生成的失真产物的幅度会随着RF衰减量增加而变小，而来自频谱仪外部的信号幅度将保持不变。 频谱分析仪频谱仪使用中的问题 信号比频谱仪的噪声门限低 频谱分析仪本身产生的内部噪声称为频谱分析仪的噪声门限，它限制

17、了可测的最小信号，即使是没有信号，在显示器上也能看到类似于“毛草”似的水平曲线。 频谱分析仪频谱仪使用中的问题 信号比频谱仪的噪声门限低 判断一个信号或系统噪声是否比频谱分析仪的噪声门限低的方法： 从频谱分析仪的RF输入端断开信号电缆，再重新接上。如果在信号电缆被重新接上时，显示器上电平较低的部分向上抬高，就说明信号或系统噪声比频谱分析仪的噪声门限高。 频谱分析仪频谱仪使用中的问题 信号比频谱仪的噪声门限低 使低于频谱分析仪噪声门限的低电平信号升高的方法：去掉所有的内部RF衰减；去掉所有的外部RF衰减；减少分辨带宽和（或）视频滤波器的带宽。采用视频平均技术，其特点是不需要减少带宽；打开频谱分析

18、仪内部的前置放大器； 频谱分析仪频谱仪使用中的问题 信号低于系统噪声如果被测的信号幅度低于系统噪声，这时减少衰减量或者增加放大量都不能使信号幅度变大，但可采取如下措施： 减少分辨带宽和视频滤波器的带宽；采用视频平均技术也能把噪声“平均掉”； 频谱分析仪频谱仪使用中的问题 信号幅度和噪声电平非常接近 当一个信号的幅度和周围的噪声电平接近时，测出的信号幅度可能高出其准确值几个dB之多；信号的幅度很大时，比周围的噪声电平高出10dB以上，噪声的贡献可以忽略不计，这时测出的信号幅度就很接近于它的真实值； 频谱分析仪频谱仪使用中的问题 信号幅度和噪声电平非常接近时 信号比噪声大10dB以下时的幅度修正频

19、谱分析仪频谱仪使用中的问题 不正确的分辨带宽 要想分析出被测信号中的细节，分辨滤波器的带宽必须足够窄；要想使峰值功率读数正确，分辨滤波器的带宽应该等于或大于被测信号的带宽。如果分辨滤波器的带宽太宽，就有可能把与被测信号邻近的其他信号也包括进去，从而使功率读数偏高几个dB；脉冲信号的带宽和脉冲宽度的倒数成正比例。 频谱分析仪频谱仪的应用示例 如何测量邻近且相对弱小的信号 如果两信号的间隔大于或等于所选用分辨率带宽滤波器的3db 带宽，两个等幅信号就可以分辨出来。 频谱分析仪频谱仪的应用示例 如何测量邻近且相对弱小的信号 测量两个不等幅的邻近信号时，小信号有可能掩埋在大信号的裙边中 。 频谱分析仪

20、频谱仪的应用示例 如何测量邻近且相对弱小的信号 设定中频滤波器对应60dB 的带宽小于信号频带的间隔，则小信号就很容易被观察到 频谱分析仪频谱仪的应用示例 如何测量邻近且相对弱小的信号 相位噪声也可能掩盖近端（靠近载波）低电平信号。 频谱分析仪频谱仪的应用示例 如何测量邻近且相对弱小的信号 当扫描时间太快时，频谱分析仪的分辨带宽滤波器不能够充分响应，即幅度下降、频率向上移，同样影响小信号的观察。 频谱分析仪频谱仪的应用示例 如何测量邻近且相对弱小的信号 测量低电平信号时杂波的影响比较严重，分辨率带宽较窄，允许杂波通过量较少，显示器上的杂波层下降。分辨率带宽变化2倍，将导致杂波电平变化3dB。杂

21、波电平的下降，可使原先被杂波掩盖的较小信号也能测量到。 频谱分析仪频谱仪的应用示例 如何测量邻近且相对弱小的信号 如果通过调分辨率带宽之后，信号依然接近噪声（杂波），则可用调节衰减和视频带宽（VBW）来改进信号的可视度；总之，适当窄的分辨带宽，适当小的输入衰减，适当的视频带宽（视频带宽 0.10.01分辨带宽）是用频谱分析仪测量两个十分邻近或相对弱小的信号，减少测量误差应掌握的基本方法。 频谱分析仪频谱仪的应用示例 如何利用频谱仪测量相位噪声 将被测信号加到相应频带的频谱分析仪的输入端。 频谱分析仪频谱仪的应用示例 如何利用频谱仪测量相位噪声 显示出该信号的频谱，找出信号的中心频率的功率幅度；

22、适当选择扫频宽度，使能显现出所需宽度的两个或一个噪声边带；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；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。 频谱分析仪频谱仪的应用示例 如何利用频谱仪测量相位噪声 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）求出其差值（N-C）dB；再加上必要的修正。 频谱分析仪频谱仪的应用示例 如何利用频谱仪测量相位噪声 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）； 频谱

23、分析仪频谱仪的应用示例 如何利用频谱仪测量相位噪声 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约2.5dB；应加“频谱仪效应”修正项（2.5dB）； 频谱分析仪频谱仪的应用示例 如何利用频谱仪测量相位噪声 相位噪声为：(fm)=（NC）dB-10lgB2.5 dBCHz频谱分析仪频谱仪的应用示例 利用频谱仪测量相位噪声的几点限制 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(fm) l0dB以上，才能正确应用；能测量（C-N）的范围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；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信号源。 频谱分析仪频谱仪的应用示例 载噪比的测量 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；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；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。 频谱分析仪频谱仪的应用示例 载噪比的测量 C/N测量办法是先测出载波的幅度，然后关断载波，测出噪声功率，最后用载波幅度的dB数减去噪