频域测量(part2)课件

第八章part28.3频谱分析仪的概述8.3.1信号的时域与频域分析信号的时域和频域特性在数学上可表示为一对傅里叶变换关系：图8.25时域与频域观测之间的关系（8.11）（8.12）示波器和频谱仪是从不同角度观测同一个电信号，各有不同的特点。示波器从时域上容易区分电信号的相位关系，如图8.26中(a)是基波与二次谐波起始峰值对齐的合成波形（线性相加）；(b)是基波与二次谐波起始相位相同合成的波形，两者合成波形相差很大，在示波器上可以明显地看出来。而在频谱仪上仍是两个频率分量，看不出差异。但是，如果合成电路（如放大器）有非线性失真，即基波和二次谐波信号不能线性相加，两者则有交互作用，像混频器一样会产生新的频率分量，这在示波器上难以觉察到，而在频谱仪上则会明显看到由于非线性失真带来的新的频谱分量。可见，示波器和频谱仪有各自的特点，并起到互为补充的作用。图8.26不同相位合成的波形(a)(b)8.3.2频谱仪的主要用途现代频谱仪有着极宽的测量范围，观测信号频率可高达几十GHz，幅度跨度超过140dB。故使频谱仪有着相当广泛的应用场合，以至被称为射频万用表，成为一种基本的测量工具。目前，频谱仪的主要应用于如下一些方面：1.正弦信号的频谱纯度2.调制信号的频谱3.非正弦波（如脉冲信号、音频、视频信号）的频谱4.通信系统的发射机质量5.激励源响应的测量6.放大器的性能测试7.噪声频谱的分析8.电磁干扰的测量频谱分析仪的基本原理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FFT分析（实时分析）法、非实时分析法两种实现方法。FFT分析法：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的幅度、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的频谱测量。频谱分析仪的分类

模拟式频谱仪与数字式频谱仪模拟式频谱仪：以扫描式为基础构成，采用滤波器或混频器将被分析信号中各频率分量逐一分离。所有早期的频谱仪几乎都属于模拟滤波式或超外差结构，并被沿用至今数字式频谱仪：非扫描式，以数字滤波器或FFT变换为基础构成。精度高、性能灵活，但受到数字系统工作频率的限制。目前单纯的数字式频谱仪一般用于低频段的实时分析，尚达不到宽频带高精度频谱分析频谱分析仪的分类

实时频谱仪和非实时频谱仪实时分析应达到的速度与被分析信号的带宽及所要求的频率分辨率有关。一般认为，实时分析是指在长度为T的时段内，完成频率分辨率达到1/T的谱分析；或者待分析信号的带宽小于仪器能够同时分析的最大带宽。在一定频率范围数据分析速度与数据采集速度相匹配，不发生积压现象，这样的分析就是实时的；如果待分析的信号带宽超过这个频率范围，则是非实时分析。8.3.3频谱仪的分类模拟式

实时----并行滤波法顺序滤波法非实时可调滤波法扫频外差法数字式数字滤波法快速傅里叶变换（FFT）计算法

档级滤波式频谱仪

也叫顺序滤波频谱仪，由多个通带互相衔接的带通滤波器和共用检波器构成。用多个频率固定且相邻的窄带带通滤波器阵列来区分被测信号的各种频率成分，因此得以全面记录被测信号。

这种方法简单易行，但在频带较宽或较高频段的情况下需要大量滤波器，仪器体积过大；由于通带窄，分辨力和灵敏度都不是很高。一般用于低频段的音频测试等场合。并行滤波式频谱仪

与档级滤波式的区别在于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。扫频滤波式频谱仪

实质是一个中心频率在整个宽带频率范围内可调谐的窄带滤波器。当它的谐振频率改变时，滤波器就分离出特定的频率分量。

扫频滤波式频谱仪与档级滤波式一样，是一种非实时频谱测量。结构简单，价格低廉。缺点是电调谐滤波器损耗大、调谐范围窄、频率特性不均匀、分辨率差，目前这种方法只适用于窄带频谱分析。电路：

图8.27并行滤波频谱仪方案图8.28顺序滤波频谱仪方案图8.29可调滤波频谱仪方案图8.30外差法频谱仪方案数字滤波式频谱仪

数字滤波式频谱仪在现代频谱分析仪中占有重要地位。数字滤波器的形状因子较小，因而提高了频谱仪的频率分辨率；具有数字信号处理的高精度、高稳定性、可重复性和可编程性等普遍优点。

利用数字滤波器可以实现频分或时分复用，因此仅用一个数字滤波器就可以实现与并行滤波式等效的实时频谱仪。用单个数字滤波器代替多个模拟滤波器之后，滤波器的中心频率由时基电路控制使之顺序改变。②快速傅里叶（FFT）分析法：是一种软件计算法。现已有专门的FFT(快速傅里叶)计算器，将它与数据采集和显示电路相配合，则可组成频谱仪，如图8.32所示。通常采用DSP（DigitalSignalProcessor）数字信号处理器来完成FFT的频谱分析功能。在速度上明显超过传统的模拟式扫描频谱仪，能够进行实时分析。应当指出，通常应用的大多是外差式模拟频谱仪。较好的现代频谱仪则采用模拟与数字混合的方案。纯数字式FFT频谱仪目前主要用于低频段，但随着数字技术的进步，数字式频谱仪有着很好的发展前景。图8.32快速傅里叶变换式频谱仪方案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。

8.4超外差式频谱分析仪基础知识：超外差接收机（收音机、电视机、通信、雷达等接收机）本地振荡器何谓？外差：早期电台同发fs、fL超外差：fL移入接收机本振：fL成了本地振荡器fs混频器中频放大器检波器放大器高频调谐电路fL决定选择性8.4.2实例1：BP-1型频谱仪是国产的早期产品，性能指标不高，用它讲解原理比较简明易懂。变频器M0(+)2.3~5.3MHz100Hz～3MHz3MHz～6MHz3MHZ～30MHz被测信号100Hz～30MHz(设fs=10MHz1KHz标准调幅波)fs10MHz第一混频M1(–)第二混频M2(–)第三混频M3(–)窄带滤波器检波对数放大垂直偏转系统第一本振第二本振第三本振扫描发生器水平偏转系统3～6MHz5MHz700kHz60kHz60kHzWyABCD15MHz4.3MHz6,30,150Hz760±15kHzWx0.2~0.3S图8.35BP-1频谱仪原理框图K2K11122从图中可以看到以下特点：1.多级变频从框图可以看出频谱仪主要电路是一台超外差接收机。为了提高分辨频谱能力，则要提高接收机的选择性，而决定选择性的通频带：（8.13）谐振回路的Q值提高较困难，故欲使减小，主要措施是降低信号频率，因此要通过多次变频将被测信号的频谱搬移到较低的中频上，这样窄带滤波器才容易实现。现以被测信号为10MHz的标准调幅波来说明其工作过程。第三本振是扫频的，它将三根谱线依次地移入窄带滤波器（即第三中频放大器），它的带宽有6、30、150Hz三档可选。ttttuAuBuCuD000000004.31kHz1kHz1kHz1kHz10MHz5MHz700kHz60kHzffff(MHz)(MHz)(KHz)(KHz)15105760z|A||A||A||A|图8.36BP-1各点波形图**8.5频谱仪的主要技术特性(自学)由于频谱仪主要组成部分是超外差接收机，因此其主要技术特性类似接收机，即选择性、灵敏度、动态范围等技术参数。主要技术指标1．频率范围：是指能达到频谱分析仪规定性能的工作频率区间。2．扫频宽度：也称分析宽度，是指频谱分析仪在一次扫描分析过程中所显示的频率范围，也就是本机振荡器的扫频宽度。3．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。一般希望测量越快越好，即扫描时间越短越好，但也不可能任意地缩短，必须兼顾相关因素的影响，适当设置。4．测量范围：是指在任何环境下可以测量的最大信号与最小信号的比值。5．灵敏度：是指频谱分析仪测量微弱信号的能力，定义为显示幅度为满刻度时，输入信号的最小电平值。6．分辨率：是指频谱分析仪能把靠得很近的两个频谱分量分辨出来的能力。由于屏幕显示的谱线实际上是窄带滤波器的动态幅频特性，因而频谱分析仪的分辨率主要取决于窄带滤波器的通频带宽度，因此定义窄带滤波器幅频特性的3dB带宽为频谱仪的分辨率.7．动态范围：频谱分析仪能以给定精度测量、分析输入端同时出现的两个信号的最大功率比（用dB表示）。它实际上表示频谱分析仪显示大信号和小信号的频谱的能力。8.5.4典型产品简介表8.3给出了几种型号频谱仪的技术性能参数。表8.3几种型号频谱仪的技术性能38万元型号频率范围分辩力带宽灵敏度动态范围频率准确度幅度准确度HP8593E9kHz～26.5GHz30Hz～30MHz-117dBm103dB1.2kHz～10GHz±3dBAgilentE4440A3Hz～26.5GHz1Hz～2MHz-145dBm114Db1kHz～10GHz±3DbR3271A100Hz～26.5GHz10Hz～3MHz-123dBm100dB210Hz～10GHz±4dBFSMS100Hz～26.5GHz10Hz～3MHz-135dBm100dB210Hz～10GHz±2.5dBTEK2784100Hz～40GHz3Hz～3MHz-125dBm100dB145Hz～20GHz±5dBAV403150kHz～22GHz1kHz～3MHz-107dBm71dB20MHz～10GHz±3dB8.6频谱仪的应用频谱分析仪是一种综合性的、多功能的信号特性测试仪器，广泛地用于各学科，被誉为“射频万用表”。由于频谱仪具有灵敏度高、频带宽等特点，在射频及微波频率下使用特别得心应手。例如，频谱仪一般可测量到微伏级微弱信号，而一般示波器只能测到毫伏级，一般频率计只能测到几十毫伏信号。频谱仪频率范围可从几kHz到几十GHz，而示波器频带高于几百MHz则很昂贵了。尤其是对信号的失真及调制信号的测试更显示其优越性，例如，信号5%的失真在示波器难以觉察，而在频谱仪上极小的失真都能看出来。本节简要地介绍频谱仪的一些典型应用原理和方法。8.6.1频谱纯度(寄生频率分量和噪声)的测定理想的正弦信号由它的幅度、频率、相位这三个参数来表征，在频谱仪上为一根谱线，频谱纯度非常好。但实际的正弦信号还应加上谐波含量、杂波含量、噪声含量、寄生调制、频率稳定度、幅度稳定度等寄生参数，因此实际正弦信号的频谱可能有如图8.46所示的图像。当频谱仪采用宽带线性扫频时，可以方便地识别被测信号的基波谱线和各次谐波谱线。若纵坐标选用对数刻度，调节频谱仪的增益使基波谱线高度等于0dB，那么各次谐波谱线所对应的纵轴刻度就是该次谐波的含量，例如．图8.46中所示的二次谐波含量为-30dB，三次谐波含量为-40dB。8.6.2调幅信号的测量tf0FU0UMma的大小反映了调幅的深度，称为调幅系数。单音调幅信号的频谱包含三个频率分量，一个是载波，另外两个对称地分布在载波两侧，称为边带分量，边带分量的幅度正好是调制信号幅度的一半，边带分量与载波分量的频率差正好是调制频率。图8.47已调幅信号的频谱图MARKERΔ1.0KHZ-26dB1/2UM1/2maU01.扫频方法当一个已调幅信号送入频谱仪时，频谱仪用扫频方法将会得到如图8.47所示的频谱图象。根据载波谱线与边带谱线之间的距离则可确定调制频率。调整频谱仪的增益，使载波谱线的高度为0dB，那么边带分量的幅度USi（dB）可以直接从边带谱线对应的纵坐标读出，由此可求得调幅系数为（8.20）例如，fm=1kHz，ΔdB=26dB，则调制频率为1kHz，调幅度。2.时域方法

当扫频宽度SPAN减到零（零跨度），把中心频率调到被测调幅信号的载频，此时频谱仪实质上是一台调幅接收机，故荧光屏上显示的图象即是被测调幅信号检波后的包络(如图8.48)。这时，频谱仪就是一个频率可选择的示波器，带宽等于最宽的分辨率带宽。虽然其带宽比示波器小得多，但频谱仪可以对频率高达325GHz的时域测量。这是示波器无法做到的。3.921GHz321.4MHz21.4MHz3MHz9kHz~29.5GHz第一变频M1(+)第二变频M2(–)第三变频M3(–)窄带滤波器检波对数放大第一本振扫描发生器×ABCD3~6.8GHz中手调的某点频30Hz~3MHz扫频宽度SPAN减到零（零跨度）显示屏结论：零跨度下的频谱仪变成了一台中心频率可调的窄带示波器。tf0FU0UPUvUM在频谱仪上可以检出调幅波，测出包络的峰值Up和谷值Uv则可知调幅系数为（8.21）例如：调制频率为100Hz，ma=10%的调幅信号用上述方法测量可得到两种曲线，如图8.48所示。由图中得出：T＝10ms，X＝Uv／UP＝0.818，fm=1/T=100Hz，根据式8.21计算得到：

ma=(l－0.818)/(l＋0.818)＝10％。UPUv1．如何理解“实时”频谱分析的含义？传统的扫频式频谱仪为什么不能进行实时频谱分析？FFT分析仪为什么能够进行