第五章 频谱分析仪测量

第五章频谱分析仪测量8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz频谱分析仪测量及噪声测量第一节定义第二节几种常见信号频谱单脉冲,周期脉冲,调幅波第三节频谱分析仪介绍及其主要性能参数重点:分辨带宽补充:有关分辨力的一些问题第四节几种测试频率﹑功率﹑相位噪声等参数测试重点讲噪声系数的测量第五节噪声测量2电子信号表述S（t）=A（t）COS[

（t）t+

（t）]参数：S（t）电子信号的时域表述A（t）电子信号的振幅

（t）电子信号的角频率

（t）电子信号的相位

由于所有的电信号都可以有一系列正弦波组合而成，即正弦波是最基本的电信号。正弦波一般表达式可以这样表示。第一节定义问题:1.什么是频谱分析仪

2.为什么要用频谱分析仪4时域频域傅里叶变换dω频域和时域关系图5FrequencyversusTimeDomain时间频率幅度tfV频域时域6f（t）tV（f）ff（t）ttf（t）V（f）V（f）ff时域波形频域波形可以给频谱仪下如下定义:

频谱仪是一种把射频和微波信号显示成频率的函数的仪器.7

信号

时域分析：示波器

频域分析：频谱仪信号周期升降沿峰值电压信号频率谐波分量信号功率寄生、交调信号边带时域频域傅里叶变换第二节几种常见信号频谱最单纯的信号是理想正弦波,大的频谱是一根单一的谱线,其它所有非正弦周期信号都可用傅氏级数展开为一系列正弦谐波的总和.9VoltageTimeVoltageFrequencySpectrumAnalyzerOscilloscope5.2.1单个脉冲10波形曲线频谱分布5.2.2周期性脉冲频谱11TimePulseOn/OffratioRisetimeRate=1/TTWidthtPowerPower1/t1/T5.2.3调幅波1212VoltageTimeCarrierModulation第三节频谱分析仪介绍及其

主要性能参数13

动态信号分析仪

扫频频谱分析仪

信号频谱分析X(nT)X(t)S(t)ttt(b)取样函数(c)取样波形(a)时域波形T=1/fSADCFFTfS输入显示器处理器

数字滤波器

模数转换器取样器衰减器

模拟滤波器窗口V2V3V1f2f1fs3fs2fs1概述动态信号分析仪与扫频频谱分析仪

实时

非实时概述频谱分析仪的不同类型并联滤波器同时测量LCD显示总的频谱Aff1f2多通道滤波器式分析仪

可以完成实时频谱测量的仪器除了FFT分析仪，还有多通道滤波器式分析仪等。概述频谱仪发展与用途主要常用测试类型.调制失真噪声频谱分析仪原理框图SpectrumAnalyzerBlockDiagramPre-SelectorOrLowPassFilterCrystalReferenceLogAmpRFinputattenuatormixerIFfilterdetectorvideofilterlocaloscillatorsweepgeneratorIFgainInputsignalCRTdisplay混频器MixerMIXERfsigLOffsigLOfLOffsig-LOffsig+RFLOIFinputIFFILTERDisplayInputSpectrumIFBandwidth(RBW)中频滤波器IFFilter分辨率带宽resolutionbandwidth(RBW)减小带宽，分辨率提高，同时也改善了信噪比（SNR），但是，扫描速度和轨迹刷新速度降低。我们可以根据测量要求在几方面之间进行折中分辨率带宽LC滤波器

晶体滤波器

有源滤波器

数字滤波器工作原理中频滤波器的实现3MHz——100kHz带宽由LC滤波器来实现；30kHz——1kHz带宽由晶体滤波器来实现；300Hz——30Hz带宽由有源滤波器来实现。检波器Detector

DETECTORamplitude包络检波后数值化处理作为纵坐标值analog-to-digitalconverter(ADC).“进程"负峰值检波:显示进程中的最小值正峰值检波:显示进程中的最大值取样检波:显示进程中的最后值23PEAKLOG10dB/REF-40dBmATTEN10dBCENTER300MHzSPAN500MHzRESBW1MHzVBW1MHzSWP50msec

中频信号频谱仪经包络检波器后有四中视频检波方式ROSENFELL检波负峰值检波正峰值检波取样检波24视频滤波器VideoFilterVIDEOFILTER低通滤波器，位于包络检波之后ADC之前，限制视频放大器带宽，起到平均及平滑作用analog-to-digitalconverter(ADC).其他部件OtherComponentsLCDDISPLAYSWEEPGENLOIFGAINfrequencyRFINPUTATTENUATORLO：localoscillator，isaVoltageControlledOscillator(VCO)扫描斜坡发生器：sweepgenerator，使LO频率改变，作为显示横坐标。输入衰减器：步进衰减器，用于修正到第一混频器的功率，否则功率有可能出现混频器增益压缩，导致失真。中频增益：位于RBW前步进，用于显示垂直幅度，可随输入衰减器值改变而改变以维持显示不变。协同工作Howitallworkstogether3.6(GHz)(GHz)0361245031236453.6(GHz)0312fIFSignalRangeLORangefssweepgeneratorLOLCDdisplayinputmixerIFfilterdetectorAffLOfsfsfsfLO-fsfLO+fLO3.66.56.5 AV4032系列多功能微波频谱分析仪

原理框图和简介

四次变频的超外差式扫频测量接收机举例 AV4033系列高性能微波频谱分析仪

原理框图和简介

举例 AV4033系列高性能微波频谱分析仪

原理框图和简介

举例主要性能频率范围测量谐波低频（基带和中频信号）主要性能频率与幅度准确度用dBm表示绝对幅度用dB表示相对幅度相对频率频率主要性能频率读出准确度典型的计算公式:扫宽<2MHz:±(频率读出x

频率参考误差+

扫频宽度×1%+分辨率带宽×15%+10Hz“剩余误差")频率主要性能准确度：频率读出准确度示例单频标示例:1%of400kHzspan15%of3kHzRBW10Hzresidualerror+_2GHz400kHz扫宽3kHz分辨率带宽计算:(2x10Hz)x(1.3x10/yr.ref.error)9-7====260Hz4000Hz450Hz10Hz4720Hz总计=主要性能准确度:绝对幅度准确度绝对幅度（dB）

校准器准确度

频率响应

参考电平不确定度显示标度准确度频率响应

射频输入衰减器

参考电平

分辨率带宽

显示标度因子主要性能准确度:相对幅度准确度

相对幅度（dB）适用于改变参考电平时测量信号幅度差值

显示标度准确度依赖于：对数/线性放大器保真度检波器线性数字化电路线性

获得最佳准确度的技术主要性能准确度:相对幅度准确度-显示标度准确度

相对幅度（dB）主要性能准确度:相对幅度准确度-频率响应平坦度-1dB+1dB01波段指标:±1dB

当信号在同一谐波波段时主要性能准确度:其它不确定度来源失配

(信号输入端不是准确50ohms)由于过载而压缩

失真产物幅度低于对数放大器的范围信号接近噪声噪声引起幅度变化信号间距小于分辨率带宽(高电平输入信号)主要性能分辨率:分辨率带宽.3dB3dB带宽LO混频器中频滤波器/分辨率带宽滤波器(RBW)扫描检波器输入频谱显示分辨率带宽主要性能分辨率分辨率带宽剩余调频噪声边带有哪些因素影响分辨率?分辨率带宽滤波器类型和选择性主要性能分辨率:分辨率带宽.3dB10kHz10kHzRBW主要性能分辨率:分辨率带宽滤波器类型和选择性3dB60dB60dBBW60dBBW3dBBW3dBBW选择性=主要性能分辨率:分辨率带宽滤波器和选择性10kHzRBW=10kHzRBW=1kHz选择性15:110kHz失真产物60dBBW=15kHz7.5kHz3dB60dB例如,作双音交调测试，两个信号间距为10kHz主要性能分辨率:数字分辨率带宽数字滤波器模拟滤波器SPAN3kHzRESBW100Hz典型选择性模拟15:1数字5:1RBW 速度提高

100Hz 3.10 30Hz 14.40 10Hz 52.40 3Hz 118.00 1Hz 84.00主要性能分辨率:剩余调频剩余调频信号“毛草”影响分辨率带宽的另一个因素是频谱分析仪的本振频率稳定度，本振的短期稳定度即剩余调频主要性能分辨率:噪声边带噪声边带降低对不等幅信号的分辨率相位噪声（亦称相位噪声）

主要性能分辨率:分辨率带宽影响测量时间扫描过快的后果是非校准显示扫描过快主要性能灵敏度/显示平均噪声电平

扫描LO混频器射频输入分辨率带宽滤波器检波器象任何有源电路一样，频谱仪会产生并放大噪声一般定义它为频谱分析仪的显示平均噪声电平(DANL)，单位dBm,获取方法是，用最窄分辨带宽、最小的输入衰减和最佳的视频滤波器。49主要性能：灵敏度/显示平均噪声电平10dB衰减=10dB衰减=20dB信号电平有效显示噪声电平是射频输入衰减器的函数射频输入衰减器增大，信噪比降低主要性能灵敏度/显示平均噪声电平:中频滤波器(RBW)减小

BW=降低噪声100kHzRBW10kHzRBW1kHzRBW10dB10dB显示平均噪声电平是中频滤波器带宽的函数噪声电平变化(dB)=10log(RBWnew)/(RBWold)主要性能灵敏度/显示平均噪声电平:视频带宽视频带宽平滑噪声更容易识别低电平信号减小视频滤波器带宽，我们可以减小噪声峰峰值,即噪声得到平滑，原来被噪声淹没的信号可以清晰的显示出来。主要性能灵敏度/显示平均噪声电平信号等于噪声灵敏度是能够测量的最小信号功率2.2dB53主要性能灵敏度/显示平均噪声电平最窄的分辨率带宽

最小射频输入衰减

充分视频滤波（VideoBW<.01ResBW)如何获得最佳灵敏度:54主要性能失真变频信号被测信号显示结果混频器产生失真混频器产生失真内部失真是输入功率的函数，所以，定义频谱分析仪的失真指标时，必须指定输入功率。55主要性能失真双音交调谐波失真最有影响的失真是二次和三次失真<-50dBc<-50dBc<-40dBc为减小由于内部失真的存在而引起的测量误差，要求内部失真远小于测量要求。56主要性能失真失真产物的增量是基波功率增量的函数二阶失真以2dB/dB随基波变化三阶失真以3dB/dB随基波变化3f2f3f功率(dB)2ff2f-f1212功率(dB)33212f-f双音交调谐波失真三阶失真二阶失真就是二阶失真的增长速率是基波增长速率的平方，三阶失真的增长速率是基波增长速率的立方。主要性能失真失真相对幅度随着输入功率电平的变化而变化f2f3f1dB3dB2dB21dB20dB1dB主要性能失真.失真是混频器电平的函数混频器电平=输入-衰减器设置

dBmDISTORTION,dBc0-20-40-60-80-100-60-300+30TOI二阶三阶主要性能失真失真测试:来自内部还是外部？中频增益幅度没有变化=失真来自输入信号的一部分(外部)

以10dB步进改变输入衰减器1在屏幕上观察信号:2幅度发生变化=至少有一部分失真来自于频谱分析仪内部(内部)射频输入衰减器主要性能动态范围：输入、显示、测量动态范围主要性能动态范围输入到混频器的功率=输入功率-衰减器设置

dBm信噪比（

dBc）0-20-40-60-80-100-60-300+30.分辨率带宽为1kHz的显示噪声分辨率带宽为100Hz的显示噪声信噪比可以用曲线图来表示主要性能动态范围动态范围可以用曲线图来表示信噪比（

dBc）-20-40-60-80-100-60-300+30..TOI最佳混频器电平最大二阶动态范围

显示噪声(1kHzRBW)三阶二阶最大三阶动态范围SOI输入到混频器的功率=输入功率-衰减器设置

dBm主要性能动态范围噪声边带动态范围

受限于噪声边带dBc/Hz显示平均噪声电平动态范围压缩/噪声受限于100kHzto1MHz搜索毛刺的动态范围依赖于到载波的间距主要性能动态范围实际动态范围是以下中最小的:一定频偏的噪声边带最大动态范围计算计算目标:失真灵敏度主要性能-动态范围+30dBm-115dBm(1kHzBW&0dB衰减)最大功率电平LCD-显示范围80dB-10dBm-35dBm-45dBm增加带宽或衰减二阶失真混频器压缩三阶失真信号/噪声范围105dB145dB测量范围最小噪声基底70dB范围80dB范围0dBc噪声边带60dBc/1kHz信号/三阶失真信号/二阶失真信号/噪声边带主要性能动态范围这里

TOI=混频器电平-dBc/2

SOI=混频器电平-dBc最佳混频器电平=DANL-MDR衰减=信号-最佳混频器电平MDR=2/3(DANL-TOI)3MDR=1/2(DANL-SOI)2计算最大动态范围主要性能动态范围这里TOI=(-30)-(-70)/2=+5dBm3MDR=2/3[(-115)-(+5)]=-80dBc(1kHzRBW)计算示例最佳混频器电平=(-115)-(-80)=-35dBm衰减=(0)-(-35)=+35dBm频谱分析仪使用注意事项（1）对电源的要求：

220V±10%；50Hz±5%；（2）对接地线要求：三芯电源线，系统可靠接地共地（3）严防静电要求（4）对输入信号要求：

CW，<+30dBm（1W）

DC，0V

（5）组成程控系统时地址设置要正确

（6）校准：频率、幅度、YTF校准与幅度相关输入阻抗及驻波比最大允许输入电平动态范围通常把从不加衰减时的最佳输入信号(即P1dB压缩点)起往下直到最小可用信号电平止,这一信号幅度变化范围称为动态范围.若再加上用内部衰减所能扩展的dB数,则称最大测量范围.69与频率相关工作频率范围系指频谱一在满足所有规定的性能指标的前提下所能接收和测量的频率范围.有些频谱仪可以通过外加混频器扩展到更高频率使用.70扫描时间即产生扫频及水平偏转的锯齿波一个扫描过程的时间,通常可在若干ms到若干s之间分档选择.

比如可以通过改变扫描时间,观察一个频带内的波形.71分辨带宽即决定选择性的最低中频滤波器的3dB带宽B,亦称静态分辨力,在其它条件适当配合下,他决定着所能分辨的两个相等谱线之间的最小频率间隔72视频带宽在检波后的视频放大电路中,有时还有几种宽度分档可变的LPF,其带宽有时比中频带宽还要窄,在观察到含有强视频毛刺的频谱图时,减小视频带宽可以起到平滑作用,使显示比较清晰.在观察脉冲等宽带信号频谱时,不应采用窄的视频带宽.73第四节几种测试74755.4.1频率测量5.4.2噪声测量765.4.3AM调制及交调测量7778频谱分析仪基本测量基础测量被测量信号的频率被测量信号的功率

基础：对被测信号自身应有一定的了解。一般：对被测信号应知道所在的频段范围内。高级：对被测信号一无所知。直接设置设置测量范围大范围内搜索79频谱分析仪基本测量调制信号测量调幅信号调频信号脉冲调制信号扫频测量时域测量FFT变换频域测量Bessel函数法Haberly法窄带测量宽带测量80频谱分析仪基本测量调幅信号V(t)=Ac[1+am(t)]COS(2

fct)=AcCOS（2

fct）

+[aAc/2]COS(2

fc+2

fm)t+[aAc/2]COS(2

fc-2

fm)t81DdBfmfcMARKERD1.0kHz-26dBa=2·10-（DdB/20）

扫频方法测量调幅信号调幅信号频谱分析仪基本测量

时域方法测量调幅信号：同步测量法调幅信号频谱分析仪基本测量TMARKERMARKERD10msec1.00xDEmaxEmin5.00ms.818X

最宽的分辨带宽

最宽的视频带宽

线性方式显示

零扫宽a=——————Vmax+VminVmax-VminFFT变换测量调幅信号调幅信号频谱分析仪基本测量fmDdBMARKERD1kHz-26dB频谱分析仪基本测量调频信号v（t）=AcCOS（2

fct+SIN2fmt）=AcCOS（2

fct）

+[

Ac/2]COS2

（fc+fm）t-[

Ac/2]COS2

（fc-fm）t

频域法测量调频信号调频信号频谱分析仪基本测量MARKERD1.0kHz-40dB舍弃相位信息mf=2*10(ΔdB/20)

=2*10(-40/20)

=0.02Δf=mf*fm=0.02*1000=20Hz

Bessel函数法测调频信号调频信号频谱分析仪基本测量MARKERD100HzΔfmax=mf*fm=2.4048*100=240.48Hz

Haberly法测宽带调频调频信号频谱分析仪基本测量n+1nn-139.76mv85.7mv99.88mv123Vn+1<Vn<Vn-1按照规则计算宽带调频参数：

寻找三个邻近边带，其幅度随距载波愈远而依次减小

对数方式，用电压单位

从离开载波算起确定N值，第一对边带N=1，第二对N=2

=2nVn/(Vn-1+Vn+1)脉冲调制窄带测量脉冲调制信号频谱分析仪基本测量RBW<<PRFPf0f0PpPRFtf0f0-2Df0-Df0+Df0+2DPRF=1/T脉冲调制宽带测量脉冲调制信号