电子测量技术(60).ppt

1、电子测量技术,西南交通大学电气工程学院,孙永奎 Email: ,6 频域测量技术,6.1 概述,6.2 频谱分析仪,6.1 概 述,频域和时域的关系,频谱分析,常用频域测试仪器,6.1.1 频域和时域的关系,6.1.2 频谱分析,在频域中分析信号的频率分量的情况。通过对信号进行傅立叶变换，将信号表示成一个基波分量和许多谐波分量之和的形式，确定信号的频谱。,频谱密度由无穷个冲激函数组成 离散性：频谱是离散的，由无穷多个冲激函数组成； 谐波性：谱线只在基波频率的整数倍上出现，即谱线代表的是基波及其高次谐波分量的幅度或相位信息； 收敛性：各次谐波的幅度随着谐波次数的增大而逐渐减小。,1.周期信号的频

2、谱特性,频谱密度函数F (j)是的连续函数 当f (t)为实函数时，有F(j) = F*(-j) 当f (t)为虚函数时，有F(j) = -F*(-j) 无论f (t)为实函数或虚函数，幅度谱|F(j)|关于纵轴对称，相位谱e j()关于原点对称,2.非周期信号的频谱特性,脉冲宽度是时域概念 指在一个周期内脉冲波形的两个零点之间的时间间隔； 频带宽度（带宽）是频域概念 在周期信号频谱中，从零频率到需要考虑的最高次谐波频率之间的频段即为该信号的有效占有带宽； 实际应用中，常把零频到频谱包络线第一个零点间的频段作为频带宽带,3.脉冲宽度和频带宽度,信号f(t)的能量定义为,4.信号的能量谱,令,能

3、量密度谱，简称能量谱或能谱，表示单位频带内所含能量。任何带宽内的信号能量均与能量谱曲线下相应的面积成正比,5.信号的功率谱,信号f(t)的功率定义为,令,， 则有,功率密度谱，简称功率谱，表示单位频带内单位频带内的功率,6.信号的频谱分析技术,频谱分析以付里叶分析为理论基础，可对不同频段的信号进行线性或非线性分析 对信号本身的频率特性分析 对线性系统非线性失真的测量,7. 频谱分析仪的基本原理,FFT分析（实时分析）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,7. 频谱分析仪的基本原理（续）,离散时域信号的频谱特性,7. 频谱分析仪的基本原理（续

4、）,非实时分析法 扫频式分析 差频式分析（外差式分析）,8. 频谱分析仪的分类,按分析处理方法分类：模拟式频谱仪、数字式频谱仪、模拟/数字混合式频谱仪 按基本工作原理分类：扫描式频谱仪、非扫描式频谱仪 按处理的实时性分类：实时频谱仪、非实时频谱仪； 按频率轴刻度分类：恒带宽分析式频谱仪、恒百分比带宽分析式频谱仪 按输入通道数目分类：单通道、多通道频谱仪； 按工作频带分类：高频、射频、低频等频谱仪,8. 频谱分析仪的分类（续）,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

5、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,8. 频谱分析仪的分类（续）,实时频谱仪和非实时频谱仪,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. 频谱分析仪的分类（续）,恒带宽与恒百分比带宽分析式频谱仪,恒带宽分析式频

6、谱仪：频率轴为线性刻度，信号的基频分量和各次谐波分量在横轴上等间距排列，适用于周期信号和波形失真的分析。 恒百分比带宽分析式频谱仪：频率轴采用对数刻度，频率范围覆盖较宽，能兼顾高、低频段的频率分辨率，适用于噪声类广谱随机信号的分析。,6.1.3 常用频域测试仪器,1. 频率特性测试仪(扫频仪),2. 频谱分析仪,3. 网络分析仪,6.2 频谱分析仪,频谱分析仪的种类,外差式频谱分析仪,频谱分析仪的主要性能指标,频谱分析仪实例,6.2.1 频谱分析仪的种类,按信号处理方式的不同,以模拟滤波器为基础，用滤波器来实现信号中个频率成分的分离，分离出的频率分量经检波器检波成直流后，由显示器显示出来。,以

7、数字方式对信号进行频谱分析，精度高，动态范围宽，工作频率不高。,将外差技术和数字技术结合进行频谱分析，频率范围广，分辨力高。,6.2.2 外差式频谱分析仪,工作频率范围宽，灵敏度高,采用外差技术来提取信号的频率分量，使信号各频率分量依次进入中频放大器而被提取出来进行频谱分析。,6.2.3 频谱分析仪的主要性能指标,频率分辨力是反映频谱分析仪频率特性的主要性能指标。指频谱分析仪能够分辨的最小谱线间隔，表征频谱分析仪能够区分两个频率相邻信号的能力。,频率分辨力是由频谱分析仪中窄带滤波器的带宽（3dB带宽）决定。其数值越小，频率分辨力越强。,6.2.3 频谱分析仪的主要性能指标,6.2.3 频谱分析

8、仪的主要性能指标,频率分辨力和本地振荡器的扫频速度有关。这是由与频谱分析仪的窄带滤波器的幅频特性曲线与扫频速度有关。 当扫频速度为零时，窄带滤波器的幅频特性曲线的3dB带宽称为静态分辨力。 当扫频速度不为零时，窄带滤波器的幅频特性曲线的3dB带宽称为动态分辨力。,灵敏度指在给定分辨带宽、显示方式和其他影响因素的条件下，频谱分析仪能测量最小信号电平的能力。,是反映频谱分析仪幅度特性的两个主要的性能指标。,频谱分析仪的灵敏度主要取决于仪器内部的噪声电平。一般情况下，最小信号电平通常应高于噪声电平10dB。,动态范围指频谱分析仪能够同时测量的最大信号电平与最小信号电平之差。,是反映频谱分析仪幅度特性

9、的两个主要的性能指标。,最大信号电平由频谱分析仪的最佳输入电平决定；最小信号电平由频谱仪的灵敏度决定。,扫频宽度是指频谱分析仪在一次频谱分析过程中显示的频率范围，即与显示屏水平轴起止点相对应的频率之差。,是反映频谱分析仪扫频特性的三个主要的性能指标。,扫频宽度一般可以调节。调宽扫频宽度，便于观察信号频谱的全貌；调窄扫频宽度，便于分析信号频谱的细节。,分析时间是指完成一次扫频过程所需要的时间，也即从频谱分析仪显示屏水平轴最左端到最右端扫频一次所需要的时间。,是反映频谱分析仪扫频特性的三个主要的性能指标。,分析时间主要受分辨带宽滤波器的限制。,扫频速度是指扫频宽度与分析时间之比。,是反映频谱分析仪

10、扫频特性的三个主要的性能指标。,扫频速度的大小对频谱分析仪的频率分辨力有较大影响，应合理选择。,6.2.4 频谱分析仪实例,MS2711B型频谱分析仪,安立（Anritsu）公司, 模式键（MODE）,用于选择测量模式（频谱分析、功率监视、跟踪发生器、快速调谐跟踪发生器）,激活与频率有关的功能菜单（设置中心频率、扫频宽度、起始频率和终止频率等, 频率/扫频宽度键（FREQ/SPAN）,激活与幅度有关的功能菜单（设置参考电平、幅度范围等）, 幅度键（AMPLITUDE）,激活与带宽和扫频有关的功能菜单（设置频率分辨力等）, 带宽/扫频键 （BW/SWEEP）,第一步：打开电源,第二步：接入被测信号 （-10dBm,900MHz）,第三步：设置中心频率 （FREQ/SPAN,900MHz）,第四步：设置扫频宽度 （FREQ/SPAN, 20MHz）,第一步：打开电源,第二步：接入被测信号 （-10dBm,900MHz）,第三步：设置中心频率 （FREQ/SPAN,900MHz）,第四步：设置扫频宽度 （FREQ/SPAN, 20MHz）,第五步：设置幅度显示 （AMPLITUDE, 参考电平-10dBm,10dB/格）,第一步：打开电源,第二步：接入被