電子測(cè)量教案chapter7n

1、第第7章章 頻譜分析儀原理頻譜分析儀原理 一、概述一、概述 二、信號(hào)（時(shí)頻對(duì)應(yīng)關(guān)系）二、信號(hào)（時(shí)頻對(duì)應(yīng)關(guān)系） 三、頻譜分析儀的分類(lèi)三、頻譜分析儀的分類(lèi) 四、順序?yàn)V波式頻譜分析儀四、順序?yàn)V波式頻譜分析儀 五、五、FFT分析儀分析儀 六、六、外差式頻譜分析儀外差式頻譜分析儀 一、概 述n頻域測(cè)試和時(shí)域測(cè)試的關(guān)系頻域測(cè)試和時(shí)域測(cè)試的關(guān)系n頻域測(cè)試的主要內(nèi)容頻域測(cè)試的主要內(nèi)容 信號(hào)的頻譜分析信號(hào)的頻譜分析 基波、諧波、寄生調(diào)制、相位噪聲、非相干寄生基波、諧波、寄生調(diào)制、相位噪聲、非相干寄生信號(hào)（雜散）信號(hào)（雜散） 信號(hào)調(diào)制情況分析信號(hào)調(diào)制情況分析 頻譜監(jiān)測(cè)頻譜監(jiān)測(cè)n頻域測(cè)試的典型儀器頻域測(cè)試的典型儀器

2、頻譜分析儀頻譜分析儀 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理n 頻譜分析儀頻譜分析儀 也稱(chēng)為信號(hào)分析儀也稱(chēng)為信號(hào)分析儀n 網(wǎng)絡(luò)分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀用于對(duì)電子網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性進(jìn)行分析用于對(duì)電子網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性進(jìn)行分析n 失真度分析儀失真度分析儀用于測(cè)量音頻電路的失真用于測(cè)量音頻電路的失真n 射頻功率計(jì)射頻功率計(jì)用于精確測(cè)量音頻和微波信號(hào)的功率電平用于精確測(cè)量音頻和微波信號(hào)的功率電平 一、概 述（續(xù)） 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理1、時(shí)域和頻域的關(guān)系、時(shí)域和頻域的關(guān)系 時(shí)域：橫坐標(biāo)是時(shí)間軸時(shí)域：橫坐標(biāo)是時(shí)間軸 頻域：橫坐標(biāo)是頻率軸頻域：橫坐標(biāo)是頻率軸 - 從不同角度來(lái)描述信號(hào)的特征從不同

3、角度來(lái)描述信號(hào)的特征- 具有相同頻譜的兩個(gè)信號(hào)，可能在時(shí)域具有相同頻譜的兩個(gè)信號(hào)，可能在時(shí)域 上顯示是不同波形的信號(hào)上顯示是不同波形的信號(hào) 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理2、信號(hào)的傅立葉分析、信號(hào)的傅立葉分析 （回顧）（回顧）傅立葉變換和反變換傅立葉變換和反變換 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理 ttxtxFfXftdej2f ffXfXFtxftdej2ff1對(duì)于周期信號(hào)：對(duì)于周期信號(hào)：n 周期信號(hào)在頻域中為離散的譜線周期信號(hào)在頻域中為離散的譜線n 非周期信號(hào)在頻域中為連續(xù)的譜線非周期信號(hào)在頻域中為連續(xù)的譜線 第八章第八章 頻譜分析原理頻

4、譜分析原理 10100cossin2nnnntnBtnAAtx常見(jiàn)信號(hào)的頻譜常見(jiàn)信號(hào)的頻譜 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理n 按頻率范圍按頻率范圍 - 音頻范圍（音頻范圍（AF）到到1MHz左右左右 - 射頻范圍（射頻范圍（RF）到到3GHz左右左右 - 微波范圍微波范圍到到40GHz左右左右 - 毫米波范圍毫米波范圍超過(guò)超過(guò)40GHzn 按照實(shí)現(xiàn)方式按照實(shí)現(xiàn)方式 - 順序?yàn)V波式順序?yàn)V波式 - FFT分析儀分析儀 - 外差式頻譜分析儀外差式頻譜分析儀 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理特點(diǎn)：實(shí)時(shí)顯示，但需要大量的濾波器特點(diǎn)：實(shí)時(shí)顯示，但需要大量的濾波器四、順序?yàn)V波式頻譜分析儀四、順

5、序?yàn)V波式頻譜分析儀前置前置放大器放大器檢波器檢波器階梯波階梯波掃描發(fā)生器掃描發(fā)生器S信號(hào)輸入信號(hào)輸入 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理四、順序?yàn)V波式頻譜分析儀（續(xù)）四、順序?yàn)V波式頻譜分析儀（續(xù)）問(wèn)問(wèn) 題：題：n 濾波器帶寬決定了對(duì)于頻率分辨率濾波器帶寬決定了對(duì)于頻率分辨率 例如：例如：100Hz帶寬，表示每根譜線有帶寬，表示每根譜線有100Hz的不確的不確定性；定性； 兩根頻譜間距小于兩根頻譜間距小于100Hz則無(wú)法區(qū)分，此時(shí)則無(wú)法區(qū)分，此時(shí)的譜線表示了在的譜線表示了在100Hz頻帶內(nèi)的總能量頻帶內(nèi)的總能量n 如何解決濾波器數(shù)量太多、不一致性問(wèn)題如

6、何解決濾波器數(shù)量太多、不一致性問(wèn)題 中心頻率可調(diào)的模擬濾波器？中心頻率可調(diào)的模擬濾波器？ FFT分析？分析？ 外差式頻譜分析儀？外差式頻譜分析儀？Page 230n 掃頻濾波式頻譜儀掃頻濾波式頻譜儀問(wèn)題：中心頻率可調(diào)，但范圍寬、一致性好的濾波器問(wèn)題：中心頻率可調(diào)，但范圍寬、一致性好的濾波器 難以實(shí)現(xiàn)難以實(shí)現(xiàn) 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理五、五、FFT分析儀分析儀n FFT分析儀，也稱(chēng)為動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀分析儀，也稱(chēng)為動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀n 利用利用FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜成分的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜成分的測(cè)量 通過(guò)通過(guò)ADC, 以設(shè)定以設(shè)定采樣率采樣率來(lái)采樣來(lái)采樣 FFT計(jì)算計(jì)算 將結(jié)果以圖形顯示出來(lái)

7、將結(jié)果以圖形顯示出來(lái) 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理n FFT分析儀的理論基礎(chǔ)分析儀的理論基礎(chǔ) 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理 10/j2 seNnNknnTxkX頻率分量頻率分量 離散傅立葉變換（離散傅立葉變換（DFT） ss1TNkNfkkf（1）被采樣的信號(hào)必須有周期性（周期）被采樣的信號(hào)必須有周期性（周期T0）；）；（2）觀察時(shí)間必須是被采樣信號(hào)周期）觀察時(shí)間必須是被采樣信號(hào)周期T0的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。n FFT分析儀的采樣分析儀的采樣 根據(jù)奈奎斯特采樣定律，采樣頻率應(yīng)至少高于輸入信號(hào)根據(jù)奈奎斯特采樣定律，采樣頻率應(yīng)至少高于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍最高頻率的兩倍 ，信號(hào)才

8、可以被不失真的恢復(fù)。否則，產(chǎn)，信號(hào)才可以被不失真的恢復(fù)。否則，產(chǎn)生混疊。生混疊。 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理n 前置的低通濾波器前置的低通濾波器n fs大于大于2.56 fcn 有限次采樣有限次采樣 加窗加窗 不可能無(wú)限次采樣，有限次采樣相當(dāng)于 加矩形窗，導(dǎo)致泄露現(xiàn)象，幅度和頻率的誤差 采用其他窗函數(shù) 或者采用頻率校正算法 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理n FFT分析儀的性能指標(biāo)分析儀的性能指標(biāo)（1）頻率特性）頻率特性 頻率范圍頻率范圍 fs2.56fmax , 常見(jiàn)常見(jiàn) 10MHz 采樣速率采樣速率 由由ADC的速度決定的速度決定 頻率分辨力頻率分辨力 頻率間隔為頻率間隔

9、為fs/N （2）幅度特性）幅度特性 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍 由由A/D的位數(shù)決定，位數(shù)和轉(zhuǎn)換速度矛盾，的位數(shù)決定，位數(shù)和轉(zhuǎn)換速度矛盾，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)范圍與最大輸入頻率是矛盾的導(dǎo)致動(dòng)態(tài)范圍與最大輸入頻率是矛盾的 例如：例如： 100KHz帶寬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)帶寬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)100dB 靈敏度和精度靈敏度和精度 本機(jī)噪聲、量化噪聲、計(jì)算誤差等本機(jī)噪聲、量化噪聲、計(jì)算誤差等 例如：例如：1.5dB, +271.5dB, +27-120dBV-120dBV 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理n FFT分析儀的性能指標(biāo)分析儀的性能指標(biāo)（3）分析速度）分析速度 取決于取決于FFT運(yùn)算、處理時(shí)間運(yùn)算、處理時(shí)間（4

10、）其他特性）其他特性 通道數(shù)、窗函數(shù)種類(lèi)、平均計(jì)算等通道數(shù)、窗函數(shù)種類(lèi)、平均計(jì)算等 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理六、外差式頻譜分析儀六、外差式頻譜分析儀 用濾波器依次選出各個(gè)頻率，測(cè)量此頻率信號(hào)的幅度，得到頻譜用濾波器依次選出各個(gè)頻率，測(cè)量此頻率信號(hào)的幅度，得到頻譜1、掃描濾波式頻譜分析儀、掃描濾波式頻譜分析儀 ：放大器電調(diào)信號(hào)（鋸齒波）顯示器放大器檢波器電調(diào)諧濾波器 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。由優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。由于沒(méi)有混頻電路避免了鏡像信號(hào)于沒(méi)有混頻電路避免了鏡像信號(hào)缺點(diǎn)：中心頻率可調(diào)且調(diào)整范圍

11、缺點(diǎn)：中心頻率可調(diào)且調(diào)整范圍很寬的窄帶濾波器難以實(shí)現(xiàn)很寬的窄帶濾波器難以實(shí)現(xiàn) ，工，工作頻帶較窄，而且靈敏度低作頻帶較窄，而且靈敏度低 解決辦法：外差式頻譜儀解決辦法：外差式頻譜儀輸入頻譜輸入頻譜fxifo 掃頻掃頻本機(jī)振蕩器本機(jī)振蕩器fL（t）xiLoftff )( 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理2、外差式頻譜分析儀、外差式頻譜分析儀 （1）、工作原理：）、工作原理：輸入信號(hào)頻譜：輸入信號(hào)頻譜：fx1 fx2 fxn 掃描掃描電壓發(fā)生器電壓發(fā)生器掃頻振蕩器掃頻振蕩器fL（t）（可變）（可變）混頻器混頻器fo= fL（t）-fxn濾波器濾波器檢波器檢波器顯示器顯示器 第八章第八章 頻譜

12、分析原理頻譜分析原理結(jié)論：結(jié)論： 掃頻外差式頻譜儀對(duì)被分析的頻譜是一個(gè)一個(gè)掃頻外差式頻譜儀對(duì)被分析的頻譜是一個(gè)一個(gè)順序采樣，所以不是實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示；順序采樣，所以不是實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示； 由于采用外差接收方法，所以不用大量的濾由于采用外差接收方法，所以不用大量的濾波器波器 ，這是優(yōu)于順序法的特點(diǎn)之一；，這是優(yōu)于順序法的特點(diǎn)之一； 頻譜儀的性能是否良好，與本機(jī)振蕩器的頻率頻譜儀的性能是否良好，與本機(jī)振蕩器的頻率穩(wěn)定度直接相關(guān)，故采用鎖相頻率合成技術(shù)，使本穩(wěn)定度直接相關(guān)，故采用鎖相頻率合成技術(shù)，使本機(jī)振蕩器頻率穩(wěn)定。機(jī)振蕩器頻率穩(wěn)定。 由于中頻濾波器以后的電路頻帶較窄，有利于提高放由于中頻濾波器以后的

13、電路頻帶較窄，有利于提高放大器增益和整機(jī)靈敏度；大器增益和整機(jī)靈敏度； 整機(jī)頻譜分析儀的頻率覆蓋范圍可以大幅度提高整機(jī)頻譜分析儀的頻率覆蓋范圍可以大幅度提高 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理典型外差式頻譜儀的框圖（2）外差式頻譜儀的主要參數(shù) 頻率顯示范圍 （起始和終止頻率） 電平顯示范圍 （參考電平） 分辨率帶寬 （中頻濾波器的3dB帶寬 ） 掃描時(shí)間 （3）外差式頻譜分析儀各模塊的原理和功能 A、輸入電路 輸入阻抗：75或50 射頻衰減器：060dB 步進(jìn) 輸入濾波器 ：低通，抑制鏡像干擾B、混頻器IFinLOfff當(dāng)當(dāng)fin= fLO +fIF或或fin= fLO -fIF 時(shí)，不能

14、區(qū)分，時(shí)，不能區(qū)分，稱(chēng)為鏡像頻率。解決辦法，混頻前加濾波器稱(chēng)為鏡像頻率。解決辦法，混頻前加濾波器鏡像頻率之間的頻差為鏡像頻率之間的頻差為2fIF。 中頻的選擇：低中頻和高中頻中頻的選擇：低中頻和高中頻低中頻頻率范圍大于頻率范圍大于2倍中頻時(shí)，有重疊倍中頻時(shí)，有重疊高中頻inLOIFfffC、本振 變?nèi)荻O管（連續(xù)）掃頻寬度小掃頻寬度小 磁調(diào)制 （連續(xù)）掃頻寬度大掃頻寬度大 鎖相環(huán)式或者直接數(shù)字合成式頻率合成器 （頻率穩(wěn)定度高，頻率穩(wěn)定度高，步進(jìn)，要求步長(zhǎng)小于RBW的1/10）D、二次變頻 高中頻的窄帶濾波器很難實(shí)現(xiàn) E、中頻濾波器 分辨率帶寬（RBW）：濾波器的3dB帶寬 正弦波的頻譜顯示不是

15、一根譜線，而是濾波器的通帶特性曲線掃頻時(shí)的效果：掃頻時(shí)的效果： 以中心頻率可調(diào)的固定帶寬濾波器掃過(guò)整個(gè)測(cè)量頻率以中心頻率可調(diào)的固定帶寬濾波器掃過(guò)整個(gè)測(cè)量頻率常見(jiàn)常見(jiàn)RBW：10Hz、30Hz、100Hz、300Hz、1kHz、3kHz、10kHz、30kHz、100kHz、300kHz、1MHz、3MHz 決定頻率分辨率決定頻率分辨率-RBW影響頻譜儀顯示的噪聲電平影響頻譜儀顯示的噪聲電平影響測(cè)試速度影響測(cè)試速度F、檢波器 作用：把中頻信號(hào)變成直流信號(hào) 類(lèi)型：峰值檢波、平均值檢波、有效值檢波和準(zhǔn)峰值檢波器 顯示方式：最大、最小、自動(dòng)、正常、取樣、平均 G、視頻濾波器 （VBW） 作用：低通濾波

16、器，用于濾除包絡(luò)信號(hào)中的噪聲，平滑顯示軌跡 對(duì)掃頻速度有影響 選擇：信噪比大時(shí)：VBW=RBW 信噪比小時(shí)：VBW10*RBW（4）、外差式頻譜分析儀的主要工作特性 A、頻率分辨率頻率分辨力頻率分辨力靜態(tài)分辨力靜態(tài)分辨力動(dòng)態(tài)分辨力動(dòng)態(tài)分辨力BqBd定義：頻譜儀的分辨力是指能夠分辨的最小譜線間隔。定義：頻譜儀的分辨力是指能夠分辨的最小譜線間隔。即幅頻特性的即幅頻特性的3dB帶寬。帶寬。左圖：觀察到的譜線。左圖：觀察到的譜線。右圖：右圖：3dB帶寬過(guò)寬，帶寬過(guò)寬，分辨力太低時(shí)的圖形。分辨力太低時(shí)的圖形。動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性和和靜靜態(tài)態(tài)特特性性的的關(guān)關(guān)系系ak 動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性的關(guān)系結(jié)論動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)

17、特性的關(guān)系結(jié)論動(dòng)態(tài)特性曲線的最大值比靜態(tài)特性曲線最大值小，且掃動(dòng)態(tài)特性曲線的最大值比靜態(tài)特性曲線最大值小，且掃頻速度頻速度越快，降低得越多越快，降低得越多 動(dòng)態(tài)特性曲線最大值出現(xiàn)的頻率將偏離諧振頻率動(dòng)態(tài)特性曲線最大值出現(xiàn)的頻率將偏離諧振頻率fo，并向，并向頻率頻率f增加的變化方向移動(dòng)，且隨增加的變化方向移動(dòng)，且隨的加快（即的加快（即k減小）其減?。┢淦x增大。偏離增大。 ak 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性的關(guān)系結(jié)論（續(xù)）動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性的關(guān)系結(jié)論（續(xù)）動(dòng)態(tài)特性曲線是不對(duì)稱(chēng)的，而且還可能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象動(dòng)態(tài)特性曲線是不對(duì)稱(chēng)的，而且還可能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象 。動(dòng)態(tài)特性曲線比靜態(tài)

18、特性曲線較鈍，帶寬增大動(dòng)態(tài)特性曲線比靜態(tài)特性曲線較鈍，帶寬增大 。akBd/BqBdBd0kqBK 0.511.5 22.512345000.5122.0 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理結(jié)論結(jié)論左圖：左圖：Bq固定，固定，Bd與掃速關(guān)系與掃速關(guān)系 kBd/BqBd動(dòng)態(tài)分辨動(dòng)態(tài)分辨力下降力下降右圖：掃頻速度右圖：掃頻速度 固定，固定，Bd與與Bq關(guān)系曲線關(guān)系曲線Bq寬，寬，k1即即 較小時(shí)較小時(shí),Bq Bd選擇窄的選擇窄的Bq有助于提高動(dòng)態(tài)分辨力。有助于提高動(dòng)態(tài)分辨力。Bq窄窄, k1即即 較大時(shí)，較大時(shí)，BqBd選擇窄的選擇窄的Bq反而使動(dòng)態(tài)分辨力降低。反而使動(dòng)態(tài)分辨力降低。最佳動(dòng)態(tài)分

19、辨力：最佳動(dòng)態(tài)分辨力：最小的最小的Bd（k=1） 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理B、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍靈敏度：頻譜儀顯示微弱信號(hào)的能力靈敏度：頻譜儀顯示微弱信號(hào)的能力 取決于儀器的內(nèi)部噪聲取決于儀器的內(nèi)部噪聲 （決定于帶寬）（決定于帶寬） 一般為一般為-80-130dB 動(dòng)態(tài)范圍：表征頻譜儀同時(shí)顯示大信號(hào)和小信號(hào)頻譜動(dòng)態(tài)范圍：表征頻譜儀同時(shí)顯示大信號(hào)和小信號(hào)頻譜 的能力的能力 上限由非線性失真所決定，下限由頻譜分析儀的噪聲電上限由非線性失真所決定，下限由頻譜分析儀的噪聲電平?jīng)Q定平?jīng)Q定 60dB以上，可高達(dá)以上，可高達(dá)90dB 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理不同帶

20、寬和衰減下的噪聲電平1kHz RBW10kHz RBW100kHz RBW10dB10dBC、掃頻寬度和分析時(shí)間、掃頻寬度和分析時(shí)間 掃頻寬度（或分析譜寬）：頻譜儀在一次分析過(guò)程中掃頻寬度（或分析譜寬）：頻譜儀在一次分析過(guò)程中所顯示的頻率范圍。所顯示的頻率范圍。 分析時(shí)間：完成一次頻譜分析所需的時(shí)間分析時(shí)間：完成一次頻譜分析所需的時(shí)間 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理（5）參數(shù)之間的依賴(lài)關(guān)系）參數(shù)之間的依賴(lài)關(guān)系 掃描時(shí)間、頻率跨度、分辨率帶寬和視頻帶寬掃描時(shí)間、頻率跨度、分辨率帶寬和視頻帶寬 RBW、VBW和掃描時(shí)間通常情況下是聯(lián)動(dòng)和掃描時(shí)間通常情況下是聯(lián)動(dòng) 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理2RBWSPANK 掃描時(shí)間 參考電平與射頻衰減參考電平與射頻衰減 RF衰減器與參考電平聯(lián)動(dòng)衰減器與參考電平聯(lián)動(dòng) 射頻衰減器射頻衰減器ARF和中頻增益和中頻增益GIF可作為參考電平的可作為參考電平的函數(shù)自動(dòng)調(diào)整函數(shù)自動(dòng)調(diào)整 第八章第八章 頻譜分析原理頻譜分析原理頻譜分析儀的典型技術(shù)參數(shù)頻譜分析儀的典型技術(shù)參數(shù)n 頻率測(cè)量范圍：頻率測(cè)量范圍： 9KHz-3.6GHzn 幅度測(cè)量范圍：幅度測(cè)量范圍： +25- -150dBm