第6章 頻域測(cè)量

1、第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量第第6章章 頻域測(cè)量技術(shù)頻域測(cè)量技術(shù) 6.1 頻域測(cè)量的原理與分類頻域測(cè)量的原理與分類6.2 線性系統(tǒng)頻率特性測(cè)量線性系統(tǒng)頻率特性測(cè)量6.3 頻譜分析測(cè)量頻譜分析測(cè)量第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量6.1 頻域測(cè)量的原理與分類頻域測(cè)量的原理與分類6.1.1 頻域測(cè)量的原理對(duì)于一個(gè)過程或信號(hào)，它具有時(shí)間-頻率-幅度的三維特性，如圖6.1所示。頻 率頻 域電 壓時(shí) 域時(shí) 間圖6.1 信號(hào)的三維特性第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量6.1.2 頻域測(cè)量的分類 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，頻域分析和測(cè)量的對(duì)象和目的也各不相同，通常有以下幾種： （1）頻率特性測(cè)量頻率特性測(cè)量： 主

2、要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性進(jìn)行測(cè)量，包括幅頻特性、相頻特性、帶寬及回路Q值等。（2） 選頻測(cè)量選頻測(cè)量： 利用選頻電壓表，通過調(diào)諧濾波的方法，選出并測(cè)量信號(hào)中某些頻率分量的大小。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量（3） 頻譜分析頻譜分析： 用頻譜分析儀分析信號(hào)中所含的各個(gè)頻率分量的幅值、功率、能量和相位關(guān)系，以及振蕩信號(hào)源的相位噪聲特性、空間電磁干擾等。（4） 調(diào)制度分析測(cè)量調(diào)制度分析測(cè)量： 對(duì)各種頻帶的射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，測(cè)量其調(diào)制度，如調(diào)幅波的調(diào)幅系數(shù)、調(diào)頻波的頻偏、調(diào)頻指數(shù)以及它們的寄生調(diào)制參量。（5） 諧波失真度測(cè)量諧波失真度測(cè)量： 信號(hào)通過非線性器件都會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量，俗稱非線性

3、失真。這些新的頻率分量包括諧波和互調(diào)。 第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量6.2 線性系統(tǒng)頻率特性測(cè)量線性系統(tǒng)頻率特性測(cè)量 在電路的設(shè)計(jì)或產(chǎn)品的生產(chǎn)調(diào)試中， 經(jīng)常需要了解某個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性(通常指幅頻特性)。 網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓恒定時(shí)， 其輸出電壓隨頻率變化的關(guān)系特性。 從測(cè)量原理上講，網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測(cè)量主要有點(diǎn)頻測(cè)量法有點(diǎn)頻測(cè)量法和掃頻測(cè)量法掃頻測(cè)量法兩種。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量1點(diǎn)頻測(cè)量法點(diǎn)頻測(cè)量法點(diǎn)頻法就是通過逐點(diǎn)測(cè)量一系列規(guī)定頻率點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò)增益點(diǎn)頻法就是通過逐點(diǎn)測(cè)量一系列規(guī)定頻率點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò)增益(或或衰減衰減)來確定幅頻特性曲線的方法來確定幅頻特性曲線的方法，其原

4、理如圖6.2所示。 正弦波信號(hào)發(fā)生器作為網(wǎng)絡(luò)輸入的正弦波信號(hào)發(fā)生器作為網(wǎng)絡(luò)輸入的信號(hào)源信號(hào)源，提供頻率和電壓，提供頻率和電壓幅度均可調(diào)整的正弦信號(hào)；幅度均可調(diào)整的正弦信號(hào)； 電壓表電壓表作為網(wǎng)絡(luò)輸入端的電壓幅度作為網(wǎng)絡(luò)輸入端的電壓幅度指示器；指示器； 電壓表電壓表作為網(wǎng)絡(luò)輸出端的電壓幅度指示器。作為網(wǎng)絡(luò)輸出端的電壓幅度指示器。測(cè)量方法：測(cè)量方法： 在被測(cè)網(wǎng)絡(luò)整個(gè)工作頻段內(nèi)，改變輸入信號(hào)的頻率改變輸入信號(hào)的頻率，注意在改變輸入信號(hào)頻率的同時(shí)，保持輸入電壓的幅度恒定(用電壓表I來監(jiān)視)，在被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出端用電壓表測(cè)出各頻率點(diǎn)相應(yīng)的輸出電壓，做好記錄。然后在直角坐標(biāo)中，以橫軸表示頻率的變化，以縱軸表示

5、輸出電壓幅度的變化，連接各點(diǎn)，就描繪出網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。 第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量圖6.2點(diǎn)頻法測(cè)量幅頻特性 點(diǎn)頻法是一種靜態(tài)測(cè)量法，它的測(cè)量準(zhǔn)確度較高，能反映出被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)特性，測(cè)量時(shí)不需要特殊儀器，是工程技術(shù)人員在沒有頻率特性測(cè)試儀的條件下，進(jìn)行科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)的基本方法之一。這種方法的缺點(diǎn)是操作繁瑣，工作量大，容這種方法的缺點(diǎn)是操作繁瑣，工作量大，容易漏測(cè)某些細(xì)節(jié)，又不能反映出被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性易漏測(cè)某些細(xì)節(jié)，又不能反映出被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量2掃頻測(cè)量法掃頻測(cè)量法掃頻測(cè)量法是在點(diǎn)頻測(cè)量法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它是利用一它是利用一個(gè)掃頻信號(hào)發(fā)生器取代

6、了點(diǎn)頻法中的正弦信號(hào)發(fā)生器，用示波器取個(gè)掃頻信號(hào)發(fā)生器取代了點(diǎn)頻法中的正弦信號(hào)發(fā)生器，用示波器取代了點(diǎn)頻法中的電壓表而組成的。代了點(diǎn)頻法中的電壓表而組成的。其工作原理如圖6.3所示。 圖圖(a)(a)中掃頻振蕩器是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它產(chǎn)生一個(gè)中掃頻振蕩器是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它產(chǎn)生一個(gè)幅度恒定且頻率幅度恒定且頻率隨時(shí)間線性連續(xù)變化隨時(shí)間線性連續(xù)變化的信號(hào)作為被測(cè)電路的輸入信號(hào)，通常稱為的信號(hào)作為被測(cè)電路的輸入信號(hào)，通常稱為掃掃頻信號(hào)頻信號(hào)，如圖，如圖6.2(b)6.2(b)中的波形中的波形。 這個(gè)掃頻信號(hào)經(jīng)過被測(cè)電路后就不再是等幅的，其幅度按照被這個(gè)掃頻信號(hào)經(jīng)過被測(cè)電路后就不再是等幅的，其幅度按照被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻

7、特性作相應(yīng)變化，如圖測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性作相應(yīng)變化，如圖6.2(b)6.2(b)中的波形中的波形。這個(gè)波形這個(gè)波形的包絡(luò)線的形狀就是被測(cè)電路的幅頻特性，經(jīng)過包絡(luò)檢波器將其包的包絡(luò)線的形狀就是被測(cè)電路的幅頻特性，經(jīng)過包絡(luò)檢波器將其包絡(luò)解調(diào)出來絡(luò)解調(diào)出來，最后經(jīng)過，最后經(jīng)過Y Y通道放大器放大，加到示波管通道放大器放大，加到示波管Y Y偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。 第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量圖6.3掃頻法測(cè)量幅頻特性 第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量掃描電路產(chǎn)生線性良好的鋸齒波電壓，如圖掃描電路產(chǎn)生線性良好的鋸齒波電壓，如圖6.3(b)6.3(b)中的波形中的波形。這個(gè)鋸齒波電壓一方面加到掃頻振蕩器中對(duì)

8、其振蕩頻率進(jìn)行調(diào)制，這個(gè)鋸齒波電壓一方面加到掃頻振蕩器中對(duì)其振蕩頻率進(jìn)行調(diào)制，使其輸出信號(hào)的瞬時(shí)頻率在一定的頻率范圍內(nèi)由低到高作線性變化，使其輸出信號(hào)的瞬時(shí)頻率在一定的頻率范圍內(nèi)由低到高作線性變化，但其幅度不變，這就是前述的但其幅度不變，這就是前述的掃頻信號(hào)掃頻信號(hào)；另一方面，該鋸齒波電壓；另一方面，該鋸齒波電壓通過放大，加到示波管通過放大，加到示波管X X偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，配合偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，配合Y Y偏轉(zhuǎn)信號(hào)來顯示圖形。偏轉(zhuǎn)信號(hào)來顯示圖形。示波管的水平掃描電壓同時(shí)又用于調(diào)制掃頻信號(hào)發(fā)生器，形成掃頻信號(hào)。因此，示波管屏幕光點(diǎn)的水平移動(dòng)與掃頻信號(hào)頻率隨時(shí)示波管屏幕光點(diǎn)的水平移動(dòng)與掃頻信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化規(guī)律

9、完全一致，所以水平軸也就變換成頻率軸。也就是說，間的變化規(guī)律完全一致，所以水平軸也就變換成頻率軸。也就是說，在屏幕上顯示的圖形是被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。在屏幕上顯示的圖形是被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量掃頻測(cè)量法具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)頻率特性的自動(dòng)或半自動(dòng)測(cè)量，特別是在進(jìn)行電路測(cè)試時(shí)，人們可以一面調(diào)節(jié)電路中的有關(guān)元件，一面觀察熒光屏上頻率特性曲線的變化，隨時(shí)判明元件變化對(duì)幅頻特性產(chǎn)生的影響，迅速調(diào)整，查找電路的故障。（2） 由于掃頻信號(hào)的頻率是連續(xù)變化的，因此，所得到的被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線也是連續(xù)的，不會(huì)出現(xiàn)由于點(diǎn)頻法中頻率點(diǎn)離散而遺漏細(xì)節(jié)的問題，且能夠觀

10、察到電路存在的各種沖激變化，如脈沖干擾等，更符合被測(cè)電路的應(yīng)用實(shí)際。（3）掃頻測(cè)量法測(cè)量簡單、速度快，可實(shí)現(xiàn)頻率特性測(cè)量的自動(dòng)化，已成為一種廣泛使用的方法。 第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量6.2.1頻率特性測(cè)試儀的基本組成和工作原理頻率特性測(cè)試儀的基本組成和工作原理頻率特性測(cè)試儀簡稱掃頻儀頻率特性測(cè)試儀簡稱掃頻儀，它是利用示波管直接顯示被測(cè)二端網(wǎng)絡(luò)頻率特性曲線的儀器，是描繪表征網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的儀器。頻率特性測(cè)試儀是在靜態(tài)逐點(diǎn)測(cè)量法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種快速、簡便、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、多參數(shù)、直觀的測(cè)量儀器，它被廣泛地應(yīng)用于電子、通信工程等領(lǐng)域，例如，家用電器(電視機(jī)、收錄機(jī)等)和通信設(shè)備(收、發(fā)信機(jī)等

11、)的測(cè)量、調(diào)試都離不開掃頻儀。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量1.頻率特性測(cè)試儀的基本組成和工作原理頻率特性測(cè)試儀的基本組成和工作原理掃頻儀的內(nèi)部電路組成如圖6.4中的虛線框內(nèi)的電路所示。 檢波探頭檢波探頭(檢波器，掃頻儀附件)是掃頻儀外部的一個(gè)電路部件，用于直接探測(cè)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓。檢波探頭與示波器的衰減探頭外形相似(體積稍大)，但電路結(jié)構(gòu)和作用不同，它內(nèi)藏二極管檢波內(nèi)藏二極管檢波電路，起包絡(luò)檢波作用電路，起包絡(luò)檢波作用。 掃頻儀有一個(gè)輸出端口和一個(gè)輸入端口：輸出端口輸出等幅掃輸出端口輸出等幅掃頻信號(hào)，作為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入測(cè)試信號(hào)頻信號(hào)，作為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入測(cè)試信號(hào)；輸入端口接收被測(cè)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)輸入

12、端口接收被測(cè)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)檢波后的輸出信號(hào)。檢波后的輸出信號(hào)。 測(cè)試時(shí)掃頻儀與被測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了閉合回路。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量圖6.4 掃頻儀的組成框圖 第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量1)掃描電路掃描電路掃描電路用于產(chǎn)生掃頻振蕩器所需的調(diào)制信號(hào)及示波管掃描電路用于產(chǎn)生掃頻振蕩器所需的調(diào)制信號(hào)及示波管所需的掃描信號(hào)。所需的掃描信號(hào)。 掃描電路的輸出信號(hào)可以是鋸齒波信號(hào)，也可以是正弦掃描電路的輸出信號(hào)可以是鋸齒波信號(hào)，也可以是正弦波或三角波信號(hào)。波或三角波信號(hào)。這些信號(hào)一般是由這些信號(hào)一般是由50Hz50Hz市電通過降壓之后市電通過降壓之后獲得，或由其它正弦信號(hào)經(jīng)過限幅、整形、放大及積分之后獲得

13、，或由其它正弦信號(hào)經(jīng)過限幅、整形、放大及積分之后得到。這樣設(shè)計(jì)的目的是為了簡化儀器的電路結(jié)構(gòu)，降低造得到。這樣設(shè)計(jì)的目的是為了簡化儀器的電路結(jié)構(gòu)，降低造價(jià)。價(jià)。由于調(diào)制信號(hào)與掃描信號(hào)的波形相同，因此，這樣設(shè)計(jì)由于調(diào)制信號(hào)與掃描信號(hào)的波形相同，因此，這樣設(shè)計(jì)并不會(huì)使所顯示的幅頻特性曲線失真。并不會(huì)使所顯示的幅頻特性曲線失真。2)掃頻振蕩器掃頻振蕩器掃頻振蕩器的作用是產(chǎn)生等幅的掃頻信號(hào)，即頻率隨時(shí)掃頻振蕩器的作用是產(chǎn)生等幅的掃頻信號(hào)，即頻率隨時(shí)間線性變化的等幅信號(hào)。間線性變化的等幅信號(hào)。在目前的掃頻儀中，掃頻振蕩器通常采用變?nèi)荻O管掃頻振蕩器或者磁調(diào)制掃頻振蕩器。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量3

14、)穩(wěn)幅電路穩(wěn)幅電路穩(wěn)幅電路的作用是減少寄生調(diào)幅。穩(wěn)幅電路的作用是減少寄生調(diào)幅。 掃頻振蕩器在產(chǎn)生掃頻信號(hào)的過程中，都會(huì)不同程度地改變著掃頻振蕩器在產(chǎn)生掃頻信號(hào)的過程中，都會(huì)不同程度地改變著振蕩回路的振蕩回路的Q Q值，從而使振蕩幅度隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，即產(chǎn)值，從而使振蕩幅度隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，即產(chǎn)生了寄生調(diào)幅。抑制寄生調(diào)幅的方法很多，最常用的方法是從掃頻生了寄生調(diào)幅。抑制寄生調(diào)幅的方法很多，最常用的方法是從掃頻振蕩器的輸出信號(hào)中取出寄生調(diào)幅分量并加以放大，再反饋到掃頻振蕩器的輸出信號(hào)中取出寄生調(diào)幅分量并加以放大，再反饋到掃頻振蕩器去控制振蕩管的工作點(diǎn)或工作電壓，使掃頻信號(hào)的振幅恒定。振

15、蕩器去控制振蕩管的工作點(diǎn)或工作電壓，使掃頻信號(hào)的振幅恒定。4)輸出衰減器輸出衰減器輸出衰減器用于改變掃頻信號(hào)的輸出幅度。輸出衰減器用于改變掃頻信號(hào)的輸出幅度。 在掃頻儀中，衰減器通常有兩組：一組為粗衰減，一般是按每在掃頻儀中，衰減器通常有兩組：一組為粗衰減，一般是按每擋擋10dB10dB或或20dB20dB步進(jìn)衰減；另一組為細(xì)衰減，按每擋步進(jìn)衰減；另一組為細(xì)衰減，按每擋1dB1dB或或2dB2dB步進(jìn)衰步進(jìn)衰減。多數(shù)掃頻儀的輸出衰減量可達(dá)減。多數(shù)掃頻儀的輸出衰減量可達(dá)100dB100dB。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量2.頻標(biāo)電路頻標(biāo)電路頻率標(biāo)志電路簡稱為頻標(biāo)電路，其作用是產(chǎn)生具有頻率標(biāo)志的

16、頻率標(biāo)志電路簡稱為頻標(biāo)電路，其作用是產(chǎn)生具有頻率標(biāo)志的圖形，將其疊加在幅頻特性曲線上，以便讀出曲線上各點(diǎn)相應(yīng)的頻圖形，將其疊加在幅頻特性曲線上，以便讀出曲線上各點(diǎn)相應(yīng)的頻率值。率值。 頻標(biāo)的產(chǎn)生方法通常是差頻法，其原理框圖如圖頻標(biāo)的產(chǎn)生方法通常是差頻法，其原理框圖如圖6.5所示。所示。晶體振蕩器產(chǎn)生的晶體振蕩器產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率信號(hào)基準(zhǔn)頻率信號(hào)經(jīng)諧波發(fā)生器后產(chǎn)生出一系列經(jīng)諧波發(fā)生器后產(chǎn)生出一系列的諧波分量，這些基波和諧波分量與掃頻信號(hào)一起進(jìn)入頻標(biāo)混頻器的諧波分量，這些基波和諧波分量與掃頻信號(hào)一起進(jìn)入頻標(biāo)混頻器進(jìn)行進(jìn)行混頻混頻。 當(dāng)掃頻信號(hào)的頻率正好等于基波或某次諧波的頻率時(shí)，混頻器當(dāng)掃頻信號(hào)的頻率

17、正好等于基波或某次諧波的頻率時(shí)，混頻器產(chǎn)生零差頻產(chǎn)生零差頻( (零拍零拍) )；當(dāng)兩者的頻率越接近時(shí)，混頻器輸出差頻越小；當(dāng)兩者的頻率越接近時(shí)，混頻器輸出差頻越小。 差頻信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾去高頻成分后，在差頻信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾去高頻成分后，在Y Y軸放大器中與圖形軸放大器中與圖形信號(hào)疊加，這樣，信號(hào)疊加，這樣，在被測(cè)電路的幅頻特性曲線上形成菱形圖形在被測(cè)電路的幅頻特性曲線上形成菱形圖形，如，如圖圖6.66.6所示，這就是所示，這就是菱形頻標(biāo)菱形頻標(biāo)。測(cè)量者利用頻標(biāo)可對(duì)圖形的頻率軸。測(cè)量者利用頻標(biāo)可對(duì)圖形的頻率軸進(jìn)行定量分析。進(jìn)行定量分析。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量圖6.5產(chǎn)生頻標(biāo)的原理框

18、圖 圖6.6疊加在曲線上的菱形頻標(biāo) 第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量差頻法所產(chǎn)生的菱形頻標(biāo)適用于測(cè)量高頻電路，因?yàn)榱庑晤l標(biāo)差頻法所產(chǎn)生的菱形頻標(biāo)適用于測(cè)量高頻電路，因?yàn)榱庑晤l標(biāo)具有一定的寬度，所以，只有菱形頻標(biāo)在被測(cè)幅頻特性曲線上所占具有一定的寬度，所以，只有菱形頻標(biāo)在被測(cè)幅頻特性曲線上所占有的相對(duì)帶寬很窄，才能形成一個(gè)很細(xì)的頻標(biāo)。有的相對(duì)帶寬很窄，才能形成一個(gè)很細(xì)的頻標(biāo)。 因此，在低頻測(cè)量中差頻法受到限制。為了提高低頻測(cè)量時(shí)頻因此，在低頻測(cè)量中差頻法受到限制。為了提高低頻測(cè)量時(shí)頻標(biāo)的分辨力，可以不直接把差頻信號(hào)波形疊加在圖形信號(hào)上，而利標(biāo)的分辨力，可以不直接把差頻信號(hào)波形疊加在圖形信號(hào)上，而

19、利用菱形的差頻信號(hào)去觸發(fā)一個(gè)用菱形的差頻信號(hào)去觸發(fā)一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(見圖見圖6.7)，將其輸出的，將其輸出的窄脈沖在窄脈沖在Y放大器中與圖形信號(hào)疊加。這樣，一個(gè)個(gè)窄脈沖波形將放大器中與圖形信號(hào)疊加。這樣，一個(gè)個(gè)窄脈沖波形將出現(xiàn)在被測(cè)幅頻特性曲線上，形似一根根細(xì)針，稱為出現(xiàn)在被測(cè)幅頻特性曲線上，形似一根根細(xì)針，稱為針形頻標(biāo)針形頻標(biāo)，如，如圖圖6.8所示。所示。 第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量圖6.7針形頻標(biāo)的形成 圖6.8針形頻標(biāo) 第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量2. 主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo) 掃頻儀的主要技術(shù)指標(biāo)有：掃頻儀的主要技術(shù)指標(biāo)有： 有效掃頻帶寬、掃頻線性、有效掃頻帶寬、

20、掃頻線性、幅度不平坦性等。幅度不平坦性等。 1） 有效掃頻寬度和中心頻率有效掃頻寬度和中心頻率 有效掃頻寬度也稱掃頻頻偏，是指在掃頻線性和幅度不平坦性符合要求的前提下，一次掃頻能達(dá)到的最大頻率范圍，即 f=fmax-fmin 式中, f為有效掃頻寬度；fmax、fmin為一次掃頻時(shí)能達(dá)到的最高和最低瞬時(shí)頻率。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量中心頻率定義為而把f/f0稱為相對(duì)掃頻寬度，即 通常把f遠(yuǎn)小于信號(hào)瞬時(shí)頻率值的掃頻信號(hào)稱為窄帶掃頻，把f可以和信號(hào)瞬時(shí)頻率相比擬的掃頻信號(hào)稱為寬帶掃頻。2minmax0fffminmaxminmax02ffffff第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量2） 掃頻線

21、性掃頻線性掃頻線性表示掃頻信號(hào)頻率與掃描電壓之間線性相關(guān)的程度，常用掃頻線性系數(shù)來表示，定義為3） 幅度不平坦性幅度不平坦性在幅頻特性測(cè)量中，必須保證掃頻信號(hào)的幅度保持不變。掃頻信號(hào)的幅度不平坦性常用它的寄生調(diào)幅來表示，定義為式中，A、B表示掃頻信號(hào)的最大和最小幅度。minmax)/()/(dudfdudfk %100BABAm第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量6.3頻譜分析儀概述頻譜分析儀概述 6.3.1頻譜分析儀的種類頻譜分析儀的種類信號(hào)的測(cè)量可以從頻域和時(shí)間域兩個(gè)方面進(jìn)行，頻譜分析儀就頻譜分析儀就是進(jìn)行信號(hào)頻域測(cè)量即頻譜分析的設(shè)備。是進(jìn)行信號(hào)頻域測(cè)量即頻譜分析的設(shè)備。頻譜分析儀從頻譜測(cè)試的

22、實(shí)現(xiàn)技術(shù)上區(qū)分為兩類：快速傅里葉快速傅里葉變換變換(FFT)頻譜分析儀頻譜分析儀和掃頻式頻譜分析儀掃頻式頻譜分析儀。FFT分析儀使用數(shù)值計(jì)算的方法處理周期信號(hào)，可提供頻率、幅度和相位信息，對(duì)周期信號(hào)和非周期信號(hào)均能分析。FFT分析儀的特點(diǎn)是速度快，精度高；局限性是其分析頻率的帶寬受到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣速率的限制，所以適合分析窄帶信號(hào)。 掃頻式頻譜分析儀可以分析穩(wěn)定和周期變化的信號(hào)，提供信號(hào)幅度和頻率信息，適合寬頻帶寬的快速掃描測(cè)試。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量6.3.2掃頻式頻譜分析儀的結(jié)構(gòu)及工作原理掃頻式頻譜分析儀的結(jié)構(gòu)及工作原理 1.掃頻式頻譜分析儀工作原理掃頻式頻譜分析儀工作

23、原理掃描調(diào)諧頻譜分析中采用超外差方式，能提供寬的頻率覆蓋范圍，同時(shí)允許在中頻(IF)進(jìn)行信號(hào)處理。分析儀的原理框圖如圖6.9所示。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量通過圖6.9可以看到這種頻譜儀主要由外差式接收機(jī)和示波器組成。輸入信號(hào)進(jìn)入頻譜儀以后與本振(LO)混頻，該本振要受到鋸齒波掃描電壓的調(diào)制(調(diào)頻)，當(dāng)本地振蕩器的頻率fL(t)在一定范圍內(nèi)掃動(dòng)時(shí)，輸入信號(hào)中的各頻率分量fc1、fc2和本振信號(hào)在混頻器中產(chǎn)生的差頻信號(hào)fI1、fI2、依次落入中頻放大器的通頻帶內(nèi)(這個(gè)通頻帶是固定的)獲得中頻增益后，信號(hào)送到檢波器，檢波器輸出的視頻信號(hào)通過放大、采樣、數(shù)字化后決定CRT顯示信號(hào)的垂直電平。掃

24、描振蕩器控制CRT顯示的水平頻率軸和本振調(diào)諧同步，同時(shí)驅(qū)動(dòng)水平CRT偏轉(zhuǎn)和調(diào)諧本振(LO)。由于示波器的掃描電壓就是掃頻振蕩器的調(diào)制電壓，由于示波器的掃描電壓就是掃頻振蕩器的調(diào)制電壓，所以水平軸變成頻率軸，因而在屏幕上顯示被測(cè)信號(hào)的頻譜所以水平軸變成頻率軸，因而在屏幕上顯示被測(cè)信號(hào)的頻譜圖。圖。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量頻譜分析儀依靠中頻濾波器分辨各頻率成分，檢波器測(cè)頻譜分析儀依靠中頻濾波器分辨各頻率成分，檢波器測(cè)量信號(hào)功率，依靠本振和顯示橫坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到信號(hào)頻量信號(hào)功率，依靠本振和顯示橫坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到信號(hào)頻率值。率值。實(shí)際中的頻譜儀的組成結(jié)構(gòu)要比圖7.1復(fù)雜得多，為了獲得高的靈

25、敏度和頻率分辨力，要采用多次變頻的方法，以便在幾個(gè)中間頻率上進(jìn)行電壓放大。2.掃頻式頻譜分析儀的主要組成部分掃頻式頻譜分析儀的主要組成部分(1)輸入衰減器：頻譜儀中的第一級(jí)處理的功能是保證頻頻譜儀中的第一級(jí)處理的功能是保證頻譜儀在寬頻范圍內(nèi)保持良好的匹配特性譜儀在寬頻范圍內(nèi)保持良好的匹配特性，并保護(hù)混頻及其它中頻處理電路。頻譜儀工作時(shí)，中頻放大器增益和衰減器設(shè)定值聯(lián)動(dòng)工作，所以輸入信號(hào)的顯示電平并不發(fā)生變化。(2)混頻器：完成信號(hào)的頻譜搬移，將不同頻率輸入信號(hào)變換到相應(yīng)的中頻頻率。在變頻處理中需要采取一定的手段解決鏡像及其它干擾問題。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量(3)中頻濾波器：這是頻譜分

26、析儀中的關(guān)鍵部分，其功能這是頻譜分析儀中的關(guān)鍵部分，其功能是分辨不同頻率信號(hào)。是分辨不同頻率信號(hào)。中頻濾波器的帶寬和形狀將影響頻譜儀的許多關(guān)鍵指標(biāo)，例如測(cè)量分辨率、測(cè)量靈敏度、測(cè)量速度以及測(cè)量精度等。(4)檢波器：檢波器的功能是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為視頻電壓，該電壓值對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)功率。不同特性的輸入信號(hào)(例如正弦信號(hào)、噪音信號(hào)、隨機(jī)調(diào)制信號(hào)等)需采用不同檢波方式才能準(zhǔn)確地測(cè)出該信號(hào)功率。(5)視頻濾波器：視頻濾波器對(duì)檢波器輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，減小視頻帶寬可對(duì)頻譜顯示中的噪聲抖動(dòng)進(jìn)行平滑，從而減小顯示噪聲的抖動(dòng)范圍。這有利于頻譜儀在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)被噪聲淹沒的小功率連續(xù)信號(hào)，還可提高測(cè)量的可

27、重復(fù)性。(6)對(duì)數(shù)放大器：為了使幅值坐標(biāo)為了使幅值坐標(biāo)“對(duì)數(shù)化對(duì)數(shù)化”，在檢波器，在檢波器和中放之間加入了對(duì)數(shù)放大器。和中放之間加入了對(duì)數(shù)放大器。 第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量7.1.3頻譜分析儀的基本性能指標(biāo)頻譜分析儀的基本性能指標(biāo)頻譜分析儀的基本性能指標(biāo)主要包括以下幾個(gè)方面：1)頻率指標(biāo)測(cè)量頻率范圍測(cè)量頻率范圍：反映頻譜儀測(cè)量信號(hào)的范圍，頻譜分析儀的測(cè)量頻率范圍由其本振范圍決定。頻率分辨率頻率分辨率：兩相鄰譜線的間隔稱為頻率分辨率。該指標(biāo)代表兩個(gè)不同頻率的信號(hào)能夠被清晰分辨出來的最低頻寬。如果被測(cè)的不同信號(hào)頻寬低于儀表分辨帶寬，被測(cè)信號(hào)在儀表上顯示為重疊，從而無法進(jìn)行分辨。頻譜分析儀的

28、頻率分辨率與其內(nèi)部的中頻濾波器帶寬和本振性能有關(guān)。 第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量2)幅度指標(biāo)靈敏度：靈敏度：頻譜分析儀發(fā)現(xiàn)小信號(hào)的能力。頻譜分析儀的靈敏度定義為在一定分辨帶寬下所顯示的平均噪聲電平。頻譜分析儀靈敏度與RBW(中頻濾波器帶寬即分辨率帶寬)、VBW(視頻濾波器帶寬)、衰減器設(shè)置值有關(guān)。內(nèi)部失真：內(nèi)部失真：反映頻譜分析儀測(cè)量大信號(hào)的能力。頻譜分析儀的內(nèi)部失真是由頻譜儀的混頻電路和其它處理過程的非線性作用引起的。動(dòng)態(tài)范圍：頻譜分析儀同時(shí)分析大信號(hào)和小信號(hào)的能力，例如當(dāng)頻譜分析儀在測(cè)量一個(gè)10dBm的大信號(hào)時(shí)，其靈敏度和失真指標(biāo)能否保證頻譜分析儀還可測(cè)試100dBm的雜散信號(hào)。第第6

29、 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量要保證頻譜分析儀具有最大的動(dòng)態(tài)測(cè)試范圍，需要設(shè)定最佳混頻器工作電平，此時(shí)儀器內(nèi)部產(chǎn)生的任何失真產(chǎn)物低于噪聲電平，將不被顯示出來。3)分析精度分析精度包括頻率測(cè)量精度和幅度測(cè)量精度。頻率測(cè)量精度與本振信號(hào)頻率和中頻濾波器相關(guān)；幅度測(cè)量精度則會(huì)受到設(shè)備精度的每個(gè)環(huán)節(jié)的影響。4)測(cè)量速度頻譜分析儀的測(cè)量速度與掃寬、中頻濾波器帶寬值、視頻濾波器帶寬值相關(guān)。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量6.3.4頻譜分析儀的測(cè)量功能頻譜分析儀的測(cè)量功能頻譜分析儀除了對(duì)輸入信號(hào)中各個(gè)頻率成分的頻率和功率進(jìn)行基本的測(cè)試外，通過選配一定的硬件、軟件，還可以實(shí)現(xiàn)很多有用參數(shù)的測(cè)試，如調(diào)制信號(hào)功率參數(shù)

30、調(diào)制信號(hào)功率參數(shù)(平均功率，功率譜密度，鄰道功率比ACPR，信號(hào)頻率占用帶寬測(cè)量、互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)CCDF、包絡(luò)波形)測(cè)量，瞬變信號(hào)測(cè)量瞬變信號(hào)測(cè)量，信號(hào)相位信號(hào)相位參數(shù)參數(shù)(相位噪聲、相位抖動(dòng)、寄生調(diào)頻)測(cè)量，選時(shí)分析選時(shí)分析(需要配置選件1D6)以及CATV信號(hào)測(cè)試(需要配置選件227)等。另外，配置跟蹤源還可完成傳輸頻率響應(yīng)測(cè)試、反射率響應(yīng)測(cè)試、電纜故障定位，其功能與網(wǎng)絡(luò)分析儀相似。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量6.4AgilentESA系列頻譜分析儀系列頻譜分析儀E4402B6.4.1AgilentESA系列頻譜分析儀外觀及面板組成系列頻譜分析儀外觀及面板組成Agilent的ESA系

31、列經(jīng)濟(jì)型頻譜分析儀采用掃頻式原理完成信號(hào)的頻域測(cè)試，主要功能是分辨輸入信號(hào)中各個(gè)頻率成分并測(cè)量各頻率成分和功率。AgilentESA系列頻譜分析儀外觀如圖6.10所示。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量圖6.10AgilentESA頻譜分析儀外觀圖 第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量1AgilentESA系列頻譜分析儀前面板組成及功能系列頻譜分析儀前面板組成及功能AgilentESA系列頻譜分析儀前面板如圖6.11所示。各按鍵功能如下：ViewingAngle：角度觀察鍵，允許調(diào)節(jié)顯示不同的角度以便進(jìn)行最佳的觀察。Esc.：escape(脫離)鍵，可取消任何進(jìn)行中的輸入。菜單鍵：緊鄰屏幕的無標(biāo)識(shí)鍵，其標(biāo)識(shí)是標(biāo)注在緊鄰菜單鍵的屏幕上。FREQUENCYChannel、SPANXScale、AMPLITUDEYScale：分別為頻率通道、掃寬X刻度和幅度Y刻度。CONTROL：控制鍵，可訪問調(diào)節(jié)分辨率帶寬、掃描時(shí)間等分析儀參數(shù)。第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量圖6.11AgilentESA頻譜分析儀前面板圖 第第6 6章章 頻域測(cè)量頻域測(cè)量MEASURE：參數(shù)鍵，包括MeasSetup、MeasControl、Restart三個(gè)鍵，訪問和設(shè)置測(cè)量控制功能。SYSTEM：系統(tǒng)鍵，可設(shè)置頻譜分析儀的整體狀態(tài)，包括Preset、File、PrintSetup。MARKER：標(biāo)記鍵，功能