第五章 頻譜分析儀測量

第五章頻譜分析儀測量8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz頻譜分析儀測量及噪聲測量第一節(jié)定義第二節(jié)幾種常見信號頻譜單脈沖,周期脈沖,調幅波第三節(jié)頻譜分析儀介紹及其主要性能參數(shù)重點:分辨帶寬補充:有關分辨力的一些問題第四節(jié)幾種測試頻率﹑功率﹑相位噪聲等參數(shù)測試重點講噪聲系數(shù)的測量第五節(jié)噪聲測量2電子信號表述S（t）=A（t）COS[

（t）t+

（t）]參數(shù)：S（t）電子信號的時域表述A（t）電子信號的振幅

（t）電子信號的角頻率

（t）電子信號的相位

由于所有的電信號都可以有一系列正弦波組合而成，即正弦波是最基本的電信號。正弦波一般表達式可以這樣表示。第一節(jié)定義問題:1.什么是頻譜分析儀

2.為什么要用頻譜分析儀4時域頻域傅里葉變換dω頻域和時域關系圖5FrequencyversusTimeDomain時間頻率幅度tfV頻域時域6f（t）tV（f）ff（t）ttf（t）V（f）V（f）ff時域波形頻域波形可以給頻譜儀下如下定義:

頻譜儀是一種把射頻和微波信號顯示成頻率的函數(shù)的儀器.7

信號

時域分析：示波器

頻域分析：頻譜儀信號周期升降沿峰值電壓信號頻率諧波分量信號功率寄生、交調信號邊帶時域頻域傅里葉變換第二節(jié)幾種常見信號頻譜最單純的信號是理想正弦波,大的頻譜是一根單一的譜線,其它所有非正弦周期信號都可用傅氏級數(shù)展開為一系列正弦諧波的總和.9VoltageTimeVoltageFrequencySpectrumAnalyzerOscilloscope5.2.1單個脈沖10波形曲線頻譜分布5.2.2周期性脈沖頻譜11TimePulseOn/OffratioRisetimeRate=1/TTWidthtPowerPower1/t1/T5.2.3調幅波1212VoltageTimeCarrierModulation第三節(jié)頻譜分析儀介紹及其

主要性能參數(shù)13

動態(tài)信號分析儀

掃頻頻譜分析儀

信號頻譜分析X(nT)X(t)S(t)ttt(b)取樣函數(shù)(c)取樣波形(a)時域波形T=1/fSADCFFTfS輸入顯示器處理器

數(shù)字濾波器

模數(shù)轉換器取樣器衰減器

模擬濾波器窗口V2V3V1f2f1fs3fs2fs1概述動態(tài)信號分析儀與掃頻頻譜分析儀

實時

非實時概述頻譜分析儀的不同類型并聯(lián)濾波器同時測量LCD顯示總的頻譜Aff1f2多通道濾波器式分析儀

可以完成實時頻譜測量的儀器除了FFT分析儀，還有多通道濾波器式分析儀等。概述頻譜儀發(fā)展與用途主要常用測試類型.調制失真噪聲頻譜分析儀原理框圖SpectrumAnalyzerBlockDiagramPre-SelectorOrLowPassFilterCrystalReferenceLogAmpRFinputattenuatormixerIFfilterdetectorvideofilterlocaloscillatorsweepgeneratorIFgainInputsignalCRTdisplay混頻器MixerMIXERfsigLOffsigLOfLOffsig-LOffsig+RFLOIFinputIFFILTERDisplayInputSpectrumIFBandwidth(RBW)中頻濾波器IFFilter分辨率帶寬resolutionbandwidth(RBW)減小帶寬，分辨率提高，同時也改善了信噪比（SNR），但是，掃描速度和軌跡刷新速度降低。我們可以根據(jù)測量要求在幾方面之間進行折中分辨率帶寬LC濾波器

晶體濾波器

有源濾波器

數(shù)字濾波器工作原理中頻濾波器的實現(xiàn)3MHz——100kHz帶寬由LC濾波器來實現(xiàn)；30kHz——1kHz帶寬由晶體濾波器來實現(xiàn)；300Hz——30Hz帶寬由有源濾波器來實現(xiàn)。檢波器Detector

DETECTORamplitude包絡檢波后數(shù)值化處理作為縱坐標值analog-to-digitalconverter(ADC).“進程"負峰值檢波:顯示進程中的最小值正峰值檢波:顯示進程中的最大值取樣檢波:顯示進程中的最后值23PEAKLOG10dB/REF-40dBmATTEN10dBCENTER300MHzSPAN500MHzRESBW1MHzVBW1MHzSWP50msec

中頻信號頻譜儀經包絡檢波器后有四中視頻檢波方式ROSENFELL檢波負峰值檢波正峰值檢波取樣檢波24視頻濾波器VideoFilterVIDEOFILTER低通濾波器，位于包絡檢波之后ADC之前，限制視頻放大器帶寬，起到平均及平滑作用analog-to-digitalconverter(ADC).其他部件OtherComponentsLCDDISPLAYSWEEPGENLOIFGAINfrequencyRFINPUTATTENUATORLO：localoscillator，isaVoltageControlledOscillator(VCO)掃描斜坡發(fā)生器：sweepgenerator，使LO頻率改變，作為顯示橫坐標。輸入衰減器：步進衰減器，用于修正到第一混頻器的功率，否則功率有可能出現(xiàn)混頻器增益壓縮，導致失真。中頻增益：位于RBW前步進，用于顯示垂直幅度，可隨輸入衰減器值改變而改變以維持顯示不變。協(xié)同工作Howitallworkstogether3.6(GHz)(GHz)0361245031236453.6(GHz)0312fIFSignalRangeLORangefssweepgeneratorLOLCDdisplayinputmixerIFfilterdetectorAffLOfsfsfsfLO-fsfLO+fLO3.66.56.5 AV4032系列多功能微波頻譜分析儀

原理框圖和簡介

四次變頻的超外差式掃頻測量接收機舉例 AV4033系列高性能微波頻譜分析儀

原理框圖和簡介

舉例 AV4033系列高性能微波頻譜分析儀

原理框圖和簡介

舉例主要性能頻率范圍測量諧波低頻（基帶和中頻信號）主要性能頻率與幅度準確度用dBm表示絕對幅度用dB表示相對幅度相對頻率頻率主要性能頻率讀出準確度典型的計算公式:掃寬<2MHz:±(頻率讀出x

頻率參考誤差+

掃頻寬度×1%+分辨率帶寬×15%+10Hz“剩余誤差")頻率主要性能準確度：頻率讀出準確度示例單頻標示例:1%of400kHzspan15%of3kHzRBW10Hzresidualerror+_2GHz400kHz掃寬3kHz分辨率帶寬計算:(2x10Hz)x(1.3x10/yr.ref.error)9-7====260Hz4000Hz450Hz10Hz4720Hz總計=主要性能準確度:絕對幅度準確度絕對幅度（dB）

校準器準確度

頻率響應

參考電平不確定度顯示標度準確度頻率響應

射頻輸入衰減器

參考電平

分辨率帶寬

顯示標度因子主要性能準確度:相對幅度準確度

相對幅度（dB）適用于改變參考電平時測量信號幅度差值

顯示標度準確度依賴于：對數(shù)/線性放大器保真度檢波器線性數(shù)字化電路線性

獲得最佳準確度的技術主要性能準確度:相對幅度準確度-顯示標度準確度

相對幅度（dB）主要性能準確度:相對幅度準確度-頻率響應平坦度-1dB+1dB01波段指標:±1dB

當信號在同一諧波波段時主要性能準確度:其它不確定度來源失配

(信號輸入端不是準確50ohms)由于過載而壓縮

失真產物幅度低于對數(shù)放大器的范圍信號接近噪聲噪聲引起幅度變化信號間距小于分辨率帶寬(高電平輸入信號)主要性能分辨率:分辨率帶寬.3dB3dB帶寬LO混頻器中頻濾波器/分辨率帶寬濾波器(RBW)掃描檢波器輸入頻譜顯示分辨率帶寬主要性能分辨率分辨率帶寬剩余調頻噪聲邊帶有哪些因素影響分辨率?分辨率帶寬濾波器類型和選擇性主要性能分辨率:分辨率帶寬.3dB10kHz10kHzRBW主要性能分辨率:分辨率帶寬濾波器類型和選擇性3dB60dB60dBBW60dBBW3dBBW3dBBW選擇性=主要性能分辨率:分辨率帶寬濾波器和選擇性10kHzRBW=10kHzRBW=1kHz選擇性15:110kHz失真產物60dBBW=15kHz7.5kHz3dB60dB例如,作雙音交調測試，兩個信號間距為10kHz主要性能分辨率:數(shù)字分辨率帶寬數(shù)字濾波器模擬濾波器SPAN3kHzRESBW100Hz典型選擇性模擬15:1數(shù)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:剩余調頻剩余調頻信號“毛草”影響分辨率帶寬的另一個因素是頻譜分析儀的本振頻率穩(wěn)定度，本振的短期穩(wěn)定度即剩余調頻主要性能分辨率:噪聲邊帶噪聲邊帶降低對不等幅信號的分辨率相位噪聲（亦稱相位噪聲）

主要性能分辨率:分辨率帶寬影響測量時間掃描過快的后果是非校準顯示掃描過快主要性能靈敏度/顯示平均噪聲電平

掃描LO混頻器射頻輸入分辨率帶寬濾波器檢波器象任何有源電路一樣，頻譜儀會產生并放大噪聲一般定義它為頻譜分析儀的顯示平均噪聲電平(DANL)，單位dBm,獲取方法是，用最窄分辨帶寬、最小的輸入衰減和最佳的視頻濾波器。49主要性能：靈敏度/顯示平均噪聲電平10dB衰減=10dB衰減=20dB信號電平有效顯示噪聲電平是射頻輸入衰減器的函數(shù)射頻輸入衰減器增大，信噪比降低主要性能靈敏度/顯示平均噪聲電平:中頻濾波器(RBW)減小

BW=降低噪聲100kHzRBW10kHzRBW1kHzRBW10dB10dB顯示平均噪聲電平是中頻濾波器帶寬的函數(shù)噪聲電平變化(dB)=10log(RBWnew)/(RBWold)主要性能靈敏度/顯示平均噪聲電平:視頻帶寬視頻帶寬平滑噪聲更容易識別低電平信號減小視頻濾波器帶寬，我們可以減小噪聲峰峰值,即噪聲得到平滑，原來被噪聲淹沒的信號可以清晰的顯示出來。主要性能靈敏度/顯示平均噪聲電平信號等于噪聲靈敏度是能夠測量的最小信號功率2.2dB53主要性能靈敏度/顯示平均噪聲電平最窄的分辨率帶寬

最小射頻輸入衰減

充分視頻濾波（VideoBW<.01ResBW)如何獲得最佳靈敏度:54主要性能失真變頻信號被測信號顯示結果混頻器產生失真混頻器產生失真內部失真是輸入功率的函數(shù)，所以，定義頻譜分析儀的失真指標時，必須指定輸入功率。55主要性能失真雙音交調諧波失真最有影響的失真是二次和三次失真<-50dBc<-50dBc<-40dBc為減小由于內部失真的存在而引起的測量誤差，要求內部失真遠小于測量要求。56主要性能失真失真產物的增量是基波功率增量的函數(shù)二階失真以2dB/dB隨基波變化三階失真以3dB/dB隨基波變化3f2f3f功率(dB)2ff2f-f1212功率(dB)33212f-f雙音交調諧波失真三階失真二階失真就是二階失真的增長速率是基波增長速率的平方，三階失真的增長速率是基波增長速率的立方。主要性能失真失真相對幅度隨著輸入功率電平的變化而變化f2f3f1dB3dB2dB21dB20dB1dB主要性能失真.失真是混頻器電平的函數(shù)混頻器電平=輸入-衰減器設置

dBmDISTORTION,dBc0-20-40-60-80-100-60-300+30TOI二階三階主要性能失真失真測試:來自內部還是外部？中頻增益幅度沒有變化=失真來自輸入信號的一部分(外部)

以10dB步進改變輸入衰減器1在屏幕上觀察信號:2幅度發(fā)生變化=至少有一部分失真來自于頻譜分析儀內部(內部)射頻輸入衰減器主要性能動態(tài)范圍：輸入、顯示、測量動態(tài)范圍主要性能動態(tài)范圍輸入到混頻器的功率=輸入功率-衰減器設置

dBm信噪比（

dBc）0-20-40-60-80-100-60-300+30.分辨率帶寬為1kHz的顯示噪聲分辨率帶寬為100Hz的顯示噪聲信噪比可以用曲線圖來表示主要性能動態(tài)范圍動態(tài)范圍可以用曲線圖來表示信噪比（

dBc）-20-40-60-80-100-60-300+30..TOI最佳混頻器電平最大二階動態(tài)范圍

顯示噪聲(1kHzRBW)三階二階最大三階動態(tài)范圍SOI輸入到混頻器的功率=輸入功率-衰減器設置

dBm主要性能動態(tài)范圍噪聲邊帶動態(tài)范圍

受限于噪聲邊帶dBc/Hz顯示平均噪聲電平動態(tài)范圍壓縮/噪聲受限于100kHzto1MHz搜索毛刺的動態(tài)范圍依賴于到載波的間距主要性能動態(tài)范圍實際動態(tài)范圍是以下中最小的:一定頻偏的噪聲邊帶最大動態(tài)范圍計算計算目標:失真靈敏度主要性能-動態(tài)范圍+30dBm-115dBm(1kHzBW&0dB衰減)最大功率電平LCD-顯示范圍80dB-10dBm-35dBm-45dBm增加帶寬或衰減二階失真混頻器壓縮三階失真信號/噪聲范圍105dB145dB測量范圍最小噪聲基底70dB范圍80dB范圍0dBc噪聲邊帶60dBc/1kHz信號/三階失真信號/二階失真信號/噪聲邊帶主要性能動態(tài)范圍這里

TOI=混頻器電平-dBc/2

SOI=混頻器電平-dBc最佳混頻器電平=DANL-MDR衰減=信號-最佳混頻器電平MDR=2/3(DANL-TOI)3MDR=1/2(DANL-SOI)2計算最大動態(tài)范圍主要性能動態(tài)范圍這里TOI=(-30)-(-70)/2=+5dBm3MDR=2/3[(-115)-(+5)]=-80dBc(1kHzRBW)計算示例最佳混頻器電平=(-115)-(-80)=-35dBm衰減=(0)-(-35)=+35dBm頻譜分析儀使用注意事項（1）對電源的要求：

220V±10%；50Hz±5%；（2）對接地線要求：三芯電源線，系統(tǒng)可靠接地共地（3）嚴防靜電要求（4）對輸入信號要求：

CW，<+30dBm（1W）

DC，0V

（5）組成程控系統(tǒng)時地址設置要正確

（6）校準：頻率、幅度、YTF校準與幅度相關輸入阻抗及駐波比最大允許輸入電平動態(tài)范圍通常把從不加衰減時的最佳輸入信號(即P1dB壓縮點)起往下直到最小可用信號電平止,這一信號幅度變化范圍稱為動態(tài)范圍.若再加上用內部衰減所能擴展的dB數(shù),則稱最大測量范圍.69與頻率相關工作頻率范圍系指頻譜一在滿足所有規(guī)定的性能指標的前提下所能接收和測量的頻率范圍.有些頻譜儀可以通過外加混頻器擴展到更高頻率使用.70掃描時間即產生掃頻及水平偏轉的鋸齒波一個掃描過程的時間,通?？稍谌舾蒻s到若干s之間分檔選擇.

比如可以通過改變掃描時間,觀察一個頻帶內的波形.71分辨帶寬即決定選擇性的最低中頻濾波器的3dB帶寬B,亦稱靜態(tài)分辨力,在其它條件適當配合下,他決定著所能分辨的兩個相等譜線之間的最小頻率間隔72視頻帶寬在檢波后的視頻放大電路中,有時還有幾種寬度分檔可變的LPF,其帶寬有時比中頻帶寬還要窄,在觀察到含有強視頻毛刺的頻譜圖時,減小視頻帶寬可以起到平滑作用,使顯示比較清晰.在觀察脈沖等寬帶信號頻譜時,不應采用窄的視頻帶寬.73第四節(jié)幾種測試74755.4.1頻率測量5.4.2噪聲測量765.4.3AM調制及交調測量7778頻譜分析儀基本測量基礎測量被測量信號的頻率被測量信號的功率

基礎：對被測信號自身應有一定的了解。一般：對被測信號應知道所在的頻段范圍內。高級：對被測信號一無所知。直接設置設置測量范圍大范圍內搜索79頻譜分析儀基本測量調制信號測量調幅信號調頻信號脈沖調制信號掃頻測量時域測量FFT變換頻域測量Bessel函數(shù)法Haberly法窄帶測量寬帶測量80頻譜分析儀基本測量調幅信號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）

掃頻方法測量調幅信號調幅信號頻譜分析儀基本測量

時域方法測量調幅信號：同步測量法調幅信號頻譜分析儀基本測量TMARKERMARKERD10msec1.00xDEmaxEmin5.00ms.818X

最寬的分辨帶寬

最寬的視頻帶寬

線性方式顯示

零掃寬a=——————Vmax+VminVmax-VminFFT變換測量調幅信號調幅信號頻譜分析儀基本測量fmDdBMARKERD1kHz-26dB頻譜分析儀基本測量調頻信號v（t）=AcCOS（2

fct+SIN2fmt）=AcCOS（2

fct）

+[

Ac/2]COS2

（fc+fm）t-[

Ac/2]COS2

（fc-fm）t

頻域法測量調頻信號調頻信號頻譜分析儀基本測量MARKERD1.0kHz-40dB舍棄相位信息mf=2*10(ΔdB/20)

=2*10(-40/20)

=0.02Δf=mf*fm=0.02*1000=20Hz

Bessel函數(shù)法測調頻信號調頻信號頻譜分析儀基本測量MARKERD100HzΔfmax=mf*fm=2.4048*100=240.48Hz

Haberly法測寬帶調頻調頻信號頻譜分析儀基本測量n+1nn-139.76mv85.7mv99.88mv123Vn+1<Vn<Vn-1按照規(guī)則計算寬帶調頻參數(shù)：

尋找三個鄰近邊帶，其幅度隨距載波愈遠而依次減小

對數(shù)方式，用電壓單位

從離開載波算起確定N值，第一對邊帶N=1，第二對N=2

=2nVn/(Vn-1+Vn+1)脈沖調制窄帶測量脈沖調制信號頻譜分析儀基本測量RBW<<PRFPf0f0PpPRFtf0f0-2Df0-Df0+Df0+2DPRF=1/T脈沖調制寬帶測量脈沖調制信號