近代电子测量技术频谱仪分析PPT课件.ppt

频域测量 频谱分析仪 频谱分析仪是使用不同方法在频域内对信号的电压 功率 频率等参数进行测量并显示的仪器 1 频率与时域的关系 以频谱形式显示出所测信号分解的每个正弦波的幅度随频率变化的情况就是频域测量 2 频谱分析的基本概念 广义上 信号频谱是指组成信号的全部频率分量的总集 狭义上 一般的频谱测量中常将随频率变化的幅度谱称为频谱 频谱测量 在频域内测量信号的各频率分量 以获得信号的多种参数 频谱测量的基础是付里叶变换 频谱的两种基本类型离散频谱 线状谱 各条谱线分别代表某个频率分量的幅度 每两条谱线之间的间隔相等连续频谱 可视为谱线间隔无穷小 如非周期信号和各种随机噪声的频谱 3 调制 失真 噪声 频谱分析的类型 4 频谱分析仪的分类 按分析处理方法 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 扫描式频谱仪 非扫描式频谱仪 按处理的实时性 实时频谱仪 非实时频谱仪 按频率轴刻度 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 单通道 多通道频谱仪 按工作频带 高频 射频 低频等频谱仪 5 频段分配 6 频谱分析仪是使用不同方法在频域内对信号的电压 功率 频率等参数进行测量并显示的仪器 一般有实时分析法 非实时分析法两种实现方法 实时分析法实时分析法又包括 并行滤波式 模拟 FFT分析法 数字 频谱仪的实时与非实时分析 7 并行滤波式 每个滤波器之后都有各自的检波器 无需电子开关切换及检波建立时间 因此速度快 能够满足实时分析的需要 但是可显示的频谱分量数目取决于滤波器的数目 所以需要大量的滤波器 8 带通滤波器的性能指标 一 带宽 通常是指3dB带宽 或称半功率带宽 分辨率带宽 RBW 反映了滤波器区分两个相同幅度 不同频率的信号的能力 RBW 9 带通滤波器的性能指标 二 波形因子 波型因子反映了区分两个不等幅信号的能力 也称带宽选择性 波形因子定义为滤波器60dB带宽与3dB带宽之比 也可用40dB带宽与3dB带宽之比表示 波形因子较小的滤波器的特性曲线更接近于矩形 故波形因子也称矩形系数 10 带通滤波器的性能指标 三 滤波器响应时间 建立时间 信号从加到滤波器输入端到获得稳定输出所需的时间 通常用达到稳幅幅度的90 所需的时间TR来表述 它与绝对带宽B成反比 TR 1 B 宽带滤波器的响应时间短 测量速度快 窄带滤波器建立时间较长 但频率分辨率更高 信噪比好 响应时间限制了频谱仪的扫描分析速度 影响实时频谱分析的实现 11 并行滤波器组处理 基于模拟滤波器或FFT 数字滤波 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 可充分利用数字技术和计算机技术 非常适于非周期信号和持续时间很短的瞬态信号的频谱测量 但其分析速率带宽受ADC采样速率限制 适合分析窄带信号 FFT分析法 12 实时 FFT 分析仪方框图 13 非实时分析法在任意瞬间只有一个频率成分能被测量 无法得到相位信息 适用于连续信号和周期信号的频谱测量 扫频式分析 使分析滤波器的频率响应在频率轴上扫描 差频式分析 外差式分析 利用超外差接收机的原理 将频率可变的扫频信号与被分析信号进行差频 再对所得的固定频率信号进行测量分析 由此依次获得被测信号不同频率成分的幅度信息 这是频谱仪最常采用的方法 扫频外差方式 频谱仪的实时与非实时分析 二 14 现代频谱仪将外差式扫描频谱分析技术与FFT数字信号处理技术相结合 兼有两种技术的优点 前端仍采用传统的外差式结构 而在中频处理部分采用数字结构 中频信号由ADC量化 FFT则由通用微处理器或专用数字逻辑实现 这种方案充分利用了外差式频谱仪的频率范围和FFT优秀的频率分辨率 使得在很高的频率上进行极窄带宽的频谱分析成为可能 整机性能大大提高 15 滤波器扫描测试 16 外差式频谱仪 外差式频谱仪的组成输入通道中频信号预处理检波器视频滤波器踪迹处理主要技术参数参数之间的相互关系 17 外差式频谱仪的频率变换原理与超外差式收音机相同 利用无线电接收机中普遍使用的自动调谐方式 通过改变扫频本振的频率来捕获待测信号的不同频率分量 也称扫频外差式频谱仪 扫频外差式方案是实施频谱分析的传统途径 在高频段占据优势地位 外差式频谱分析仪频率范围宽 灵敏度高 频率分辨率可变 是目前频谱仪中数量最大的一种 由于被分析的频谱依次被顺序采样 因而不能进行实时分析 这种分析仪只能提供幅度谱 不能提供相位谱 18 外差式频谱仪的组成 包括输入通道 混频电路 中频处理电路 检波和视频滤波等部分 19 输入通道 一 输入通道也称前端 主要由输入衰减 低噪声放大 低通滤波及混频等几部分组成 功能上相当于一台宽频段 窄带宽的外差式自动选频接收机 用于控制加到仪器后续部分的信号电平 并对输入信号取差频以获得固定的中频 输入衰减 一方面避免因信号电平过高而引起的失真 同时起到阻抗匹配的功能 尽可能降低源负载与混频器之间的失配误差低噪声放大 对输入电平进行调整 保证混频器输入电平满足一定的幅度要求 获得较佳混频效果 20 输入通道 二 频率变换原理 21 输入通道 二 外差式频率变换原理 fL fX fI 如果输入频率的范围大于2fI 将与镜频在本振处交叠 通常的频谱仪输入频率非常宽 一般的抑制镜频滤波器难以实现调谐 解决办法是选择高中频 本振频率也相应提高 22 输入通道 三 抑制镜频的高中频解决方案 镜频范围远在输入频率范围之上 两者不会交叠 中频频率越高 镜频距本振越远 可避免因交叠而带来的滤波器实现问题 因此用固定调谐的低通滤波器在混频之前滤去镜频即可 23 高中频很难实现窄带带通滤波和性能良好的检波 需要进行多级变频 混频 处理 第一混频实现高中频频率变换 再由第二 三级甚至第四级混频将固定的中频逐渐降低 每级混频之后有相应的带通滤波器抑制高次谐波交调分量 利用更多级的变频实现频率扩展 2 4级 24 利用谐波混频进一步扩展频率 25 中频信号预处理 一 中频信号预处理主要是在被检测之前完成对固定中频信号的自动增益放大 分辨率滤波等处理 中频滤波器的带宽通常可程控 以提供不同的频率分辨率 中频信号幅度调节 由自动增益电路完成 末级混频的增益必须能够以小步进精密调节 以保持后续电路中的最大信号电平固定而不受前端的影响 中频滤波器 用于减小噪声带宽 分辨各频率分量 频谱仪的分辨率带宽由最后一个中频滤波器的带宽决定 数字滤波器选择性较好 没有漂移 能够实现极稳定的窄分辨率带宽 26 中频信号预处理 二 27 AgilentESA E系列频谱分析仪原理图 28 AgilentPSA系列频谱分析仪原理框图 29 AgilentPSA系列频谱分析仪全数字中频部分原理框图 30 检波器 一 在模拟式频谱仪中 采用检波器来产生与中频交流信号的电平成正比的直流电平 以获取待测信号的幅度信息 常用包络检波器 最简单的包络检波器由一个二极管和一个并联RC电路串接而成 只要恰当地选择检波器的R C值 就可获得合适的时间常数以确保检波器跟随中频信号的包络变化而变化 频率扫描速度的快慢也会对检波输出产生影响 扫速太快会使检波器来不及响应 31 检波器 二 频谱分析仪有时域功能可用 此时扫频宽度设置成零扫频带宽 ZeroSpan 32 视频滤波器 一 视频滤波器用于对显示结果进行平滑或平均 以减小噪声对信号幅度的影响 基本原理 视频滤波器实质是低通滤波器 它决定了驱动显示器垂直方向的视频电路带宽 当视频滤波器的截止频率小于分辨率带宽时 视频系统跟不上中频信号包络的快速变化 因此使信号的起伏被 平滑 掉 应用 主要应用于噪声测量 特别是在分辨率带宽 RBW 较大时 减小视频滤波器的带宽 VBW 将削弱或平滑噪声峰 峰值的变化 当VBW RBW 0 01时 平滑效果非常明显 33 视频滤波器 二 34 视频滤波 视频带宽使噪声变得平滑 从而可以更简便地识别非常小的信号 35 踪迹处理 一 频谱仪进行一次扫描所得的频谱图的迹线即 踪迹 Trace 也有 扫迹 轨迹 轨迹线 等不同译法 标记 Marker 踪迹上特定的幅度点或频率点借助标记功能可以非常方便 直观地实现多种功能 如找最大 最小值 测量相对幅度或频率等 并有助于改善相对测量精度 减小读数误差 踪迹平均处理 为了平滑图像 降低噪声 对同一输入信号多次扫描所得的踪迹进行的处理 踪迹平均的基本算法是将来自多个踪迹的相同频点上的数据一一进行加权平均 形成一个平滑踪迹 36 两种踪迹平均线性加权踪迹平均 即算术平均 采用相同的加权系数 是一种最便捷的数据加权计算 其中 n 加权因子 即进行平均的踪迹数目Aavg 平均后的踪迹值Si 未经平均的各次踪迹的测量值 i 1 2 n 踪迹处理 二 37 踪迹处理 三 指数加权踪迹平均 也称扫描平均 视频平均 是在每个扫描点上采用指数加权的方法得到新的平均踪迹 指数加权的原则是最新 最近 的踪迹样本或记录的权最重 先前踪迹的样本或记录的权依序呈指数减小 计算式如下 其中n 加权平均因子 即已完成扫描的踪迹数Aavg 平均之后的踪迹值Sn 未经平均的当前踪迹的测量值An 1 前一次扫描的平均踪迹值 38 外差式频谱仪的主要性能指标 输入频率范围频率扫描宽度频率分辨率频率精度扫描时间相位噪声 频谱纯度 幅度测量精度动态范围灵敏度 噪声电平本振直通 直流响应本底噪声1dB压缩点和最大输入电平 频率指标 幅度指标 39 频谱仪能正常工作的最大频率区间 现代频谱仪的频率范围通常可从低频段至射频段 甚至微波段 下限频率由本振馈通所影响 上限频率由本振扫描范围及中频频率决定毫米波段的输入频率可由谐波混频至较低的频段来进行处理 频率指标 一 输入频率范围 40 频率指标 一 频率扫描宽度 Span 另有分析谱宽 扫宽 频率量程 频谱跨度等不同叫法 通常根据测试需要自动调节 或人为设置 扫描宽度表示频谱仪在一次测量 也即一次频率扫描 过程中所显示的频率范围 可以小于或等于输入频率范围 41 频率指标 二 频率分辨率 Resolution 表征了将最靠近的两个相邻频谱分量分辨出来的能力 主要由中频滤波器的带宽 即RBW 决定 但最小分辨率还受本振频率稳定度的影响 对滤波式频谱分析仪而言 中频滤波器的3dB带宽决定了可区分的两个等幅信号的最小频率间隔 如果区分不等幅信号 分辨率就与滤波器的形状因子有关 现代频谱仪通常具有可变的RBW 按照1 3 9或1 2 5的典型步进变化 最小的一档RBW值就是频率分辨率指标 如90Hz 42 RBW 1 43 RBW 2 44 3dB 10kHz 10kHzRBW RBW 3 45 RBW 4 46 显示的噪声基底与RBW成正比 更窄的RBW意味着更高的灵敏度 RBW 5 47 频率指标 三 频率精度即频谱仪频率轴的读数精度 与参考频率 本振频率 稳定度 扫描宽度Span 分辨率带宽RBW等多项因素有关 其中 f 绝对频率精度 单位Hz ref 参考频率 本振频率 相对精度 fx 频率读数 N 完成一次扫描所需的频率点数 A Span的精度 B RBW的精度 C 频率常数 不同的频谱仪有不同的A B C值 48 2019 12 30 49 频率指标 四 扫描时间 SweepTime 简作ST 即进行一次全频率范围的扫描 并完成测量所需的时间 也叫分析时间 通常扫描时间越短越好 但为保证测量精度 扫描时间必须适当 与扫描时间相关的因素主要有频率扫描范围 分辨率带宽 视频滤波 现代频谱仪通常有多档扫描时间可选择 最小扫描时间由测量通道的电路响应时间决定 50 频率指标 五 相位噪声 频谱纯度相位噪声简称相噪 是频率短期稳定度的指标之一 反映了极短期内的频率变化程度 表现为载波边带 所以也称边带噪声 通常用在源频率的某一频偏上相对于载波幅度下降的dBc数值表示 相噪由本振信号频率或相位不稳定引起 还与分辨率带宽有关 RBW减小 相噪影响相应降低 有效设置频谱仪参数可使相噪影响达到最小 但无法消除 相噪也是影响频谱仪分辨不等幅信号的因素之一 51 52 幅度指标 一 幅度测量精度有绝对幅度精度和相对幅度精度之分 均由多方面因素决定 绝对幅度精度是针对满刻度信号的指标 受输入衰减 中频增益 分辨率带宽 刻度逼真度 频响及校准信号本身的精度等的综合影响 相对幅度精度与测量方式有关 在理想情况下仅有频响和校准信号精度两项误差来源 测量精度可以达到非常高 仪器在出厂前要经过校准 各种误差已被分别记录下来并用于对实测数据进行修正 显示出来的幅度精度已有所提高 53 幅度指标 二 动态范围 DynamicRange 即同时可测的最大与最小信号的幅度比 动态范围受限于输入混频器的失真特性 系统灵敏度和本振信号的相位噪声 其上限由频谱仪的非线性失真决定 当输入信号大到足以忽略频谱仪的热噪声效应时 则在较小的载波频偏处 系统的动态范围只取决于本振相位噪声 系统固有相噪会随载波频偏的增加而减小 因而在较大频偏处 动态范围更多地受灵敏度和混频器失真特性的影响 54 本底噪声 NoiseFloor 灵敏度本底噪声来自频谱仪内部的热噪声 也叫噪底 是系统固有噪声 也是频谱仪灵敏度的量度 本底噪声会导致输入信号信噪比下降 它在频谱图中表现为接近显示器底部的噪声基线 常以dBm为单位 频谱仪在特定的分辨率带宽下 或归一化到1Hz带宽时的本底噪声 常以dBm为单位 灵敏度指标描述了频谱仪在没有输入信号时因内部噪声而产生的读数 常用最小可测的信号幅度来代表 数值上等于显示平均噪声电平 DANL 幅度指标 三 55 幅度指标 四 1dB压缩点1dB压缩点 在动态范围内 因输入电平过高而引起的信号增益下降1dB时的点 1dB压缩点表明了频谱仪过载能力 通常出现在输入衰减0dB的情况下 由第一混频决定 输入衰减增大 1dB压缩点的位置将同步增高 为避免非线性失真 所显示的最大输入电平 参考电平 必须位于1dB压缩点之下 最大输入电平最大输入电平反映了频谱仪可正常工作的最大限度 它的值一般由通道中第一个关键器件决定 0dB衰减时 第一混频是最大输入电平的决定性因素 衰减量大于0dB时 最大输入电平的值反映了衰减器的负载能力 56 本振馈通 当本振频率与中频的中心频率相同或非常接近时 这个对应于零频 直流 输入的本振信号将通过中频滤波器 即本振馈通 因频谱仪本振馈通而产生的直流响应 对这种零频响应的电平 通常用相对于满刻度响应的dB数度量 频谱仪的低端频率距零频较远 如90KHz 时 该指标可以略去 本振馈通将被检波及信号处理电路处理并进行显示 它通常可作为 Hz频率标志 幅度指标 五 57 参数之间的相互关系 一 频谱仪的各项参数设置不是孤立的 为了避免引入测量误差 正常工作时这些参数相互之间以某种方式 联动 Coupling 设置 即只要改变其中任何一项 其余各项参数都会随之自动变化 扫描时间 扫描宽度 频率分辨率 视频带宽由于使用了滤波器 扫描时间受限于中频滤波器和视频滤波器的响应时间 若不满足所需的最短扫描时间 滤波器未达到稳态 会导致信号的幅度损耗和频率偏移 为避免因此引起的测量误差 分辨率带宽RBW 视频带宽VBW 扫描时间ST及扫描宽度Span应当联动设置 58 扫描速度太快 RBW决定着测量时间 59 参数之间的相互关系 二 VBW RBW时 ST不受视频滤波器的影响 此时 中频滤波器的响应时间仅与RBW2成反比 其中K为比例因子 取值与滤波器类型及其响应误差有关 例如 4级或5级级联的模拟滤波器 K取2 5 高斯数字滤波器 K可取值1甚至小于1 VBW RBW时 所需的STmin受限于视频滤波器的响应时间 VBW越大 视频滤波器的响应越短 ST相应也越小 VBW与ST成线性反比 60 参数之间的相互关系 三 默认的VBW设置原则 在保证不增加ST的前提下尽最大可能实现滤波平均 当K 2 5时 应有RBW VBW 1 若使用数字滤波器 取K 1 为了确保视频滤波器的稳定 应有RBW VBW 0 3 参数部分联动设置的经验公式正弦信号测量 RBW VBW 0 3 1脉冲信号测量 RBW VBW 0 1噪声信号测量 RBW VBW 9大多数当今的分析仪器自动结合扫频时间和宽度以及分辨率带宽设置 61 VBW RBW分别为3 1 1 10 1 100时的平滑效果 62 参数之间的相互关系 四 输入衰减 中频增益 参考电平频谱仪的幅度测量上限由允许输入的最大电平决定 下限取决于仪器固有噪声或本底噪声 因为放大 检波及A D转换器件的动态范围都很小 不可能在同一次测量的设置下同时达到这两个限制 用户会根据不同需要选择最大显示电平 参考电平 输入衰减 中频增益是两个决定性因素 63 参数之间的相互关系 五 输入信号过大可能导致第一混频受损 因此高电平输入必须衰减 衰减量取决于第一混频及其后续部分的动态范围 混频器电平过高 失真产生的频率分量将会干扰正常显示 衰减量过大则会导致信噪比降低 减小动态范围 因此 输入衰减及中频增益的选择需折中考虑 实际应用中 即使参考电平非常低 通常也会将输入衰减设置为最小值 如9dB 以获得较好的匹配 提高幅度测量精度 64 频谱分析的操作 65 66 67 68 超过限制功率或含有直流成份的信号是十分危险的 69 典型频谱分析仪的显示 70 使用频谱分析仪进行测量 71 相位噪声测量脉冲信号测量信道和邻道功率测量 除了完成幅度谱 功率谱等一般的测量功能外 频谱仪还能够用于对如非线性失真 相位噪声 邻道功率 调制度等频域参数进行测量 72 相位噪声测量 相位噪声是本振短期稳定度的表征 也是频谱纯度的一个重要度量指标 它通常会引起波形在零点处的抖动 在时域中不易辨别 而在频域中表现为载波的边带 所以常在频域内进行测量 73 显示出该信号的频谱 找出信号的中心频率的功率幅度 适当选择扫频宽度 使能显现出所需宽度的两个或一个噪声边带 分辨带宽的视频带宽宜尽量取小 以减小载波谱线宽度和边带中噪声的高度而又不感到载波谱线有明显晃动 纵轴采用对数刻度并调参考电平将谱线顶端调到刻度的顶部基线 相位噪声测量过程 一 74 利用可移动的光标读出谱线顶端电平C dBm 和一个边带中指定偏移频率fm处噪声的平均高度的电平N dBm 求出其差值 N C dB 再加上必要的修正 相位噪声测量过程 二 75 第一个修正项 这里读出的噪声电平N是等效带宽B内通过的总噪声电平 折合成每1Hz带宽应加修正项 10logB 第二个修正项 频谱仪的纵细刻度读数是按测正弦信号校准的 测噪声时频谱仪的峰值检波器和对数放大器将使噪声电压有效值和功率电平读数偏低约2 5dB 应加 频谱仪效应 修正项 2 5dB 相位噪声测量过程 三 76 相位噪声为 N C dB 10lgB 2 5dBc Hz 相位噪声测量过程 四 77 几点限制 此方法不能从相位噪声中排除调幅噪声 故调幅噪声必须小于相位噪声l0dB以上 才能正确应用 能测量 C N 的范围受频谱仪动态范围限制 即频谱仪本振的噪声电平必须比被测信号源的噪声低得多 测量近载频噪声受频谱仪带宽限制 此法最适于测量漂移较小但相应噪声相对较高的信号源 78 脉冲信号测量 脉冲信号是雷达和数字通信系统中的一类重要信号 它的测量比连续波形困难 如果采用窄分辨带宽进行频谱测量 将呈现出离散的谱线 如果采用较宽的分辨带宽 这些谱线就会连成一片 可见 不同的频谱仪设置可能对同一个脉冲信号的测量结果产生不同影响 79 脉冲信号测量原理 一 单脉冲的付氏变换具有采样函数的曲线形状 其中 为脉冲宽度 频谱的零点发生在1 的整数倍处 频谱幅度与脉冲宽度成正比 即脉冲越宽 能量越大 80 脉冲信号测量原理 二 脉冲信号V f 的谐波位于波形基频 即1 T的整数倍 处 波形周期称为脉冲重复频率PRF 有PRF 1 T 谐波的总体形状或包络与单脉冲的付氏变换相同 呈现采样函数特性 并在1 的整数倍处出现频谱包络的零点 时域中的重复脉冲频域中的脉冲串频谱 81 线状谱与包络谱 当频谱仪的分辨率带宽RBW比脉冲谐波的频率间隔PRF窄时 频谱仪能够区分每一条谐波的谱线 因此将清楚地显示出脉冲波形的线状谱 窄RBW可改善信噪比 显示结果与信号实际频谱非常接近 改变扫描宽度能使被测频谱适当地加宽或变窄 但改变扫描时间不会影响频谱的形状 在用户并不过多关心单独谱线的情况下 通过选择较宽的RBW 如大于脉冲谐波的PRF 频谱仪可以显示脉冲波形的包络而不展示谱线