频谱分析仪讲稿.ppt

频谱分析仪 主要内容 介绍频谱分析仪内部结构及工作原理介绍频谱分析仪主要参数的设置阐述频谱分析仪的主要测量应用简述注意事项 要达到的学习目标 了解频谱分析仪结构原理熟练应用频谱分析仪合理设置频谱分析仪主要参数降低测试误差 频域和时域的概念 时域 是信号在时间轴上显示的波形频域 是在频率轴上显示信号所包含的频率 t u f u 频域和时域 傅立叶变换原理告诉我们 任何时域内电信号都是由一个或多个不同频率 不同幅度和不同相位的正弦波或余弦波组成的 但应用示波器无法观察到频域内信息 只能在时域内观察到信号波形 应用频谱分析仪在频域测量 就能显示出信号所包含的所有正弦波或余弦波的频率分量 时间 上图是信号在时域和频域内观察的结果 由此可以清楚看出信号在时域得到的是信号的波形信息 不能分析频率分量 如果存在干扰或谐波失真信号 在时域上无法区分 在频域上可以准确地测量有用信号和无用信号的各种参数 这就是频域观察的必要性 频域观察的必要性 2频谱分析仪结构及原理 频谱分析仪的类型1 谱分析仪主要有超外差式频谱分析仪2 快速傅立叶变换 FFT 频谱分析仪 被分析的信号通过模数转换器采样 变成离散信号 采样值被保存在一个存储器中 经过离散FFT变换计算 计算出信号的频谱 FFT分析仪仅适合测量低频信号 超外差频谱分析仪 这种频谱分析仪 首先输入信号与连续扫频本振进行混频 再与固定本振混频变到中频21 4MHz 经过可变增益放大器中频滤波器 再经一个可变增益放大器 或对数放大器 经过检波视频滤波显示在显示屏上的频率轴上 超外差频谱分析仪内部结构如下图 t f 输入信号与本振混频经中频滤波显示在屏幕上 f2 f1 f3 fin flo IF flo fin IF t1 f1 t2 f2 t3 f3 混频 滤波 f f 屏幕显示 检波 t1 t2 t3 f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 f2 f3 L1 L2 L3 1 射频输入部分 前端 在电信领域中应用的测量仪器的输入要求一样 频谱分析仪通常采用的输入阻抗50欧姆 为了能在输入阻抗的系统中应用 如有线电视 广播系统中 比输入阻抗应用更为广泛 在这样的系统中用频谱分析仪进行测试时 通常需要一个的阻抗变换器 否则 会由于不匹配造成的测量误差 实现转换最简单的方法是串一个的阻抗 虽然后者的插入损耗低 大约1 8dB 但只是输入的匹配 而输出到频谱仪的射频连接却处于失配 如图 9 14 a所示 频谱仪的输入阻抗偏离了 由于多径反射会造成测量误差 为此 建议使用两端都匹配的衰减器 如或衰减器 如图 9 14 b所示 在这种情况下 会造成高的插入损耗 匹配 2 低通滤波器 低通滤波器的主要作用是抑制镜像频率 为了保证接收有用信号的质量 需在射频混频器前加入滤波器来抑制镜像频率 信号带宽窄采用低中频模式比较容易处理 见下图 混频 低通 衰减 带通 混频 信号 镜像 中频 低通 fI 本振 finmin fimmin fLmin 低中频模式 fI fI fL fim fin fI fI fI fI fI fI fL fin fim 当输入信号频带很宽时 采用低中频混频模式 镜像与信号重叠 低通滤波器不能将镜像噪声滤除 中频将叠加镜像噪声 解决这个问题的方法是采用比信号高的中频方案 见下页 低中频模式不能抑制镜像 采用高中频模式将信号与镜像分开 高中频模式可以抑制镜像 3 衰减器 衰减器主要有三个作用1 保护频谱仪不受损坏 测量高电平信号时 为了不烧坏频谱分析仪 必须对信号进行衰减 2 提高测试的准确性 混频器是非线性器件 当混频器输入信号电平较高时 输出信号电平超过混频器1dB压缩点电平 使无互调范围减小 输出会产生三阶五阶互调和谐波失真 测试结果会不准确 3 提高频谱仪动态范围 通过设置步进衰减器调节进入混频器的电平 可以得到较大的动态范围 3 混频器 混频器的作用就是将输入高频信号转换成中频信号 由于混频器是非线性器件 输出会有很多频率成分 但我们需要的是混频方式有两种 本振的基波混频和谐波混频 基波混频是输入信号与本振基波混频 而谐波混频是信号与本振信号的谐波混频 谐波混频会造成相对高的转换损耗 混频器对输入RF小信号而言是线性网络 当输入信号幅度逐渐增大时 就存在着非线性失真问题 所以输入信号的幅值应低于频谱分析仪混频器的1dB压缩点 上变频是一个非线性过程 变频器的输入 输出特性可以用台劳级数来描述 V0 t a0 a1x a2x2 a3x3 1 假设本振u1 Um1cos 1t 信号u2 Um2cos 2t将x Um1cos 1t Um2cos 2t代入式 1 则可以求得V0 t 中的各频率分量表达式 o p 1 q 2 p q 0 1 2 2 式 2 表明 输出信号包含基波 谐波 基波谐波的各种不同组合 为了简单说明问题 现在我们只单独来看 1 式中的x2项 将x Um1cos 1t Um2cos 2t代入x2就得到 Um1cos 1t Um2cos 2t 2 Um1cos 1t 2 2Um1cos 1tUm2cos 2t Um2cos 2t 2 3 Um1cos 1tUm2cos 2t 1 2 Um1Um2 cos 1t 2t cos 1t 2t 混频器 4 增益可变中频放大器 输入信号经过了前置衰减器 混频器电平降低 为了恢复信号幅值 在混频后对中频信号进行放大 在放大有用信号的同时 噪声和干扰信号也被同时放大与RF衰减器捆绑在一起 5 中频滤波器 中频信号经放大后 然后经过中频滤波器 中频滤波器是一个带通滤波器 它选出需要的混频分量 抑制掉其他不需要的信号 中频滤波器的带宽决定了频谱分析仪的RBW范围根据频谱分析仪类型不同 中频滤波器有模拟滤波器 数字滤波器和FFT滤波器滤波器的带宽通常为3MHz 1MHz 300KHz 100KHz 30KHz 10KHz 3KHz 1KHz 300Hz 100Hz 10Hz 1Hz 分辨率带宽 RBW 越窄靠近的两个信号辨别越清楚 RBW 6 模拟滤波器 模拟滤波器用来实现大的分辨率带宽 一般频谱仪为4级滤波电路 也有5级滤波电路产品 这样可分别得到14和10的波形因子 然而理想的高斯滤波器的波形因子为4 6波形因子即带宽选择性 简称选择性 在实际测量中 经常会遇到这种情形 两个频率接近的信号幅度不等 大信号形成的响应曲线掩盖了小信号 使小信号丢失 所以很多公司产品提供了滤波器3dB带宽 表示等幅正弦信号频率相差多少时仍能将它们区分开 这样的合成响应曲线仍有两个峰值 中间下沉大约3dB 如下图所示 有些频谱分析仪的带宽选择性定义为60dB与3dB带宽之比 如下图 也有的频谱分析仪的选择性用60dB和6dB带宽之比表示 7 滤波器矩形系数 两等幅信号的测试 3dB 60dB RBW 1K RBW 10K 8 数字中频滤波器 通过数字滤波器可以获得很窄的带宽 和模拟滤波器相比 理想的高斯滤波器可以实现 数字滤波器在可接受的价格内有更好的选择性 如5级电路模拟滤波器的波形因子为10 高斯滤波器为4 6 另外 数字滤波器有更好的温度稳定性 无需调整 所以在带宽上更加精确由于数字滤波器的瞬态相应已经确定 使用合适的修正系数可使数字滤波器获得比模拟滤波器在相同带宽的情况下更短的扫描时间 9 FFT滤波器 如果单纯为了测试精度而设置非常窄的分辨率带宽 则会造成无法容忍的长时间扫描 因此在非常高的分辨率的情况下建议采用FFT滤波器 从时域特性计算频谱 见下图 当采用FFT滤波器时 频率非常高的信号不能通过A D直接采样 须经过与本振混频变为中频并在时域对带通信号取样 X t A D RAM FFT 10 对数放大器 检波器之前有一个对数放大器 对数放大器按照对数函数来压缩信号电平 对于输入电压幅度v 输出电压幅度为logv 这大大减小了由检波器所检测的信号电平变化 而同时向用户提供校准成用分贝读数的对数垂直刻度 在频谱分析仪中 由于信号电平大幅度变化 故需要采用对数刻度 11 检波器 频谱分析仪一般都是用包络检波器把IF信号变换成视频 包络检波器最简单的形式是一个二极管后面接一个并联的RC电路 如下图峰值检波器由二极管和RC电路组成 其输出要跟随IF信号的包络而变化 它必然也具有一定的响应时间 这就是检波器的时间常数 时间常数太大 检波器就不能及时跟上包络变化的速度 扫描速度的快慢也会对检波器输出产生影响 扫描太快 检波器电路来不及响应 其输出幅度也就反映不出包络的变化 检波方式 不同的检波方式在显示屏上会有不同的数据处理 频谱分析仪主要有以下检波方式 最大峰值检波最小峰值检波取样检波RMS检波器平均值检波 最大峰值检波 取样检波 最小峰值检波 12 视频滤波器 视频滤波器在包络检波器之后 视频滤波器决定了视频带宽 视频滤波器是第一级低通设置 用于从视频信号中滤除噪声 平滑轨迹 从而使显示结果稳定 和分辨率带宽类似 视频带宽也会限制最大允许扫描速度 要达到最小的扫描时间需要增大视频带宽S N比较低时 可以通过减小VBW来稳定显示 弱信号会在频谱中突现出来并且稳定可再现 在测量正弦波信号时 减小VBW 对电平无影响 未经视频滤波 经过视频滤波 13 锯齿波发生器 本振和显示 锯齿波发生器既控制显示器上X轴扫描位置 又控制LO的频率 所以就可以通过校准 用显示器的水平轴来表示输入信号频率任何振荡器都不是绝对稳定的 而是在一定程度上被随机噪声调频或调相的 LO的不稳定性会直接影响由LO和输入信号混频后的中频 因此 LO的相位噪声调制边带也会在显示器上任何谱分量的两边出现 LO越稳定 相位噪声越低YIG振荡器经常被用作本振 也由一些频谱仪采用压控振荡器作为本振 其调节范围较小 但较YIG调整起来更快 为了增加频谱仪的频率精度 本振信号可以是合成信号 也就是说 本振经锁相环锁定在参考信号上 参考信号通常由一个温控晶振产生 为了增加频率精度与长期的稳定性 大多数频谱仪广泛采用恒温控制晶振 显示屏 X轴扫描 Y轴信号 频谱分析仪性能指标 频谱分析仪有以下主要性能指标 滤波器特性相位噪声接收机的固有噪声系统非线性1dB压缩点动态范围测量精度下面就这些指标分别讨论 1 分辩滤波器特性 中频滤波器需要矩形滤波器 但对频谱分析仪而言 矩形滤波器的瞬态响应是不合适的 由于这样的滤波器与较长的瞬态响应时间 输入信号的频谱应通过十分缓慢的本振调谐变到中频仪避免幅度误差 使用优化瞬态响应的高斯滤波器可以获得较短的测试时间滤波器的特性常以波形系数来定义 SF BW 60dB BW 3dB 2 相位噪声 相位噪声是振荡器短时间稳定度的度量参数 尽管我们看不到频谱分析仪LO系统的实际频率抖动 但LO频率或相位不稳定的表现是可以观察到的 这就是相位噪声相位噪声通常是以一个单载波的幅度为参考 并偏移一定的频率下的单边带相位噪声 这个数值是指在1Hz带宽下的相对噪声电平 故其单位为dBc 1Hz 或dBc Hz c表示载波 由于相位噪声电平比载波电平低 所以定义为负值相位噪声主要影响频谱分析仪的分辨率和动态范围 噪声边带 3 分析仪的固有噪声 固有噪声可以理解为频谱分析仪的热噪声 固有噪声会导致输入信号信噪比的恶化 所以固有噪声是频谱分析仪灵敏度的度量指标 决定了频谱分析仪的最小可检测电平指标中的显示噪声平均电平必须对应相应的分辨率带宽和衰减器设置 因为这两个指标对显示的噪声电平都有影响 典型情况下是设置衰减器为0dB和最小分辨率带宽RF衰减器设置和RBW对设置对显示噪声本底影响见下图 减小带宽 降低噪声 10dB 10kHzRBW 1kHzRBW 10dB 100kHzRBW 4 IF滤波器带宽对噪声电平的影响 5 RF输入衰减对噪声电平的影响 10dB衰减 20dB衰减 6 接收机的非线性特性 由于频谱分析仪中含有半导体器件 所以存在非线性 然而频谱分析仪要求无失真显示被测输入信号 所以线性特性是频谱分析仪必须的性能参量 对于单正弦波信号输入的情况 由于存在非线性 会产生各次谐波 对于输入信号是两个幅度相等的正弦波信号的情况 除了产生谐波之外 同时也有互调产物 互调产物的阶数是所含频率各次项之和频谱仪的线性主要由混频器和中频放大器决定 而输入射频衰减器实际上对线性是没有影响的 如果由射频衰减器改变混频器的输入电平 频谱仪产生的互调产物电平将依其阶数变化 而DUT产生的互调产物电平保持不变 所以调节衰减器可以判断频谱仪显示的互调产物的来源 如果增加RF衰减 而谐波和互调产物的相对电平保持不变 说明失真来自DUT 测量结果正确 如果谐波和互调产物的相对电平有变化 则说明有部分失真来自频谱分析仪内部 测量结果不正确频谱仪常用截止点 T O I 和1dB压缩点来表征分析仪的非线性特性 0dB 20dB 40dB 60dB 80dB 100dB 60dB 30dB 0dB 二次谐波 三阶互调 混频器二次谐波和三阶互调 20dB 40dB 60dB 80dB 100dB 60dB 30dB 0dB 0dB RBW 100Hz显示噪声 RBW 1K显示噪声 信噪比示图 20dB 40dB 二次谐波 60dB 三阶互调 80dB RBW 1K显示噪声 100dB 60dB 30dB 0dB 混频器最佳工作区 混频器最佳工作区 7 动态范围 动态范围是频谱分析仪同时处理不同电平信号的能力 动态范围的限值依赖于实际所要进行的测量 动态范围下限是由自然噪声或相位噪声决定的 动态范围的上限是由1dB压缩点或由频谱仪过载而造成的失真决定的最大动态范围通常是在最小分辨率带宽情况下 显示的噪声做为下限 1dB压缩点作为上限 如果达到第一级混频器的输入电平高出1dB压缩点 那么将产生混频器的非线性失真 使用较小的RBW时 失真产物就会明显地显示出来 他们不会被噪声淹没 此时的频谱测量就不能明确反映被测设备的真实频谱 频谱分析仪动态范围 频谱分析仪的动态范围指标是表征频谱仪同时测量大小信号的能力 用最大信号与最小信号之比的dB值表示 1 混频器的内部失真 限制了最大信号电平 2 内部噪声电平 限制了最小信号电平 3 本振相位噪声 限制了测量近端微弱信号的能力 根据上述分析 频谱仪在使用时要注意上述影响因素 以获得较大的动态范围 通常 频谱分析仪的动态范围为70 120dBc 8 测量精度 频谱仪测量精度分为频率测试精度和幅度测量精度频率精度 频谱仪的本振通过锁相环同步到一个稳定的参考振荡器上 频谱分析仪的频率精度也就是参考源的精度 并且受参考源的温度和长期稳定度的影响 参考源通常采用温度补偿晶体振荡器和箱控晶体振荡器 产生的参考频率收到环境温度和操作期间老化的影响幅度测量精度 其误差来源主要有频率响应 衰减器误差 中频增益误差 线性误差 带宽切换误差和失配误差 SpecificationsAccuracy FrequencyReadoutAccuracyExampleSingleMarkerExample 2GHz400kHzspan3kHzRBWCalculation 2x109Hz x 1 3x10 7 yr ref error 260Hz1 of400kHzspan 4000Hz15 of3kHzRBW 450Hz10Hzresidualerror 10HzTotal 4720HzAccuracy RelativeAmplitudeAccuracy Freq ResponseSpecification 1dBSignalsintheSameHarmonicBand 频谱分析仪灵敏度 灵敏度是表示接收微弱信号的能力 而限制接收机灵敏度提高的主要因素是内部噪声电平 频谱仪在不加任何信号时也会显示噪声电平 这个平均噪声电平DANL DisplayedAverageNoiseLevel 通常称为本底噪声 NoiseFloor 本底噪声在频谱图中表现为接近显示器底部噪声基线 因此 被测信号小于本底噪声则测不出来 本底噪声是频谱仪自身产生的噪声 其大部分来自中频放大器第一级前的器件与电路的热噪声 且是宽带白噪声 常用的频谱仪的灵敏度 一般数量级为 100 150dBm 频谱分析仪灵敏度 fI fI fI 9 Sweeptime 频谱分析仪的扫描时间是扫描一次整个频率量程并完成测量所需要的时间 也称分析时间 我们一般都希望测量速度越快越好 因此希望扫描时间越短越好 和扫描时间有关联的主要有 span RBW和VBW 而且检波器的时间常数对扫描时间也有影响当VBW小于或等于RBW时 ST k span RBW VBW K为滤波器比例系数 扫描范围越大 扫描时间越长 RBW越小 精度提高 但每次扫描的带宽变窄 总的扫描时间会增加 VBW也同理 如果检波器时间常数太大 检波器就不能及时地跟上包络变化的速度 测试时间也必须增加下图是扫描时间太短的结果示意图 频率升高 幅值下降PHS频谱测试时sweeptime设为4s 也可设置Auto 扫频过快 10 Display 由于在视频滤波前的对数放大器 有压缩特性 所以在测量范围内 幅值越大 精确度越高 所以在显示器的70 90 范围内测量最合适 测试时被测频谱置于频谱分析仪显示屏的70 90 范围内 70 90 11 detectormode 频谱分析仪一般都以正峰值作为其主要检波方式 而把采样方式作为辅助检波方式 建议在测试杂散时采用正峰值检波方式 即peak方式 因为不管分辩带宽和视频带宽之比是多少 都不会丢失有用信号和杂散的信息 如果采用其他方式检波 如果仪器其他参数设置不合理 就会丢失有用信息 借助限值线评估踪迹图 测试实例 射频的空间测量在移动通信系统中 常常用频谱分析仪测量空间传输的信号电平 尤其在网络优化系统工程里 用频谱分析仪来测量空间的电场分布 也就是用频谱分析仪测量空间的传输的信号电平 功率 Ptw rm 9 4 3调制信号测量 1 绝对电平 dBm 的测量当被测信号电平不太大时 即小于20dBm 可将被测的信号电平 功率 直接输入到频谱分析仪 进行直接测量它的电平 功率 如果 被测信号功率比较大时 频谱分析仪输入端接入一个较大功率的衰减器 被测信号是通过衰减器后输入的频谱仪的输入端 测量信号电平 频率测量 信号 杂波 谐波的测量 调制信号测量 1 调幅信号的测量 式中 称为调幅系数 它的大小反映了调幅的深度 由式 9 29 表明 单音调制的已调幅信号包含有三个频率分量 其中一个是载波 另外两个对称地分布在载波两侧 分别称为上下边带分量 边带分量的幅度正好是调制信号幅度的一半 调幅信号的测试方法 通常有频谱仪直接测量法 扫频法 时域法和FFT频域法等测试方法 频谱分析仪直接测量调幅信号 扫频法 图 9 36 已调幅信号的频谱图 例如 则调制频率 调幅度 时域方法测试调幅信号 利用频谱仪测试调幅信号的直接测量法 不适于调制频率低于频谱分析仪的分辨带宽 在这种情况下 可采用所谓时域测量方法 该法是将频谱仪的分辨