第八章：频域测量.ppt

第八章频域测量技术 由线性系统频域分析发展起来的频域测量技术 是当前对模拟系统测量的基本技术 在线性系统测量中具有重要意义 本章主要讲述两个问题 一是线性系统频率特性的测量 二是信号的频谱分析 线性系统频率的测量与被测量系统的工作频率密切相关 在低频和高频段 所接触的参数都是集总参数 只集中在理想电路元件 LCR 上 实际上 随着频率的升高 导线本身有电阻 电感 电容这些参数均匀分布在导线上 称为分布参数 不能忽略 所以 频率在 30 300MHZ 段主要介绍频率特性测试仪 扫频仪 频率在 300MHZ 300GHZ 段主要介绍网络分析仪 这里讲的网络是指由器件 元件组成的网络 当年提出网络这个概念时还没有计算机网络等现代网络的概念 8 1概述 1 频域和时域的关系通常一个过程或信号可以表示为时间t的函数f t 还可以表示为频率f或角频率的函数s 在时域分析中 就以时间为自变量 以被观测信号 电压 电流 功率 为变量进行的分析 例如示波器就常用来观测信号电压随时间的变化 它是典型的时域分析仪器 在频域分析中 以频率为自变量 以各频率分量的信号值为因变量进行分析的 频谱分析仪则可对信号本身分析和对线性系统非线性失真系数的测量 通过频谱测量确定信号的谐波分量 了解信号的频谱占用情况 2 信号的定义及种类信号一般可表示为一个或多个变量的函数 根据信号随时间变化的特点可分为 A 确定信号与随机信号B 连续时间信号与离散时间信号C 周期信号与非周期信号除了上述信号种类之外 还有很多分类方法 如奇信号 偶信号 调制信号 载波信号 能量有限信号 功率有限信号等 3 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 频谱测量就是在频域内测量信号的各频率分量 以获得信号的多种参数 狭义上 在一般的频谱测量中常将随频率变化的幅度谱称为频谱 频谱测量的基础是付里叶变换 它以复指数函数为基本信号来构造其他各种信号 其实部和虚部分别是正弦函数和余弦函数 任意一个时域信号都可以被分解为一系列不同频率 不同相位 不同幅度的正弦波的组合 在已知信号幅度谱的条件下 可以通过计算获得频域内的其他参量 对信号进行频域分析就是通过研究频谱来研究信号本身的特性 从图形来看 信号的频谱有两种基本类型 离散频谱 又称线状谱线 连续频谱 实际的信号频谱往往是上述两种频谱的混合 4 信号的频谱分析技术1 信号频谱分析的内容信号的频谱分析包括对信号本身的频率特性分析 如对幅度谱 相位谱 能量谱 功率谱等进行测量 从而获得信号在不同频率上的幅度 相位 功率等信息 还包括对线性系统非线性失真的测量 如测量噪声 失真度 调制度等 2 频谱分析仪的基本原理频谱分析仪就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FFT分析 实时分析 法 非实时分析法两种实现方法 非实时分析方式有扫频式 差频式 或外差式 两种 外差式分析是频谱仪最常采用方法 3 频谱分析仪的分类按照分析处理方法的不同 可分为模拟式频谱仪 数字式频谱仪和模拟 数字混合式频谱仪 按照基本工作原理 可分为扫描式频谱仪和非扫描式频谱仪 按照处理的实时性 可分为实时频谱仪和非实时频谱仪 按照频率轴刻度的不同 可分为恒带宽分析式频谱仪 恒百分比带宽分析式频谱仪 按照输入通道的数目 可分为单通道 多通道频谱仪 按照工作频带的高低 可分为高频 射频 低频等频谱仪 等等 2 常用频域测试仪器 1 频率特性测试仪 2 频谱分析仪 3 选频电压表 4 调制域分析仪 5 相位噪声分析仪 6 数字信号处理机我们主要介绍第一 第二种仪器 3 线性系统幅频特性测量频率特性测量的经典方法是以正弦波点频法为基础的 这是一种静态测量方法 而正弦波扫频测量或称动态测量 并被制成扫频仪 广泛应用在低频 高频线性系统的幅频特性测试中 在线性系统中 当加入正弦波激励信号 其输出响应仍是正弦信号 但与输入正弦信号相比 幅度和相位发生了变化 一般情况下 其幅度和相位都是频率的函数 1 静态频率特性测量 点频法 点频法就是逐点测量频率的方法 正弦信号接入被测电路的输入端 由低到高不断改变信号频率 用测量仪器在各个频率点上测出输出信号与输入信号的幅度比 即可得到幅频特性 以f为横坐标 以幅度为纵坐标 就可逐点描绘出频率特性曲线 若测量仪器为相位计 能测量各个频率点上输出信号与输入信号的相位差 则可描绘出相频特性 点频法由于要逐点测量 操作繁琐 费时 并且由于频率离散 可能遗漏掉某些特征突变点 一般只用于实验室研究 用于生产则效率太低 2 动态频率特性测量 扫频法 扫频法工作原理 扫频振荡器在第3章已讲过 即在扫描信号作用下的压控振荡器 VCO 扫描信号可以设计为锯齿电压波 它同时加到示波管的X偏转板上 幅度不变而频率在一定范围内连续变化的正弦波 加到被测电路的输入端 由于调谐放大器的增益随频率而变 故其输出信号的幅度也随频率而变 输出信号的包络反映了该放大器的幅频特性 再经峰值检波器取出其包络加至示波器的Y轴系统 在荧光屏上就会直接显示出调谐放大器的幅频特性 扫频法是在一定扫描速度下获得被测电路的动态频率特性 比较符合被测电路的实际应用情况 动态频率特性 随着扫描速度的提高 频率特性将扫频方向偏移 其原因是由于通常与频率有关的电路是由动态元件LC等组成的 信号在其上建立和消失都要一定时间 扫频速度太快时 信号在其上来不及建立或消失 故谐振曲线出现滞后或展宽 出现了 失敏 或 钝化 现象 8 2频率特性测试仪 频率特性测试仪简称扫频仪 是一种根据扫频测量法原理组成的分析电路频率特性的电子测量仪器 功能 主要用于电路频率特性的测试 特点 扫频仪能够直接在示波管的荧光屏上显示被测电路频率特性 与示波器不同的是 它的横坐标为频率轴 纵坐标为电平值 而且在显示图形上叠加有频率标志 可对电路幅频特性 带宽等进行定量测试 8 2 1频率特性测试仪的工作原理 扫频仪主要用来测试宽带放大器 雷达接收机的中频放大器 电视接收机的视频特性及鉴相器特性 主要由扫频信号发生器 频标发生器 显示器及电源组成 1 扫频信号发生电路 实际上是一种调谐振荡器 它产生按一定规律变化的扫频信号 调频方式主要有三种 一是磁调制 二是变容二极管调制 三是宽带扫频 2 频标信号产生电路 标准信号发生器输出的正弦波加到谐波发生器 进行限幅 整形 微分 形成含有丰富谐波成分的尖脉冲 再与扫频信号混频 混频后的信号在零差点附近两频率之差迅速变小 经低通滤波器后高频成分被滤去 使零差点附近的信号幅度迅速衰减而形成菱形频标 8 2 频率特性测试仪的主要技术指标 1 扫频非线性系数k2 扫频宽度3 扫频信号的寄生调幅系数4 稳定性5 扫频信号电压6 频率标记7 输出阻抗 8 2 频率特性测试仪的使用 1 通电预热10分钟左右 调好辉度和聚焦 扫描线应明亮平滑 2 极性开关 和AC DC设定 3 将频标选择开关置于合适档位 通过调节频标幅度旋钮 使其大小合适 4 进行零频标点的调试 5 进行0dB校正 2 频率特性测试仪面板和主要控键示意图 3 使用注意事项 1 扫频仪与被测电路连接时 必须考虑阻抗匹配问题 2 在显示幅频特性曲线时 如发现图形有异常曲折 则表明电路有寄生振荡 这时应先采取措施消除自激 如降低放大器增益 改善接地线或加强电源退耦滤波等 3 测试时 输出电缆与检波头的地线应尽量短 切忌在检波头上加长导线 4 频率特性仪测试实例 频率特性测试仪可用于可测定无线电设备 如宽带放大器 雷达接收机的中频放大器 高频放大器 电视机的公共通道 伴音通道 视频通道以及滤波器等有源和无源四端网络 的频率特性 1 电路幅频特性的测试 2 电路参数的测量增益的测量和带宽的测量 电路幅频特性的测试连线图 注意的是 扫频仪与被测电路之间必须阻抗匹配 特别是当被测电路的输入阻抗不是 欧 也不为高阻抗时 为了减小测量误差 应在扫频仪的输出端与被测电路的输入端之间设置一个阻抗匹配器 8 3频谱分析仪 频谱分析仪主要用于分析信号中所包含的频率成分 即分析信号的频谱分布 频谱仪采用滤波 跟踪锁相或快速傅立叶变换等技术 利用一个或多个微处理器进行控制 误差修正和数据处理 是一种工作频率范围极宽 分辩力极高 用途极广的一大类仪器 有高频 万用表 之称 8 3 1频谱分析的基本概念 1 频谱分析 概念 通常将合成信号的所有正弦波的幅度按频率的高低依次排列所得到的图形称为频谱 频谱分析就是在频域内对信号的特性进行描述 时域到频域如何变换的 是由傅立叶变换把时间信号分解成正弦和余弦曲线的叠加 完成信号由时间域转换到频率域的过程 变换的结果即为幅度频谱或相位频谱 2 示波测试与频谱分析的特点 示波器和频谱仪都可用来观察同一物理现象 两者所得的结果应该是相同的 但由于两者是从不同角度去观察同一事物 故所得到的现象只能反映事物的不同侧面 因此 从测量的观点看 这两类仪器各有特点 示波器从时域上容易区分电信号的相位关系 而在频谱仪上是频率分量 看不出相位差异 另外如果电路中存在非线性失真 就会象混频器一样会产生新的频率分量 在示波器上就难以看到 而在频谱仪上则会明显看到由于非线性失真带来的新的频谱分量 可见 示波器和频谱仪各有各的特点 并起到互为补充的作用 3 获取频谱的基本方案 频谱仪分类 获取频谱基本方案 第一 最基本的方法是用一系列带宽极窄的滤波器滤出被测信号在各个频率点的频谱分量 这种同时并行作业的测量方式 称为同时分析 第二 由电子开关轮流把各个滤波器的输出接到一个公用的检波 放大 显示器上去 这是顺序分析的方法 第三 用一个可调的窄带滤波器来代替上述的一系列滤波器 使得顺序分析方案简化 第四 使用扫频外差接收机 频谱仪分类 频谱仪从工作原理上可分为模拟式和数字式两大类 模拟式频谱仪是以模拟滤波器为基础的 数字式频谱仪是以数字波波器或快速傅里叶变换为基础的 8 3 几种常用频谱分析仪原理介绍 1 并行滤波式实时频谱仪 输入信号经放大后送入一组带通滤波器 这些滤波器的中心频率是固定的 并按分辨率的要求依次增大 在这些滤波器的输出端分别接有检波器和相应的检测指示仪器 这种方法的优点是各频谱分量被实时地同时检出来 缺点是结构复杂 成本高 并行滤波实时频谱分析仪框图 2 顺序滤波式频谱分析仪 原理与并行滤波法相同 只是为了简化电路 降低成本 各路滤波器后通过电子开关轮流共用检波 放大及显示器 但这样作的缺点就是不能做到实时分析 3 扫频外差式频谱分析仪 后述重点介绍 图中的窄带滤波器的中心频率是不变的 被测信号与扫频的本振混频 将被测信号各频谱分量逐个地移进窄带滤波器 然后与扫描锯齿波信号同步地加在示波管上显示出来 4 数字滤波式实时频谱分析仪 实现数字式频谱仪主要有两种方法 一是用数字滤波器代替模拟滤波器 就是在滤波器前加入了取样保持电路和模数转换器 二是快速傅里叶分析法是一种软件计算法 现已有专门的FFT 快速傅里叶 计算器 将它与数据采集和显示电路相配合 则可组成频谱仪 5 时间压缩式实时频谱分析仪 又称为模拟数字混合式频谱分析仪 时间压缩法先将信号记录后 以高倍率速度重放 这时整个信号的频谱也随之移向高频段 并展宽了同样的倍数 增大滤波器的带宽 自然提高了扫描速度 但这种分析方法是在一个时间区段内对信号进行谱分析 存在信号被截断而带来频谱泄漏 6 采用数字中频的外差式频谱分析仪 融合了外差扫描与数字信号处理 实时分析技术 频谱仪的中频部分 采用全数字技术 通过数字滤波和FFT的方法 使分辨力和分析速度都大为提高 另外 由于中频采用了数字技术 其输出亦为数字量 仪器的末级部分也采用数字功率测量来代替传统的各种方式的检波 从而使频谱分析仪的性能得到很大提高 8 3 3频谱分析仪的主要技术指标 1 选择性 选择性是表明选择信号频谱的能力 习惯上用频谱分辨率来表示选择性的优劣 顾名思义 频谱分辨率是指能把靠得最近的相邻两个频谱分量 两条相邻谱线 分辨出来的能力 1 分辨率的定义 见教材335页图 频谱仪的分辨率主要取决于中频窄带滤波器频率特性的带宽 通常带宽由 3dB点和 dB点描述 带宽越小 分辨率越高 分辨带宽 3dB带宽 窄带滤波器的 3dB带宽用于区别两个等幅信号的最小频率间隔的能力 当两频率的距离等于滤波器半功率点带宽 3dB带宽 时 两曲线中间有一个凹陷 当凹陷比峰值低3dB时 就能明显地区分出两个峰 也就是能分辨出两条谱线 故此通常用 3dB带宽 作为分辨率的技术指标 通常称为分辨带宽 dB带宽 窄带滤波器的 dB带宽用于区别两个信号幅度不等的情况 在这种情况下 幅度较小的信号容易被淹没在幅度较大的信号的裙带之下 从而使实际分辨率变差 通常把两个相邻频谱分量幅度相差 dB时的分辨率称为裙边分辨率 它主要取决于滤波器 dB通带宽度 故用表示 形状因子 为了描述滤波器频率选择特性的优劣 把滤波器在 dB处的带宽与 dB处带宽之比称为滤波器通带特性的形状因子 形状因子 也称滤波器的选择性或矩形系数 的理想值应为 但老式频谱仪中 现代频谱仪中所设计的模拟滤波器幅频特性呈高斯分布 可做到 频谱仪的分辨率反映出频谱仪档次的高低 动态频率特性与自适应关系 前面讲的分辨率是中频滤波器的静态分辨率 即是由扫频速度比较缓慢的情况下得到的静态频率特性所决定的 当扫频速度非常快时 其幅频特性不同于静态 其谐振峰巅向扫频方向偏移 峰值下降 dB带宽被展宽 特性曲线不对称 扫速越高 偏离则越大 随着扫描速度的提高 频率特性将扫频方向偏移 其原因是由于中频滤波器实际是由动态元件LC等组成谐振电路 信号在其上建立和消失都要一定时间 扫频速度太快时 信号在其上来不及建立或消失 故谐振曲线出现滞后或展宽 出现了 失敏 或 钝化 现象 因此 频谱仪要求使用者正确选择好静态分辨率和扫频速度 而扫频速度要靠选择好扫频范围 通常称跨度 和扫描时间 以达到动态分辨带宽为最佳值 为了保持正确的读数状态应遵循 式中 为比例因子 取值与滤波器的类型及响应误差有关 对 级或 级级联的模拟滤波器 取 对高斯数字滤波器 可取 甚至小于 的数 是频谱仪的视频带宽 从上式可知 在一定的扫描宽度下 分辨带宽越窄 要求的扫描周期越长 但是扫描周期太长就使测量速度慢 总而言之 要选择既满足扫频宽度要求 又满足分辨带宽要求的最快的扫描周期 这给初学者带来了困惑与不方便 现代频谱仪就给我们解决了这个难题 采用了计算机管理 具有自适应算法 根据跨度 大小 为用户选择适当的分辨带宽 及视频带宽 再由以上参数决定当前的扫描时间 通过调节扫描时间来维持一个经校准的显示 也就是说 现在的频谱仪大多能自动配置扫描时间 根据选取的扫频宽度和分辨率带宽自动选择最快的可允许扫描时间 影响分辨率的因素 窄带滤波器的带宽是决定分辨率的关键因素 但实际上影响分辨率的还有其他多种因素 主要有两项一是本振的稳定度 二是本振的相位噪声 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 通常称为本底噪声 在频谱图中表现为接近显示器底部的噪声基线 因此被测信号小于这个本底噪声就测不出来了 定义 在特定的分辨带宽下 或归一化到 带宽时的本底噪声 常以dBm为单位 一般数量级为 dBm 灵敏度指标表达的是 频谱仪在没有信号存在的情况下 因噪声而产生的读数 只有高于该读数的输入信号才可能被检测出来 因此 灵敏度常常也用最小可测的信号幅度来表示 其数值上等于显示平均噪声电平 两个重要结论 若提高灵敏度 即降低最小可测信号 要求频谱仪必须降低内部噪声电平 减小分辨带宽 可以降低内部噪声电平 但减小分辨带宽会大大增加测量时间 动态范围动态范围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 影响动态范围的因素主要有三个 混频器的内部失真 内部噪声电平和本振的噪声边带 混频器的内部失真 限制了最大信号电平 混频器是一个非线性电路 在信号很小的电压范围内 变频过程没有失真 但当高频信号电平加大时 则在混频器内部产生了失真 为减小混频器内部失真 输入高频信号不能太大 故影响了频谱仪的动态范围 2 内部噪声电平 限制了最小信号电平 一方面 为了最好的信噪比 希望混频器的工作电平尽可能高 但另一方面 希望产生的内部失真最小 则要求混频器工作电平尽可能低 因此 衰减器设值要在这两者间折中考虑 3 本振相位噪声 限制了观测近端微弱信号的能力 在近端测试时 即测量点距信号载波较近时 由于本振频率不稳定性引起的相位噪声影响时 动态范围还要变小 因为相位噪声边带限制了观测微弱信号的能力 8 3 频谱分析仪的应用 频谱分析仪的应用范围 1 测量正弦信号的绝对幅值和相对幅值 2 频率 寄生频率分量的绝对频率和相对频率 噪声和频率稳定度等参数 2 测试调幅 调频 脉冲调幅等调制信号 3 测试脉冲噪声 4 测试瞬变信号 5 测试线性网络和非线性网络的幅频特性 非线性失真 增益或衰减等参数 6 进行电磁兼容性 EMC 的测试 频谱分析仪的正确操作使用 1 频谱分析仪型号的选择 2 扫频宽度的选择 3 频带宽度的选择 4 扫频速度的选择 频谱分析仪的应用实例 掌握正弦信号测量 正弦信号的测量 一般的频谱仪虽不能测量正弦信号的相位 但能测定它的幅度和频度 测量幅度 用频谱仪测量正弦信号的相对电平一般有三种方法 直接法把幅度最大的那个信号先送入频谱仪进行显示 使显示图像的顶部正好是0dB 然后把需要比较的其他信号依次送入频谱仪 观测它们的图像顶部所对应的纵坐标 这就是它们的相对电平 射频替代法在影响增益的其他旋钮不动的情况下 调整频谱仪的输入衰减器 使需比较的两个正弦信号都有同样的高度 那么输入衰减器在两次测试过程中的差值就是两个被测信号的相对电平差 中频替代法在影响增益的其他旋钮不变的情况下 调整频谱仪的中频衰减器 使需要比较的两个正弦信号都有同样的图像高度 那么中频衰减器在两次测试过程中的差值就是被测信号的相对电平差 如果用频谱仪测正弦信号的绝对电平 则应先用一个幅度已知的正弦信号送入频谱仪 预先对频谱仪的增益进行校准 然后再按测试相对电平的方法进行测试 测量频率 直接法先用频率已知的信号对频谱仪的水平刻度进行定度 然后读出被测信号谱线与已知频率谱线相差的水平刻度数 再乘以每格相应的扫频宽度则得到被测信号与已知信号的频率差值 梳状频标法让晶体振荡器的输出信号经窄脉冲发生器形成梳状频谱信号 再把这个信号送入频谱仪输入端 则可在荧光屏上得到梳状频标 从而有效地克服了直接法只用单一标准频率的缺陷 使被测频率可以靠近标准频率 移动频标法移动频标由频率可变的标准振荡器产生或借助于频率计数器形成 辅助振荡器法将辅助振荡器的信号与被测信号一起送入频谱仪 调节辅助振荡器的频率使其谱线与被测信号重合 再由频率计数器测出辅助振荡器的频率 手动扫频法让频谱仪工作在手动扫频状态 慢慢调节频谱仪的本振频率 当被测谱线刚出现时立即停止扫应 调出此时跟踪发生器的频率或本机振荡器的频哟 则可得知被测信号频率 现代较高档次的频谱仪可将准确的频率值直接显示在屏幕上 频谱纯度 寄生频率分量和噪声 的测定理想的正弦信号在频谱仪上是一根谱线 纯度非常好 但实际的正弦信号还应加上谐波分量 杂波含量 噪声含量 寄生调制等寄生参数 当频谱仪采用宽线性扫频时 可以方便地识别被测信号的基波谱线与各次谐波谱线 若纵坐标选用对数刻度 调节频谱仪的增益使基波谱线高度等于 dB 那么各次谐波谱线所对应的纵轴刻度就是该次谐波的含量 如果在信号谱线左右等距的地方出现一对寄生的谱线 说明被测信号中存在寄生调制 调制深度由这一对谱线的高度决定 如果这一对谱线的高度相等 说明只存在一种寄生调制 要么是寄生调频 要么是寄生调幅 如果这一对谱线的高度不相等 那就意味着既存在寄生调频 也存在寄生调幅 寄生信号与有用信号在频率上没有直接的关系 故常统称为杂波 测量时应保证频谱仪工作在未饱和的状态下 但如何判断频谱仪是否饱和呢 可以在频谱仪的输入端插入xdB的衰减 如果整个频谱图像也降低xdB 说明频谱仪未饱和 如果频谱图像的下降少于xdB 则说明频谱仪已饱和 频率稳定度的测量适当调整仪器 以便在荧光屏上清晰的显示出被测信号的谱线 将频谱仪置于窄带线性扫频状态 如果被测信号是很稳定的 那么显示器上的谱线位置应当固定不动 如果被测信号谱线在为断地漂移或晃动 则说明被测信号的频率不稳定 调幅信号的测量已调幅信号的幅度随着调制信号瞬时值的变化而变化 若调制信号是正弦波 那么已调幅信号为 令则的大小反映了调幅深度 称调幅系数 从上式看出 单音调制的已调幅信号包含有 个频率分量 一个是载波 另外两个对称地分布在载波两侧 称边带分量 边带分量的幅度正好是调制信号的一半边带分量与载波分量的频率差正好是调制频率 对于调幅信号测试 一般采用扫频方法 时域方法和 频域方法 调频信号的测量主要有四种方法 它们是 一是扫频频域法二是贝塞尔零点法三是 aberly方法四是斜率检波 解调方法 脉冲调制信号的测量脉冲幅度调制广泛应于雷达 数字通信 遥测等方面 最基本 最常用的脉冲调制信号是矩形波 用频谱仪可以测量载波频率 峰值脉冲功率 脉冲重复频率 脉冲宽度 其中载波频率 脉冲宽度 脉冲重复频率可以直接测量 频谱仪测试结果不包含相信信息 所以频谱分量全部是正向的 脉冲频谱的测量分为宽带和窄带两种方法 5 复合信号频