第9章-信号分析和频域测量(新).ppt

第九章信号分析和频域测量,9.1信号的频谱9.2扫描式频谱仪9.3付里叶分析仪9.4频谱仪在频域测试中的应用9.5谐波失真度测量9.6调制度测量,9.1信号的频谱9.1.1信号分析和信号频谱的概念,频谱测量：对信号的各频率分量及其大小的测量，以获得信号的多种参数。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,9.1.2周期信号的频谱,一个周期为T的信号f(t)可以用复指数级数展开表示为：,其中cn称为周期信号f(t)的付氏级数系数，或f(t)的频谱系数。付氏级数明确地表现了信号的频域特性。,周期信号的频谱特性,离散性：频谱是离散的，由无穷多个冲激函数组成；谐波性：谱线只在基波频率的整数倍上出现，即谱线代表的是基波及其高次谐波分量的幅度或相位信息；收敛性：各次谐波的幅度随着谐波次数的增大而逐渐减小。,脉冲宽度和频带宽度,脉冲宽度是时域概念，指在一个周期内脉冲波形的半功率点之间的时间间隔；频带宽度（带宽）是频域概念，通常规定：从零频率到需要考虑的最高次谐波频率之间的频段即为该信号的有效占有带宽，亦称频带宽度。实际应用中，常把零频到频谱包络线第一个零点间的频段作为频带宽带。,脉冲宽度和频带宽度（续1）,脉冲宽度与频带宽度对周期信号频谱的影响,连续方波信号的波形如上图所示，它在一个周期内的时域表达式为其中T0为方波的周期，脉冲宽度为2T1。,脉冲宽度和频带宽度（续2）,在T1T0/4、T1T0/8、T1T0/16情况下的方波频谱图如下：,重复周期变化对频谱的影响,仍考虑上述周期方波的例子：保持脉冲宽度2T1不变，随着周期T0的增加，谱线间隔0将减小，频谱的包络线被越来越密集的频率间隔取样；T0趋于无穷大，原来的连续方波就近似为一个矩形单脉冲，频谱也相应趋近于连续的取样函数。可见，时域内的重复周期与频域内谱线的间隔成反比：周期越大，谱线越密集。当时域内的波形向非周期信号渐变时，频域内的离散谱线会逐渐演变成连续频谱。,9.1.3非周期信号的频谱,非周期信号的付氏变换付氏级数表示仅限于周期信号。如果把非周期信号视为周期无穷大的周期信号，则非周期信号可通过付氏变换表示在频域中。一个时域非周期信号的付氏变换定义为：,其反变换或逆变换为：,频谱,9.1.4信号的频谱分析技术,频谱分析仪的基本原理非实时分析法在任意瞬间只有一个频率成分能被测量。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。,9.2扫描式频谱仪9.2.1滤波式频谱分析技术,滤波式频谱分析仪原理及分类基本原理：先用带通滤波器选出待分析信号，然后用检波器将该频率分量变为直流信号，再送到显示器将直流信号的幅度显示出来。为显示输入信号的各频率分量，带通滤波器的中心频率是多个或可变的。,档级滤波式频谱仪,也叫顺序滤波频谱仪，由多个通带互相衔接的带通滤波器和共用检波器构成。用多个频率固定且相邻的窄带带通滤波器阵列来区分被测信号的各种频率成分，因此得以全面记录被测信号。,并行滤波式频谱仪,与档级滤波式的区别在于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。,扫频滤波式频谱仪,扫频滤波式频谱仪与档级滤波式一样，是一种非实时频谱测量。结构简单，价格低廉。缺点是电调谐滤波器损耗大、调谐范围窄、频率特性不均匀、分辨率差，目前这种方法只适用于窄带频谱分析。,利用数字滤波器可以实现频分或时分复用，因此仅用一个数字滤波器就可以实现与并行滤波式等效的实时频谱仪。用单个数字滤波器代替多个模拟滤波器之后，滤波器的中心频率由时基电路控制使之顺序改变。,数字滤波式频谱仪,带通滤波器的性能指标,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,带通滤波器的性能指标（续1）,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,9.2.2外差式频谱仪外差式频谱仪的组成,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。,输入通道（续1）,外差式频率变换原理,|fLfX|=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,输入通道（续2）,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,输入通道（续3）,多级混频,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。,9.2.3外差式频谱仪的主要性能指标,频率指标输入频率范围频谱仪能正常工作的最大频率区间，由扫描本振的频率范围决定。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，如1KHz4GHz。频率扫描宽度（Span）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。,频率指标（续1）,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。,频率指标（续2）,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。,频率指标（续3）,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。,频率指标（续4）,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，如在9KHz频偏处90dBc。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，相噪相应降低。有效设置频谱仪参数可使相噪达到最小，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。,幅度指标,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。,幅度指标（续1）,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。灵敏度/噪声电平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（续3）,1dB压缩点和最大输入电平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。,9.3付里叶分析仪,9.3.1FFT分析仪的原理9.3.2FFT分析仪的实现,付里叶分析仪将输入信号数字化，再对时域数字信息进行FFT变换以获得频域表征，属于数字式频谱仪。由于采用微处理器或专用集成电路，速度明显超过传统的模拟式扫描频谱仪，能进行实时分析；但它同时受A/D转换器件的指标限制，通常带宽是有限的，工作频段较低。,9.3.1FFT分析仪原理,FFT分析仪原理及组成输入信号首先经过可变衰减器以提供不同的幅度测量范围，然后经低通滤波器除去仪器频率范围之外的高频分量。接下来对信号进行时域波形的采样和量化，转变为数字信息。最后由微处理器利用FFT计算波形的频谱，并将结果显示出来。,FFT分析仪的特点,FFT的基本特性FFT是一种面向记录的算法。将N个采样点作为时间记录输入，得到N个节点的频谱输出，输出记录的复数值同时包含幅度、相位信息。各节点之间的频率间隔fstep由时间记录长度N和采样频率fS决定：fstep=fS/N，第n个节点对应的频率值为fn=fSn/N。FFT形成的频谱相对于折叠频率ff（ff=fS/2）对称，因此输出频率的前半部分是多余的，只需保留（N/2）+1个有效节点，对应于频率从0到fS/2，故FFT的输出频率范围为0fS/2，类似于低通滤波。,FFT分析仪的特点（续1）,FFT分析仪中的数字混频FFT实质上是基带变换，对窄带带通信号有所限制。通过数字混频可实现频谱仪分析频带的选择：借助混频器将ADC的输出与数字正弦波在时域中相乘，则在频域内可实现频谱搬移。如果将正弦波频率选择为ADC输出的中频带限信号的下截止频率，混频后恰好将中频带限信号向下搬移到了基带。,FFT分析仪的特点（续2）,分析频带的搬移a：ADC之后待测中频信号的频谱；b：数字正弦波的频谱c：数字混频器输出频谱可见，原来的中频带限信号被搬移到了基带，因此这个过程也叫数字下变频（DDC）。,9.4频谱分析仪在频域测试中的应用,9.4.1相位噪声测量9.4.2脉冲信号测量9.4.3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相位噪声、邻道功率、非线性失真、调制度等频域参数进行测量。,9.4.1相位噪声测量,信号源的随机性频率变化的表现为相位不稳定度，用相位噪声表示。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。测量过程RBW的选择动态范围,晶振的单边带相位噪声通常指在载波频率的某一固定频偏处，在1Hz带宽内相对于载波电平的幅度，单位为dBc（1Hz）或dBc/Hz。因此，用频谱仪测量相位噪声分两步进行：测量载波电平幅度AC测量频偏foff处的相位噪声幅度APN,相位噪声测量过程（续1）,使用有效值检波器检波后，相位噪声计算式为：其中：APN(foff)在距载波频偏foff处1Hz带宽内的噪声电平，单位dBm；APN,rms(foff)在噪声带宽BN,IF内使用有效值检波器测得的噪声电平，单位dBm；BN,IF分辨率带宽滤波器的噪声带宽，单位Hz。,相位噪声测量过程（续3）,在1Hz带宽内的相位噪声就是相对于载波电平的幅度：其中A(foff)在距载波频偏foff处1Hz带宽内的相对噪声电平，单位为dBc（1Hz）；AC载波电平，单位为dBm；APN(foff)在距载波频偏foff处1Hz带宽内的噪声电平，单位为dBm。,RBW的选择,相位噪声总是在一定频偏处进行测量，所以通常需要选择较小分辨率带宽。RBW过大：中频滤波器无法抑制频偏foff处的载波功率，造成进入检波器的内部噪声电平大于被测相位噪声电平，因而无法测量。所允许的最大RBW取决于载波的频偏以及中频滤波器本身的波形因子，通常并没有固定的关系式。RBW过小：导致扫描时间过长。为了达到高分辨率带宽，在使用宽带中频滤波器的情况下可以采用多级中频滤波器级联，分步降低RBW的方法。,9.5谐波失真度测量,9.5.1谐波失真度的定义9.5.2谐波失真度的测量方法,9.5.1谐波失真度的定义,非线性失真亦称谐波失真，简称失真。一定频率的信号通过网络后往往会产生新的频率分量，这种现象被称为该网络的非线性失真；一个信号的实际波形与理想波形有差异，这种差异被称为信号的非线性失真。线性电路意味着频域中的输出信号应具有与输入信号相同的频率，而由输入信号所产生的任何其他频率都被视为是非线性失真。,失真度定义,失真度被定义为全部谐波能量与基波能量之比的平方根值。对于纯电阻负载，则定义为全部谐波电压（或电流）有效值与基波电压（或电流）有效值之比的平方根。失真度D0以百分比（）或分贝（dB）为单位，亦称失真系数。,其中u1、u2、um分别表示基频及其各次谐波的均方根值。,9.5.2谐波失真度的测量方法,谐波失真度的测量方法有很多，例如：谐波分析法用频谱仪分别将信号基波和各次谐波的幅值一一测出，然后按定义计算，属于间接测量法；基波抑制法又称静态法，对被测器件输入单音正弦信号，并通过基波抑制网络进行直接测量；白噪声法又称动态法，利用白噪声作为测试信号，测出被测器件在通带内的各频率分量因交调而产生的谐波。,9.6调制度测量,9.6.1调制度测量概述9.6.2调幅度测量9.6.3调频信号测量,9.6.1调制度测量概述,调制的基本概念调制就是对信号的源信息进行处理，使其变为适合于