频谱分析仪基础培训教材VIP

.,频谱分析仪技术基础,罗健R&S中国培训中心2003www.rohde-,.,一、基本理论信号分析及频谱分析概述频谱仪的工作原理频谱仪的特性二、工程应用仪器操作常用功能与测试,信号分析及频谱分析概述,.,第一章基本理论1、信号分析及频谱分析概述,周期信号单载波信号扫描信号非周期信号噪声信号瞬态信号调制信号模拟调制数字调制,信号分析及频谱分析概述,.,信号,频域,频谱分析仪,示波器,时域,调制域,矢量分析仪,信号的波形信息幅度周期频率,信号的频率分布信息频率、功率谐、杂波噪声、干扰失真,信号的矢量信息幅度误差矢量误差相位误差,信号分析及频谱分析概述,.,理想单载波信号在时域和频域的测量结果,信号分析及频谱分析概述,.,频域测量对信号分析的作用,信号分析及频谱分析概述,.,周期信号的频谱,信号分析及频谱分析概述,.,模拟调制信号：AM、FM、PM的调制指数和调制频率等,信号分析及频谱分析概述,.,数字调制信号：信道功率、相邻信道功率比、占有带宽等,信号分析及频谱分析概述,.,噪声信号：噪声功率、相位噪声,信号分析及频谱分析概述,.,失真信号：谐波失真、非谐波失真、杂散,信号分析及频谱分析概述,.,频谱仪的类型1、傅立叶分析仪,RAM,FFT,A,D,A,D,RAM,FFT,频谱分析仪工作原理,.,频谱分析仪工作原理,.,2、外差式扫描分析仪,频谱分析仪工作原理,检波器,可调,锯齿波,可调的带宽滤波器,.,超外差式扫描调谐分析仪,频谱分析仪工作原理,.,频谱仪的主要设置参数,频率显示范围中心频率和频率跨度起始频率和终止频率电平显示范围参考电平和量程跨度频率分辨率分辨带宽扫描时间,频谱分析仪工作原理,.,2、频谱分析仪的工作原理超外差式扫描调谐接收机,a,(,t,),H,f,f,L,O,检波器,延迟,RF,IF,参考振荡器,低通滤波器,衰减器,混频器,中频放大器,视频滤波器,中频滤波器,对数放大器,压控振荡器,锯齿波发生器,显示,频谱分析仪工作原理,.,镜像的影响,频谱分析仪工作原理,图象频率范围,转换,交迭,.,镜像的抑制,频谱分析仪工作原理,.,衰减器,RF,频谱分析仪工作原理,.,频谱分析仪工作原理,.,混频器,fin,flo,fin,flo,Flo+Fin,Flo-Fin,频谱分析仪工作原理,.,中频滤波器,显示,锯齿波发生器,包络检波器,本地振荡器,模拟滤波器,对数放大器,放大器,视频滤波器,x,y,检波器,数字滤波器,FFT滤波器,频谱分析仪工作原理,.,中频滤波器:数字滤波器,特点:真正的高斯形状波形因子4.6最小扫描时间k=1通过补偿可以达到,优点:小波形因子=更高的灵敏度快速扫描更高的带宽精度测量可以得到更高的电平精度用于噪声或类噪声信号没有温度或老化漂移,频谱分析仪工作原理,.,中频滤波器:FFT滤波器,最大频率范围受限于AD变换器的带宽快速的信号处理要求合理的更新率窄的分辨带宽减少了扫描时间,频谱分析仪工作原理,.,视频滤波器,视频滤波器(平滑),频谱分析仪工作原理,.,检波器,最大峰值,最小峰值,有效值,平均值,线性,对数,微处理器,显示,视频信号,检波器的选择,“线性检波器”,“对数检波器”,线性/对数查找表：有效值、平均值检波器,采样,水平轴500个像素点,平均值检波器,有效值检波器,频谱分析仪工作原理,.,不同的检波器在显示屏上不同的数据处理,频谱分析仪工作原理,.,本地振荡器,频谱分析仪工作原理,.,3、频谱分析仪的特性,滤波器特性相位噪声（频谱纯度）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,频谱分析仪性能指标,.,分辨滤波器特性,频谱分析仪性能指标,.,不同分辨带宽的滤波器对测试结果的影响,频谱分析仪性能指标,.,分辨相邻的信号,红色踪迹：RBW=30kHz,蓝色踪迹：RBW=3kHz,红色踪迹：RBW=30kHz,蓝色踪迹：RBW=3kHz,频谱分析仪性能指标,.,最小扫描时间,TSweep最小扫描时间Span频率扫描跨度RBW分辨带宽(3dB带宽)kk因子,2.5模拟滤波器,频谱分析仪性能指标,.,扫描时间对频率和电平测量误差的影响,蓝色踪迹：电平和频率产生误差,测试结果未校准!,频谱分析仪性能指标,.,相位噪声,频谱分析仪性能指标,.,频谱分析仪的固有噪声,LDANL平均显示噪声电平DANL规定的平均噪声电平(R&S数据表:RBW=10Hz,RFATT=0dB)RBWNoiseRBW滤波器的等效噪声带宽RFAttRF衰减器-2.5dB修正因子(对数定标的平均),不同的滤波器6dB带宽和等效噪声带宽与3dB带宽的关系,频谱分析仪性能指标,.,显示的噪声本底依赖于RF衰减器,频谱分析仪性能指标,.,显示的噪声本底依赖于与RBW带宽A=10lg(RBWnew/RBWold),频谱分析仪性能指标,.,接收机的非线性特性,频谱分析仪性能指标,.,三阶互调产物的鉴别,频谱分析仪性能指标,.,截止点(T.O.I),频谱分析仪性能指标,.,1-dB压缩点,频谱分析仪性能指标,.,动态范围,频谱分析仪性能指标,.,最大无互调范围或最大谐波抑制,频谱分析仪性能指标,.,频率测量精度,光标读数：(频率读数X参考频率误差+0.5%X频率跨度+10%X分辨带宽+最后显示位X1/2)计数器读数:(频率读数X参考频率误差+最后显示位X1/2),频谱分析仪性能指标,.,幅度测量精度,误差来源：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失配误差,频谱分析仪性能指标,.,具体指标,各项误差128MHz绝对误差0.2dB频率响应(f3GHz)0.5dB衰减器误差0.2dB对数显示非线性(0to-70dB)0.2dBRBW切换误差(RBW100kHz)0.1dB驻波比0.55dB总的电平不确定度:0.5dB(f更好的分辨率,频谱仪应用,.,幅度统计特性的测量,幅度概率分布(APD)互补累积分布函数(CCDF)频谱仪的设置分辨带宽的选择采样点数的选择,频谱仪应用,.,幅度统计特性的测量原理,频谱仪应用,.,CCDF和APD的测量结果（白噪声）,频谱仪应用,.,传输测量,通过校准和归一化消除测试设置的频率响应执行传输测试的校准，整个测试设置是“直通”连接,FSP-B10为FSU&FSP设计的外部信号发生器控制,频谱仪应用,.,传输测试的操作菜单,频谱仪应用,.,反射测量,内置校准和归一化功能CALREFLOPEN,CALREFLSHORT,标量反射测量需要附加一个方向性好的SWR电桥或是定向耦合器,FSP-B10为FSU&FSP设计的外部信号发生器控制,频谱仪应用,.,反射测量的操作菜单,频谱仪应用,.,噪声系数的测量,一个系统或网络的噪声系数F定义为：系统或网络的输入端口的信噪比和输出端口的信噪比之比。,一般定义：,-120,-100,-80,-60,-40,fo,频率,-120,-100,-80,-60,-40,fo,输入功率电平(dBm),频率,输入功率电平(dBm),S,i,/N,i,S,o,/N,o,Na系统内部的噪声G系统的增益,频谱仪应用,.,利用FS-K3测量噪声和增益,28VDCon/off,噪声源,被测件,频谱仪应用,.,kT04.00 x10-21W/Hz=-174dBm/HzNa系统的内部噪声B系统的噪声带宽G系统的增益T0噪声参考温度(定义为290K),噪声系数F是全部的输出噪声功率(Na+kT0BG)和输出噪声的一部分功率(kT0BG)之比，这部分功率kT0BG是由于输入噪声(kT0B)引起的。这是在输入源的温度为290K的条件下得到的。,IEEE标准的定义:,-120,-100,-80,-60,-40,fo,频率,-120,-100,-80,-60,-40,fo,输入功率电平(dBm),频率,DUT,例如放大器,输入功率电平(dBm),N,a,S,i,/N,i,S,0,/N,0,kT,0,B,kT,0,BG+N,a,G,频谱仪应用,.,噪声温度的概念,由于有效噪声温度Te是源电阻产生的附加温度,因此即使是无噪声的DUT也会产生同样的噪声功率谱密度。,频谱仪应用,.,利用频谱分析仪和噪声系数仪测量噪声系数的基本等式。,B,G,1,N,a1,R,输入噪声,kT,0,B,kT,0,B,kT,0,BG,1,kT,0,BG,1,G,2,N,a1,N,a1,G,2,N,a2,B,G,2,N,a2,第二级系统,附加的,全部,噪声,输出的,全部,噪声,功率,输入的噪声功率x系统增益,第一级系统,DUT,噪声测量系统,F,1,F,2,F,12,=F,1,+(F,2,-1)/G,1,),F,1,=F,12,-(F,2,-1)/G,1,),T,1,=T,12,-T,2,/G,1,(第二级系统对噪声的贡献),第二级的校准是测量系统内部的噪声系数，用来作为计算DUT的噪声系数的修正因子。,两级系统的噪声,频谱仪应用,.,CalibrationcycleMeasurementcycle,Y系数法测量噪声系数,使用的噪声源对其输出噪声电平进行校准，用超噪比(ENR)表示。ENR校准信息由噪声源提供，在T0=290K条件下有效。,Y系数法测量噪声系数通常分为两步：校准和测量,TSOFF=噪声源的物理温度(通常定义为290K)TSON=噪声源在“ON”状态时的噪声温度。,校准测量,频谱仪应用,.,Y系数法测量噪声系数,校准步骤:,其中：,ON噪声二极管在工作OFF噪声二极管不工作N2ON测量的噪声功率(噪声二极管处于“ON“的状态)N2OFF测量的噪声功率(噪声二极管处于“OFF“的状态)Y2校准期间的Y系数T2噪声测试系统的噪声温度TSOFF噪声源的物理温度TSON通过噪声源的ENR值计算得到,校准周期结束后，仪器存储N2ON,N2OFF和T2的计算值,噪声源,噪声,测量,系统,ENR=(T,S,ON,-T,S,OF