频域测量(新).ppt

在微波（300MHz300GHz）主要用网络分析仪，自学。,但这种划分不是绝对的，实际上有些扫频仪可能工作到更高的频率，而有些网络分析仪可能工作到更低的工作频率。应当指出，这里讲的“网络”是指由器件、元件组成的电子网络。当年提出“网络分析仪”这一名字时，还没有计算机网络等现代网络的概念。,第七章频域测量,基础知识复习,1.频率与波长：,2.集总参数和分布参数：,高频（30300MHz）以下波段，即波长大于1m的情况,这时元器件为集总参数（元件尺寸波长）,参数集中在R、L、C等元件中，认为与导线无关。,微波（300MHz300GHz），即波长小于1m的情况,这时元器件为分布参数（元件尺寸波长）,参数分布在腔体、窗口、微带线等微波器件中，与路径有关。,概述,信号的频谱分析和线性系统的频率特性是频率测量的主要内容目前，信号频谱分析的主要工具是扫频外差式频谱分析仪，通过它来完成信号本身的分析和线性系统的非线性失真系数测量频率特性的基本测量方法取决于加到被测系统的测试信号。据此可分为静态点频测量、动态扫频测量和伪随机信号测量等,7.1频谱分析仪的概述,一.信号的时域与频域分析,信号的时域和频域特性在数学上可表示为一对傅里叶变换关系：,示波器和频谱仪是从不同角度观测同一个电信号，各有不同的特点。示波器从时域上容易区分电信号的相位关系，如图7-2a中是基波与二次谐波起始峰值对齐的合成波形（线性相加）；图7-2b是基波与二次谐波起始相位相同合成的波形，两者合成波形相差很大，在示波器上可以明显地看出来。而在频谱仪上仍是两个频率分量，看不出差异如图7-1。可见，示波器和频谱仪有各自的特点。,从另一个角度来看，即使频率分析只能给出幅度频谱，往往也能在一些方面达到时域分析达不到的效果。现代频谱仪可以在一屏显示相差80dB的信号。（Vx/V0=10000）。而有经验的测试人员也很难在示波器图形中发现正弦波内包含的小于1%的谐波成分。从灵敏度来看，示波器灵敏度一般在mV级。而频谱仪则可达到V级。,因此，示波器是最常用的仪器。而频谱仪能够提供更深刻，更严格的分析。,频谱仪的主要用途,现代频谱仪有着极宽的测量范围，观测信号频率可高达几十GHz，幅度跨度超过140dB。,故使频谱仪有着相当广泛的应用场合，以至被称为射频万用表，成为一种基本的测量工具。目前，频谱仪的主要应用于如下一些方面：,1.正弦信号的频谱纯度,2.调制信号的频谱,3.非正弦波（如脉冲信号、音频、视频信号）的频谱,4.通信系统的发射机质量,5.激励源响应的测量,6.放大器的性能测试,7.噪声频谱的分析,8.电磁干扰的测量,音频信号与频谱演示,高效能沟通者（语音频谱分析）,Themanwhocanthinkanddoesnotknowhowtoexpresswhathethinksisatthelevelofhimwhocannotthink.高效能沟通者激发热情、信任低效能沟通者=没有思想心诚面善高效能沟通者有更多的机会多寻找团队合作的机会,mp3播放器,FFT频谱,滤波器（均衡器）,MP3是声音的一种压缩格式。对人而言是很好的音乐，对狗而言却很一般。,狗的听觉很发达，它们能听到的音频范围要远比人的宽得多，如人类只能听到1620000赫兹的振动音，而狗却能听到高达一百万赫兹的振动音。据测试，狗的听觉是人的16倍。它可以区别出节拍器每分钟振动96次、100次、133次和144次之间的微小差别。这对人而言，是难以想像的。,高音C之王帕瓦罗蒂（资料）,二、频谱仪的工作原理,频谱仪从工作原理上可分为模拟式与数字式两大类。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滤波器或快速傅里叶变换为基础的。分类如下：,（一）多滤波器并行分析,又称为多通道滤波器分析。下图中并行的N个滤波器覆盖了整个频谱仪的工作范围。受到滤波器数目的限制，其工作频率范围不可能很宽。,并行滤波器的优点是：由于它未对信号做复杂处理，因而分析速度快。同时，因滤波器和检波器均不共用，可以不考虑电路切换带来的建立时间和各路信号间的时间差，分析工作基本可以认为是实时的。,滤波器带宽相同的称为恒定带宽分析仪，其频率轴刻度为均匀刻度。适合分析频率分布比较均匀的信号,滤波器带宽按一定比例增长的称为恒百分比分析仪，其频率轴刻度为对数度，适合分析频率范围较宽的信号。,与并行分析类似的几种频谱分析,在同一时间只处理、显示一个支路的滤波、检波结果，电路简化，准实时。,共用检波和处理显示电路，因滤波器需要一定建立时间，非实时。,数字滤波器和检波器工作稳定可靠，性能和一致性较好，近似实时。,数字式频谱仪,数字滤波法：是仿照模拟频谱仪，用数字滤波器代替模拟滤波器，如图所示。图中，数字滤波器的中心频率可由控制/时基电路使之顺序改变。,所谓数字滤波，其主要功能是对数字信号进行过滤处理。由于输入/输出都是数字序列，所以数字滤波器突实际上是一个序列运算加工过程。与模拟滤波器相比它具有滤波特性好、可靠性高、体积小、重量轻、便于大规模生产等优点。但是，目前数字系统速度还不够高，故在使用上还有局限性。,快速傅里叶（FFT）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，如图所示。,通常采用DSP（DigitalSignalProcessor）数字信号处理器来完成FFT的频谱分析功能。在速度上明显超过传统的模拟式扫描频谱仪，能够进行实时分析。,应当指出，通常应用的大多是外差式模拟频谱仪。较好的现代频谱仪则采用模拟与数字混合的方案。纯数字式FFT频谱仪目前主要用于低频段，但随着数字技术的进步，数字式频谱仪有着很好的发展前景。,（二）扫频外差式频谱分析,1.模拟式频谱仪,思路：,我们一起来设计频谱仪,方案一：并联滤波法,方案二：移动滤波法,方案三：扫频外差法,逆向思维设计思想成功的典范：,改变滤波器来找频谱是以百变对应万变，难度自然大，而扫频外差法是将频谱逐个移进不变的滤波器是以不变对应万变。,（二）扫频外差式频谱分析仪,基础知识：超外差接收机（收音机、电视机、通信、雷达等接收机）,1.外差频谱仪工作原理,现说明扫频外差频谱仪的工作原理。,外差式频谱仪的原理可以简述为：扫频的本振与信号混频后，使信号的各频谱分量依次地移入窄带滤波器，检波放大后与扫描时基线同步显示出来。其要点是移频滤波。,1.外差频谱仪工作原理,被测信号中的N个频谱分量可以用一个频率连续扫动的扫频本地振荡器产生的fL进行混频。被测信号中的n个频谱分量在不同时刻使混频输出落入到中频滤波器的通带中：,通常令本地振荡幅度保持不变，则混频器输出与被测的第n个频谱分量fxn的幅度成正比，检波后可在Y方向上显示该频谱分量大小。,2.扫频发生器的扫速和中频滤波器的动态特性,随着扫描速度的提高，滤波器频率特性将向扫频方向偏移。图中为静态特性和依次提高扫速时的动态特性曲线。可以看出动态频率特性有以下特点：,(1)顶部最大值下降；,(2)特性曲线被展宽；,(3)扫速愈高，偏移愈严重。,其原因是由于通常与频率特性有关的电路，实际上是由动态元件L、C等元件组成的(如调谐电路)，信号在其上建立或消失都需要一定的时间，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且展宽，出现了“失敏”或“钝化”现象。,3.扫频法测得的谱线变为动态特性曲线,假设被测信号为一个700kHz的单一频率信号，当扫频信号扫过759.97760.03kHz时，混频信号经过中心频率为60kHz的滤波器输出的信号频谱就和滤波器传递函数相同。,首先，明确一下在频谱仪显示屏上看到的频谱图是被测信号的谱线，还是中频窄带滤波器的幅频特性的图形？,760700=60kHz,760.010-700=60.010kHz,760.015-700=60.015kHz,760.020-700=60.020kHz,是扫频的本振使信号频谱分量依次移入窄带滤波器的。实际上也是信号逐渐地扫过窄带滤波器的，这相当于用扫频信号测绘窄带滤波器的幅频特性。,频谱仪屏幕上显示的是以信号谱线为中心的窄带滤波器的幅频特性曲线。,4.用动态特性显示带来的问题及处理,问题：由于外差式频谱仪显示的是一个个滤波器的动态特性就可能使得两个靠得很近的两个谱线互相叠加在一起。另外，动态特性曲线的峰值和中心频率也会随扫速改变。,滤波器的动态带宽Bd不仅和滤波器结构有关，还和其静态特性和扫频速度有关。,（7-7）,动态特性带宽（Bd）与扫频速度()及静态分辨力(Bs)的关系,1)静态特性带宽一定时，动态特性带宽随的减小而减小。适当减慢扫速可以减小Bd。2）扫频速度固定时，一定有一个Bs使得Bd最小。3)获得高的动态分辨力是使用频谱仪的重要问题。的选择以获得较高的动态分辨率为准则。同时还应考虑分析时间的影响。即一方面，越小，Bd就越接近Bq另一方面，越小，则意味着分析时间越长。应该取两者的折衷。,现在的频谱分析仪大多能自动配置扫描时间（AUTO）,根据选取的扫频宽度和分辨力带宽自动地选择最快的可允许扫描时间,三、频谱仪的主要技术指标和应用,（一）频谱分析仪的主要技术指标有效频率范围是指在满足仪器性能指标的情况下，仪器能分辨的最高频率范围。目前可达几Hz到几十GHz。2.频率分辨力、边缘因子和波形因子频率分辨力：能够分辨的最小谱线间隔。叠加后的显示图形中心处比最高处凹了3dB。这时把两条频谱线的频率间隔或者一个频率特性曲线的6dB带宽称为分辨力带宽（RBW）,边缘分辨力（ER）通常把两信号相差60dB，能分辨出小信号时，两信号之间的频率差称为动态显示边缘分辨力，简称边缘分辨力。,波形因子滤波器频率特性的两个侧边越陡，分辨边缘处小信号的能力越强。定义该特性曲线中下降一定dB值时滤波器带宽与它的3dB带宽的比值为波形因子。,8.分析时间或扫描时间,扫频宽度又称“分析谱宽”，是指频谱仪在一次测量分析过程中（即一个扫描正程）显示的频率范围。分为“全扫”和“窄扫”两种。完成一次频谱所需的时间称为分析时间，实际上就是一次扫描正程时间，即扫描时间。扫频宽度与分析时间之比就是扫频速度。,典型产品简介,下表给出了几种型号频谱仪的技术性能参数。,几种型号频谱仪的技术性能,38万元,（二）频谱仪的应用,频谱分析仪是一种综合性的、多功能的信号特性测试仪器，广泛地用于各学科，被誉为“射频万用表”。,由于频谱仪具有灵敏度高、频带宽等特点，在射频及微波频率下使用特别得心应手。例如，频谱仪一般可测量到微伏级微弱信号，而一般示波器只能测到毫伏级，一般频率计只能测到几十毫伏信号。频谱仪频率范围可从几kHz到几十GHz，而示波器频带高于几百MHz则很昂贵了。尤其是对信号的失真及调制信号的测试更显示其优越性，例如，信号5%的失真在示波器难以觉察，而在频谱仪上极小的失真都能看出来。,下面简要地介绍频谱仪的一些典型应用原理和方法。,1.分析信号包含的频谱分量及幅值,方波主要包含基波和奇次谐波。图7-14中还有一些偶次谐波，说明方波并不完全对称。在零频处的显示通常并不一定表示信号中的直流分量，而是仪器有意在零频处给出一个显示作为频率轴的起点。纵轴可以采用对数坐标，以看清信号中是否包含偶次谐波。,为保证信号幅度不至于过大而损坏仪器，对可调幅度信号应从小到大逐渐增加幅度，对于不可变幅度信号应该先采用大衰减再逐步减小衰减量。,2.测谐波失真,谐波失真常是由非线性而引起，又称为非线性失真。用频谱仪测量信号的谐波失真，只需测信号的基频及谐波的相对电平即可。,2.测谐波失真,通常将基波电压幅值作为参考电平即0dB，然后由光标读出各次谐波与它相差的dB值。,由频谱仪测得相应谐波分量幅度的dB值后，可以计算出其电压幅度，并可计算出总谐波失真（三版式7-12）,3.调制信号测试,已调波的表达式：,上式表明，对于调制信号为单频信号的调幅波，共包括三个频谱分量，即载频和两个边频。,设调幅系数：,3.调制信号测试,将载频信号作为参考电平（0dB），然后读出边频电平：,用频谱仪不仅可以测量一般的调幅，而且可以发现非常微小的寄生调幅。如调幅系数为0.02%的寄生调幅。,则调幅系数：,3.调幅信号的测量,ma的大小反映了调幅的深度，称为调幅系数。,单音调幅信号的频谱包含三个频率分量，一个是载波，另外两个对称地分布在载波两侧，称为边带分量，边带分量的幅度正好是调制信号幅度的一半，边带分量与载波分量的频率差正好是调制频率F。,4.相位噪声的测量,相位噪声是信号源短期频率稳定度的表征，也是频谱纯度的一个重要度量指标。,使用频谱仪测量相位噪声是属于直接测量方法。在频谱仪显示的相位噪声信号是对称的，通常取单边信号称单边带相位噪声，如图所示。其定义是指在载波频率的某一固定频偏处（如图中foff），在1Hz带宽内相对载波功率电平的幅度比，单位为dBm（1Hz）或dBm/Hz。按此定义测量相位噪声需,实际测量中由于噪声带宽不能保证是1Hz等原因，要对结果进行修正。,现代频谱仪为了简化相位噪声测量，可以使用标记（Marker）功能直接读出给定频偏处的相位噪声值，其中一些必需的计算功能已经被自动完成。,7.2线性系统幅频特性的测量,正弦稳态下的系统函数或传输函数,就反映了该系统激励,与响应的关系,一、正弦测量技术（一）线性系统的频率特性,（二）增益或衰耗的测量,在正弦信号的激励下的线性系统，其输出响应是具有与输入相同频率的正弦波，只是幅值和相位有所差别。对系统的特性测量一般包括以下步骤：1）测量电路的连接；2）向被测系统提供激励信号；3）测量被测系统对激励信号的响应；4）进行数据处理，得出结果。,（二）增益或衰耗的测量,比较法测量和直接法测量,比较法测量,设被测系统增益（或衰耗）用分贝表示为：调两个可变衰耗器，使开关在1和2步进位时指示器读数相同，这时被测增益为：因为指示器读数相同时有：,比较法和直接法,影响比较法测量准确度的因素（见教材）直接法测量可以简化测量手续，精度可达0.1dB。上述比较法和直接法都属于点频法，基本已被扫频测量法所取代。,静态频率特性测量-点频法,点频法就是“逐点”测量幅频特性的方法，注意明确被测电路和选用相应仪器。,特点：所测出的幅频特性是我们需要的电路系统在稳态情况下的静态特性曲线。但由于要逐点测量，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连续，可能遗漏掉某些特性突变点。这种方法一般只用于实验室测试研究；若用于生产线则效率太低了。,如果能够在测试过程中，使信号源输出信号频率能自动地从低到高连续变化并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，就可自动地描绘出幅频特性曲线。,二、扫频测量技术,所谓“扫频”，就是利用某种方法，使正弦信号的频率随时间按一定规律、在一定范围内反复扫动。这种频率扫动的正弦信号称“扫频信号”。相对点频法，扫频法简单快捷、能获得系统的动态特性。,动态频率特性测量扫频法,一.扫频法的工作原理和动态特性,扫频法可以实现频率特性的自动测绘，而且不会像点频法那样遗漏掉某些细节的问题。更值得注意的是，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，这比较符合被测电路的实际应用情况。,扫频仪=扫源+示波器,光点扫描式,（二）扫频信号源,1.扫频信号源的工作特性（1）有效扫频宽度是指在扫频线性和振幅平稳性符合要求的条件下，最大的频率覆盖范围。常用相对值表示：,（2）扫频线性可用线性系数来表征，它表示扫频振荡器的压控特性曲线的非线性程度。定义为：式中(K0)max-VCO的最大控制灵敏度，即f-V曲线的最大斜率。线性系数越接近于1越好。（3）振幅平稳性可用扫频信号的寄生调幅来表示：,2.获得扫频信号的方法,介绍目前广泛采用的变容二极管扫频。对扫频信号的要求：1)具有足够宽的扫频范围;2)良好的扫频线性（指扫频信号频率变化的规律和预定的扫频规律的吻合程度）；3)扫频信号的振幅应恒定不变，即振幅平稳性要好。因为被测电路输出电压的包络线只有在扫频信号振幅保持恒定的条件下，才能表征被测电路的幅频特性。,变容二极管扫频P350图7-9（a）BT-4低频特性测试仪采用。是一个改进型电容三点式振荡器电路，振荡频率由L1与C4、C5及变容管结电容Cj（两个2CC1E并联）联合决定。锯齿波电压通过R6加到两个变容二极管两端，以控制结电容Cj，从而使振荡器的振荡频率随锯齿波电压而变，改变锯齿波电压的变化速率（扫描速度），可改变扫频速度，改变锯齿波的电压振幅可以改变扫频宽度。,什么是三点或(三端)式振荡器？,LC振荡器的电路组成,LC振荡器的基本电路就是通常所说的三点式(又称三端式)振荡器。,晶体管有三个电极（B、E、C）,分别与三个电抗性元件相连接,形成三个接点,故称为三点式振荡器,（三）光栅增辉式图示方法,1.显示原理首先，在长余辉示波管屏幕上产生垂直“暗光栅”。屏幕上所显示的曲线是通过相应的增辉脉冲在每条暗光栅的不同高度上产生的亮点构成的，故得名。,暗光栅的产生由垂直扫描发生器产生的频率为18.5kHz的锯齿波扫描电流馈送至示波管的垂直偏转线圈Wy,而由X放大器输出的频率0.01-30Hz的三角扫描电流馈送至水平偏转线圈Wx.显示图形的过程图形电压信号v1加到比较器的一个输入端1，而与垂直扫描电流同步的锯齿波电压v2加到另一个输入端2。比较器在v2=V1时发生跳变。利用这个这个脉冲作为增辉脉冲可以得到相应的光点，反映了图形信号的幅度。,2.电子电平刻度线增加若干条电子电平刻度线，可以消除视差。原理：增加若干个比较器，而每个比较器的信号输入端加不同的电平的直流电压，即可在屏上显出若干条水平线，而它们的高度分别正比于所提供的直流电压。其中四条为正，第五条为地线即0V。利用比较器（6）可以显示一条标准电平线，标准电平由标准电压经标准衰耗器提供。用于校准上述四条可移动的电平刻度线。,3.电子频率刻度线形成电子频率刻度线的方法如图所示，电位比较器一个输入端由四个比较器提供直流电压，比较器的另一个输入端（2）加水平扫描三角波电压。比如，调节P1使得v1=V1，则当三角波电压v2上升到v2=V1时，比较器输出一个跳变电压，经过处理后形成一个宽度为几个垂直扫描周期的增辉脉冲，它使得若干条暗光栅被加亮。由于光栅很密，一次看起来如同一条垂直线一般。,频标的形成及混频原理频标形成：扫频信号发生器的输出，一路加到被测系统进行扫频测量，另一路加到混频器，并与频标信号发生器的固定频率fr混频。fr在扫频范围内(f1frf2),则产生的差频也是扫频的差频以fr为中心向两边增加。利用低通滤波器滤掉截频以外的高的差频，仅保留fr附近的低频成分，就形成了菱形频标。用这个菱形频标触发单稳触发器，可以得到一个增辉脉冲，在屏幕上显示一条垂直的频标线（对于光点扫描式则是菱形频标）。改变频标发生器的频率，频标线可以左右移动，用来校准频率刻度线。,混频原理设本振信号（频标）为射频信号（扫频信号）为通过混频器，使两信号相乘，通过滤波器取其作为输出。,频标产生的原理,下图给出了频标产生原理，现以1MHz频标为例进行说明。,8