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第六章测试信号分析,6.1信号发生器概述一、用途产生各种仿真信号或激励信号。,1,二、分类,频率：低频、射频、微波（含毫米波）、光波；,工作原理：LC源、锁相源以及合成源、直接数字合成；,信号特征：函数/任意波、脉冲、数据、调幅(AM)、调频(FM)、00调相(M)、脉冲调制(PM)和数字调制(DM)；,信号输出形成：点频、扫频源。,2,三、基本组成,振荡器:核心部分，产生不同频率、不同波形的信号。变换器：电压放大器，功率放大器，调制器或整形器。输出级：调节输出信号的电平和输出阻抗。衰减器、匹配变压器或射极跟随器。指示器：监视输出信号。电子电压表、功率计、频率计。,3,四、正弦信号发生器的性能指标,频率特性：,频率范围，频率准确度，频率稳定度，,由温度等影响量引起的频率变动量.,波形失真度：,高次谐波或噪声。,输出特性：,输出阻抗，输出电平。,调制特性：,调幅，调频，调相，脉冲调制；内、外调制,4,模拟调制信号举例：,5,例：数字调制信号,例：数字调制信号,6,6.2正弦信号发生器一、低频信号发生器低频：1Hz1MHz，也可向低延伸。,主振器：,RC振荡器，用积分器构成振荡器,输出,7,二、射（高）频信号发生器射频：300KHz1GHz，也可向外延伸。功能：产生正弦信号，具备各种调制特性。,8,主振器：调谐，锁相，合成调谐：LC振荡器锁相：将信号频率锁定在以高稳定晶振为基准的频率计数器的时基上。,ud,uc,f2,f1,锁相原理框图：,9,合成：由基准振荡器用算术（加减乘除）方法导出合成频率信号。频率合成是产生高稳定高精度信号频率的关键技术。直接频率合成：混频、倍频、分频、滤波间接频率合成：锁相环路、直接数字频率合成（DDFS）,10,直接数字频率合成（DDFS）原理：,Softradio,相位累加器输出递增的相位作为地址，按指定的步进和顺序读出函数存储器中的函数波形数据。,DDS（直接数字合成）器件（如AD9854等）,11,采用DDS器件的数字信号产生器,12,6.3函数/任意波形发生器一、函数发生器功能：能提供正弦波、三角波、方波和脉冲串等多种波形的信号；扫频、调频和调幅等。由方波产生三角波、正弦波等例：方波产生三角波,利用恒流充放电形成三角波。,13,例：三角波产生正弦波,如有12个分压支路，适当设置可使输出正弦波的失真度低于025。如采用滤波方法，主要是频率范围问题。,14,由正弦波产生方波、三角波等例：正弦波产生方波,利用放大限幅将正弦波整形为方波。,15,二、数字式波形产生方法,模拟波形生成方法：DDS（直接数字合成）与PxP（逐点DDS）。查表（波形存储器）生成数字数据流，再经数模转换和抗混叠滤波器生成模拟信号。DDS（直接数字合成）,存储波形的一个周期，顺序读出波形数据形成数字数据流。利用相位累加器驱动波形存储器的地址输入。每来一个时钟，相位累加器在现值上增加一个常数（相位增量）。相位增量决定了一个完整周期的波形数据的访问速度（频率），相位增量大小不同，可能会跳过或重复一些数据点。,16,例：按时钟读取100个点，相位增量小，频率低；相位增量大，频率高。,17,DDS特点：相位连续的波形频率变化;波形频率变化快;数字控制的频率分辨率，可达Hz;易实现频率控制、相位控制和频率扫描;波形点数必须为2的乘方（修改用户定义的任意波形点）;,采用内插方法，也就是在相邻数据点之间，通过内插计算求出两点中间的估算数据，从而使波形数据点成倍增加，并有效地改善输出波形的质量。,波形输入可采用键盘输入、扫描仪直接输入和图形编辑器输入等方法。,可能会存在波形抖动和失真波形存储器中的一些点可能会被跳过或重复，带有快速边沿或窄脉冲的任意波形可能会出现一个时钟周期大小的抖动和失真。,18,PxP(逐点DDS),利用波形存储器中的每一个点，不跳过或重复任何点。,19,6.4扫频信号源用途：测量线性电路幅频特性由点频法而来。关键部件：可调谐振荡器，合成扫频信号源,20,6.5测试信号的频谱分析频谱分析仪（spectrumanalyzer）用途：测量信号的电压、功率与频率之间的关系。通常还能测量信号中某种调制、失真和噪声。,21,矢量信号分析仪（vectorsignalanalysis）：保留信号的频率、幅度和相位信息。通过下变频和高速数字采集，信号分析扩展到射频。,数字化正在弥合频谱分析仪和矢量信号分析仪的差别。,22,用途：实现方法有以下几种：快速傅里叶变换（FFT）分析法；扫频调谐分析仪（超外差接收机或可调预选接收机）；多通道滤波式（一系列带宽极窄的带通滤波器）；扫描滤波式（具有通频带自动改变的滤波器）；时基压缩式（将频率极低的信号经时基压缩（倍频）后，再用扫频调谐分析仪分析）。,23,一、快速傅里叶变换（FFT）式,低通滤波：限带,24,80Hz正弦波+200Hz正弦波+噪声1的波形时间单位：ms,信号功率谱单位：Hz,FFT分析举例：,25,80Hz正弦波+200Hz正弦波+噪声2的波形时间单位：ms,信号功率谱单位：Hz,26,二、扫频调谐分析,信号输入,射频衰减,预选器或低通滤波器衰减,混频器,IF增益,IF滤波器,对数放大器,包络检波器,视频滤波器,扫频本振,基准振荡器,扫描产生器,显示器,27,当fsig在一定范围内扫描时，fx在混频器中产生差频信号（fIF=fsig-fLo），经中频放大、滤波和检波后，加到y放大器放大，使亮点在屏幕上的垂直偏移正比于该频率分量的幅值。扫描电压在调制振荡器的同时，又驱动x放大器，从而在屏幕上显示出被测信号的频谱图。,28,利用本振的扫频，与信号差出中频，通过中频窄带滤波器分析信号中各种频率分量的幅度或功率。相当于用一窄带滤波器以一定的扫频速度对频谱跨度作扫描分析，依次析出信号在各个频率位置处的局部频谱分量。,29,30,包络检波：,31,频谱仪通常采用二到四级变频。,32,三、频谱分析仪的主要工作特性频率分辨率：能够分辨的最小谱线间隔。信号的分析带宽：resolutionbandwidth扫频信号通过中频滤波器：,33,以一定步长扫描频段，通常会漏掉在当前扫描波段之外发生的重要的瞬时事件。分析仪在频率跨度内扫描需要较长时间，要求输入信号相对稳定。,瞬变,34,两个间隔3dB带宽的等幅正弦波通过中频滤波器的结果,35,实例：频谱仪的带宽特性,频率分辨率与扫描速度有关。无扫描时的静态幅频特性曲线的3dB带宽为“静态分辨力Bq”。在扫描工作时的动态幅频特性曲线的3dB带宽为“动态分辨力Bd”。,36,扫描宽度和分析时间：一次测量分析过程中（一个扫描正程）显示的频率范围。完成一次扫频分析所用的时间称为分析时间，亦称扫描时间。扫描宽度与分析时间之比称为扫频速度。灵敏度：频谱分析仪测量微小信号的能力。显示幅度为满度时输入信号的电平，称为仪器的灵敏度。利用全数字中频采集和FFT分析，改进频谱分析仪的性能。实时频谱分析仪。利用事件触发（频域事件触发）能力和以较低的延迟交叉触发其他仪器的能力，以捕捉复杂的突发事件。频域、时域和调制域全面分析。,37,四、实时频谱分析仪,基于数字采集和FFT的频谱分析。,通过下变频，数字实时采集射频（带通）信号。利用实时触发，进行时间相关多域分析。,38,块,块内连续采集，实时分析频谱。块之间不连续，为块处理时间。利用实时（时间和频域）触发，进行时间相关多域分析。,时域采集,频域分析,39,例：频率随时间变化的RF信号实时频谱分析。,使用标尺“在时间上滚动”频谱图。置标尺于频谱图瞬时事件上，获得与某个时点相对应的频谱。,40,例：RF信号实时频谱多域时间相关分析。,41,频谱图、功率与频率关系及功率随时间变化的多域图（前页）。左上方的窗口称为概况图，可以显示功率随时间变化情况或频谱图。概况显示了块中采集的所有数据，作为其它分析窗口的索引使用。右上方的窗口(用紫色标出)称为子图，它显示了实时频谱分析仪模式下提供的同一功率与频率关系图，是一个数据帧的频谱，可以滚动整个时间记录，查看任何时点上的频谱。概况图中有一个紫条，表明与紫色子图窗口中的频域显示相对应的时间位置。下半部分的窗口(用绿色标出)称为分析窗口或主图，显示了选择的时间或调制分析测量的结果，绿色的分析窗口可以位于概况窗口所示的时间记录内部任何位置，它也有相应的绿条，表明其位置。此外，可以把分析窗口的宽度灵活地调节到小于或大于一个帧。,42,例：功率随时间变化、功率与频率关系及FM解调的多域图。,43,例：使用频率模板触发，捕获发射机在开机中频率稳定性的问题。,RF信号突破左边频率模板，引起触发。右侧显示了频率稳定行为。,44,例：利用数字余辉分析重复的脉冲和瞬时信号。,例：捕获偶发或随机信号事件，并通过累积的历史记录执行详细分析,45,6.6测试信号的调制域分析电信号通常可用时间、幅度和频率三个量以及它们之间的关系来描述。信号的幅度和时间关系的测量为时域测量。信号的幅度和频率关系的测量为频域测量。信号的频率（相位）和时间关系的测量为调制域测量。,46,一、测量原理调制域测量技术的根本要求是在一段规定的时间内动态地不间断地测量信号的频率，即所谓“无空闲时间计数器”ZDT（ZerobeadTimeCounter）技术。,通过设置某种触发功能定义一种事件，所谓事件实际上是对信号取样点的一种定义。两个事件之间的时间则代表了该信号的一个周期。,47,输入信号,过零点,事件计数,时间/ns,频率计算,取样点要与事件发生时刻一致。,48,二、调制域分析仪结构：,同步逻辑电路根据测量要求，将A、B通道以及时基信号送入时间计数器、事件计数器并送适当的信号给时间差补器用于误差修补。,时间差补器对被测信号与仪器时标之间的起始和终止相差进行测量，修补由于相位不同而产生的误差，提高时间（频率）测量的分辨率。,取样逻辑电路触发一次取样时，将事件计数器、时间计数器和时间差补器内容被送入存储器，随之差补器复位清零，准备下次取样。,49,三、主要性能指标：测量功能：频率和时间间隔的时变特性测量分析时间和相位的偏移、时间间隔数据窗口容限分析抖动谱和相位噪声测量调制域脉冲分析输入频率范围：频率测量范围往往分段设置。频率分辨率：在固定的观测时间内测量频率的分辨率。一般给出的是选通时间为1s时，频率测量所能达到的位数，如11位、10位等。时间间隔：能够测量的最小和最大时间间隔宽度。典型值最大18s，最小150300ps。连续取样速率：在连续测量情况下，每秒测量的次数，保证观测调制信号的快速过渡现象。,50,测量存储器容量：对连续取样数据的存储能力。存储量的大小反映了在给定的取样速率下，观测信号调制和抖动时间的长短，通常为832KB（字节）。统计分析：包括平均值、标准偏差、最大值、最小值等测量统计功能。触发功能：对复杂输入信号事件的定义和捕获能力，有频率、时间间隔、边沿等触发方式。显示方式：测量过程结束时，显示用户快速掌握和理解信号特征的能力。显示方式有：时间关系曲线图、直方图、快速直方图、事件定时等。,51,应用举例：时间抖动（间隔）测量（相位噪声测量）,52,时间抖动FFT分析测量根据抖动谱分析抖动产生的原因,53,运行数据抖动直方图的测量直方图：抖动的概率（频率）分布,分析抖动的统计特性和抖动产生的原因。,54,第六章思考题6.1信号发生器的基本作用是什么？6.2锁相环路的基本原理和作用是什么？相位的调整是如何实现的？6.3有哪些方法可以用来产生各种不同频率的信号？6.4直接数字频率合成的原理是什么？6.5如何将方波变换成三角波？6.5如何将三角波变换成正弦波？6.6如何将正弦波变换成方波？6.7扫频信号