第五章 频谱分析仪测量

1、1 第五章 频谱分析仪测量 2 频谱分析仪测量 第一节 定义 第二节 几种常见信号频谱 单脉冲,周期脉冲,调幅波 第三节 超外差式频谱分析仪的基本组成及工作原理 第四节 主要性能参数 重点:分辨带宽 补充:有关分辨力的一些问题 第五节 几种测试 频率功率相位噪声等参数测试 及噪声系数测试 3 第一节 定义 问题: 1. 什么是频谱分析仪 2. 为什么要用频谱分析仪 时域频域 傅里叶变换 x（t）= 1/2 - X（j ）e jt X（f）= - x（t）e-jt dt d 4 频域和时域关系图 5 f（t） t V（f） f f（t） t t f（t） V（f） V（f） f f 时域波形时域

2、波形频域波形频域波形 6 l可以给频谱仪下如下定义: 频谱仪是一种把射频和微波信号显示成频 率的函数的仪器. 7 8 第二节 几种常见信号频谱 l最单纯的信号是理想正弦波,它的频谱是一根单一 的谱线,其它所有非正弦周期信号都可用傅氏级数 展开为一系列正弦谐波的总和. 9 5.2.1 单个脉冲 10 5.2.2 周期性脉冲频谱 11 12 5.2.3 调幅波 13 14 第三节 超外差式频谱分析仪的基本组成及工作原理 扫频超外差式频谱仪的基本原理方框图 15 输入的被测信号经过射频衰减器在混频器中 和机器内部的本振信号相混频,获得中频信号,经过 窄带中频放大器放大,再经线性检波而得到一个和 输入

3、信号幅值成正比的直流信号,经垂直放大器加 至示波器的垂直偏转板上,这就使电子束在垂直方 向产生与输入信号幅值成正比的偏移.这一部分很 像一部超外差式窄带接收机,和一般的超外差式接 收机不同的是,这里的本振是一个电调谐的扫频振 荡器.它由一个扫频发生器输出的锯齿波电压来调 谐,使本振频率在一定范围内做周期的线性变化.同 一个锯齿波电压又经过水平放大器加在示波器的 水平转板上,这就使电子束在水平方向的偏转正比 于扫频振荡器的频率变化. 16 17 超外差式频谱分析仪各主要组成部件的功能描述 l输入衰减器 它是在频谱分析仪中对信号进行的第一 级处理,频谱分析仪输入衰减器功能包含以 下方面: 1. 保

4、证频谱分析仪在宽频范围内具有良 好匹配特性; 2. 保护混频及其他中频处理电路,防止 部件损坏和产生过大非线性失真. 18 l混频器:完成信号的频谱搬移,将不同频率输 入信号变换到相应频率.在混频过程中会存 在镜像干扰问题. 19 l中频滤波器: 是频谱分析仪中关键部件,频谱分析仪主 要依靠该滤波器来分辨不同频率信号,频谱分析仪许多 关键指标都和中频滤波器的带宽和形状有关. 20 l检波器: 它主要用来将输入信号功率转换为输出视频电 压,该电压值对应输入信号功率.针对不同特性输入信号, 需采用不同检波方式才能准确地测出该信号的功率. 21 l视频滤波器: 它主要用来对检波器输出视频信号进行低

5、通滤波处理,减小视频带宽，可对频谱显示中的噪声抖 动进行平滑,从而减小显示噪声的抖动范围.这样有利于 频谱分析仪发现淹没在噪声中的小功率连续波信号. 22 23 第四节 主要性能参数 24 与幅度相关 l输入阻抗及驻波比 l最大允许输入电平 l动态范围 通常把从不加衰减时的最佳输入信号(即 P1dB压缩点)起往下直到最小可用信号电平 止,这一信号幅度变化范围称为动态范围.若 再加上用内部衰减所能扩展的dB数,则称最 大测量范围. 25 与频率相关 l工作频率范围 指频谱仪在满足所有规定的性能指标的前 提下所能接收和测量的频率范围.有些频谱 仪可以通过外加混频器扩展到更高频率使 用. 26 l扫

6、描时间 即产生扫频及水平偏转的锯齿波一个扫描 过程的时间,通常可在若干ms到若干s之间 分档选择. 比如可以通过改变扫描时间,观察一个 频带内的波形. 27 l分辨带宽 即决定选择性的最低中频滤波器的3dB带宽B,亦 称静态分辨力,在其它条件适当配合下,他决定着 所能分辨的两个相等谱线之间的最小频率间隔 28 29 l视频带宽 在检波后的视频放大电路中,有时还有几种 宽度分档可变的LPF,其带宽有时比中频带 宽还要窄,在观察到含有强视频毛刺的频谱 图时,减小视频带宽可以起到平滑作用,使显 示比较清晰.在观察脉冲等宽带信号频谱时, 不应采用窄的视频带宽. 30 补充:有关分辨力的一些问题 1.谱

7、线显示过程 31 32 2.分辨带宽及形状的作用 33 34 第五节 几种测试 35 5.5.1 频率及功率的测量 36 37 5.5.2 噪声测量 38 5.5.3 AM调制及交调测量 39 5.5.4 相位噪声测量 40 5.5.5 谐波测试 41 5.5.5 噪声系数测试 lSi/Ni是输入信噪比 lSo/No是输出信噪比 lBd是器件噪声带宽 lGd是器件增益 42 因此: F=(Si/Ni) / (So/No)=(Si/KTBd) / (SiGd/No) =No/(GdKTBd) No=输出的噪声功率(输入端接匹配负载时,负载 吸收的功率) K=波耳兹蔓常数,1.374X10-21(

8、J/K) T=290K(室温) KT=3.98X10-21(W/Hz) 在1Hz带宽情况下等于-174dBm Bd是器件噪声带宽 Gd是器件增益 43 l噪声系数表达式 NF=10lgF = 10lg No - 10lg Gd ( 174dB+ 10lg B ) =输出噪声功率-增益-带宽B内的等效噪声输入功率 =10lg No - 10lg Gd 10lg B +174dB 所以说:如果知道了输出噪声功率,器件增益和带 宽,就可以获得器件的噪声系数. 下面的测试方法就是基于上面的公式展开的 44 l最终应用的噪声系数测试公式 NF=N (GD+GP) 10lg B +174dB+1.7dB(校正因子) N=在频谱仪上测得噪声电平 GD=器件增益 GP=前置放大器的增益 B=频谱仪的中频带宽设置 45 l基本上是分两步进行测试: 第一就是测得整个系统的增益 第二就是测得噪声功率 46 l系统增益测试方框图 47 48 49 Example: l系统增益:56dB l噪声功率:-72dBm l中频