频谱分析仪基础培训教材

1、频谱分析仪基础培训教材 一、基本理论一、基本理论o 信号分析及频谱分析概述o 频谱仪的工作原理o 频谱仪的特性 二、工程应用二、工程应用o 仪器操作o 常用功能与测试信号分析及频谱分析概述信号分析及频谱分析概述第一章第一章 基本理论基本理论1、信号、信号分析及频谱分析概述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分析及频谱分析概述信信 号号 频域频域频谱分析仪频谱分析仪示示 波波 器器时域时域 调制域调制域矢量分析仪矢量分析仪信号的波形信号的波形信息信息幅度幅度周期周期频率频率信号的频率分布信息信号的

2、频率分布信息频率、功率频率、功率谐、杂波谐、杂波噪声、干扰噪声、干扰失真失真信号的矢量信息信号的矢量信息幅度误差幅度误差矢量误差矢量误差相位误差相位误差信号分析及频谱分析概述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信号分析及频谱分析概述频域测量对信号分析的作用频域测量对信号分析的作用信号分析及频谱分析概述信号分析及频谱分析概述周期信号的频谱周期信号的频谱信号分析及频谱分析概述信号分析及频谱分析概述模拟调制信号：模拟调制信号：AM、FM、PM的调制指数和调制频率等的调制指数和调制频率等信号分析及频谱分析概述信号分析及频谱

3、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信号分析及频谱分析概述噪声信号：噪声功率、相位噪声噪声信号：噪声功率、相位噪声信号分析及频谱分析概述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信号分析及频谱分析概述频谱仪的类型频谱仪的类型1、傅立叶分析仪RAMFFTADADRAMFFT频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理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、外差式扫描分析仪频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理检波器可调锯齿

4、波可调的带宽滤波器InputInputRFLoIF超外差式扫描调谐分析仪超外差式扫描调谐分析仪频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理频谱仪的主要设置参数频谱仪的主要设置参数l 频率显示范围l 中心频率和频率跨度l 起始频率和终止频率l 电平显示范围l 参考电平和量程跨度l 频率分辨率l 分辨带宽l 扫描时间频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理2 2、频谱分析仪的工作原理、频谱分析仪的工作原理 超外差式扫描调谐接收机a(t)HffLO检波器检波器延迟延迟RFIF参考振荡器参考振荡器 低通低通滤波器滤波器 衰减器衰减器 混频器混频器 中频中频放大器放大器 视频滤波器视频滤波器 中频中频滤波器滤波器

5、对数对数放大器放大器 压控压控振荡器振荡器 锯齿波锯齿波 发生器发生器显示显示频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理镜像的影响镜像的影响频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理图象频率范围转换交迭镜像的抑制镜像的抑制频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理衰减器衰减器Lo IFRF频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理混频器混频器InputInputRFLo IFfinflofinfloFlo + FinFlo - Fin频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理中频中频滤滤波器波器显示显示锯齿波发生器锯齿波发生器包络检波器包络检波器本地振荡器本地振荡器模拟滤波器模拟滤波器对

6、数放大器对数放大器放大器放大器视频滤波器视频滤波器xy输入输入混频器混频器中频放大器中频放大器检波器检波器数字滤波器数字滤波器FFT 滤波器滤波器频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理中频滤波器中频滤波器:数字滤波器数字滤波器IF 20.4 MHzAD32 MHzIQ12 bitLowpass filterLowpass filterfilter coefficientsfilter coefficientsI + Q22IF envelope voltage90LOLOIFIFI mixerQ mixerNCOAnti aliasingbandpassl特点:l真正的高斯形状l波形因子4.6l

7、最小扫描时间 k = 1 通过补偿可以达到l优点:l小波形因子 = 更高的灵敏度l快速扫描l更高的带宽精度测量可以得到更高的电平精度l用于噪声或类噪声信号l没有温度或老化漂移频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理中频滤波器中频滤波器: FFT 滤波器滤波器DisplayFFTRAMADx(t)l最大频率范围受限于AD变换器的带宽l快速的信号处理要求合理的更新率l窄的分辨带宽减少了扫描时间频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理视频滤波器视频滤波器视频滤波器(平滑)显示显示输入输入锯齿波发生器锯齿波发生器包络检波器包络检波器混频器混频器中频放大器中频放大器本地振荡器本地振荡器中频滤波器中频滤波器对数放

8、大器对数放大器视频滤波器视频滤波器xy检波器检波器频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理检波器检波器最大最大峰值峰值最小最小峰值峰值有效值有效值平均值平均值线性线性对数对数微微处理器处理器显示显示视视频频信信号号检波器的选择检波器的选择“线性检波器线性检波器”“对数检波器对数检波器”线性线性/对数查找表：对数查找表：有效值、平均值检波器有效值、平均值检波器 采样采样水平轴水平轴 500个个像素点像素点NiiAVuNU11NiiRMSuNU121 平均值检波器平均值检波器 有效值检波器有效值检波器频谱分析仪工作原理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不同的检波器在显示屏上不同的数

9、据处理频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理本地振荡器本地振荡器显示显示输入输入锯齿波发生器锯齿波发生器包络检波器包络检波器混频器混频器中频放大器中频放大器本地振荡器本地振荡器中频滤波器中频滤波器对数放大器对数放大器视频滤波器视频滤波器xy检波器检波器频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理3 3、频谱分析仪的特性、频谱分析仪的特性l 滤波器特性 l 相位噪声（频谱纯度）l 接收机的固有噪声l 系统非线性l 1dB压缩点l 动态范围l 测量精度频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标分辨滤波器特性分辨滤波器特性频谱分析仪性能指标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不同分辨带宽的滤波器对

10、测试结果的影响频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标分辨相邻的信号分辨相邻的信号红色踪迹：RBW=30 kHz蓝色踪迹：蓝色踪迹： RBW= 3 kHz红色踪迹：RBW=30 kHz蓝色踪迹： RBW= 3 kHz频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标最小扫描时间最小扫描时间2RBWSpankTSweepTSweep 最小扫描时间Span频率扫描跨度RBW分辨带宽 (3 dB 带宽)kk 因子, 2.5 模拟滤波器 频谱分析仪性能指标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扫描时间对频率和电平测量误差的影响蓝色踪迹：蓝色踪迹：电平和频率产生误差电平和频率产生误差测试结果未校准!频谱分析

11、仪性能指标频谱分析仪性能指标相位噪声相位噪声频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标频谱分析仪的固有噪声频谱分析仪的固有噪声dBRFdBHzRBWdBDANLLATTNoiseHzDANL5 . 2)lg10(1010LDANL平均显示噪声电平 DANL规定的平均噪声电平 (R&S 数据表: RBW=10 Hz, RFATT = 0 dB)RBWNoiseRBW滤波器的等效噪声带宽 RFAttRF 衰减器-2.5 dB修正因子 (对数定标的平均)滤波器类型滤波器类型4-极点滤波器极点滤波器 （模拟）（模拟）5-极点滤波器极点滤波器 （模拟）（模拟）理想高斯滤波器理想高斯滤波器 (数字数字)6 dB

12、 带宽1.480 * B3dB1.464 * B3dB1.415 * B3dB等效噪声带宽1.129 * B3dB1.114 * B3dB1.065 * B3dB不同的滤波器不同的滤波器6 dB带宽和等效噪声带宽与带宽和等效噪声带宽与 3 dB带宽的关系带宽的关系频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标显示的噪声本底依赖于显示的噪声本底依赖于RF衰减器衰减器频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标显示的噪声本底依赖于与显示的噪声本底依赖于与RBW带宽带宽 A=10lg(RBWnew/RBWold)频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标接收机的非线性特性接收机的非线性特性频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指

13、标三阶互调产物的鉴别三阶互调产物的鉴别频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标截止点截止点(T.O.I)频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标1-dB 压缩点压缩点频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标动态范围动态范围频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标最大无互调范围或最大谐波抑制最大无互调范围或最大谐波抑制频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标频率测量精度频率测量精度l光标读数：光标读数：l (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)l计数器读数计数器读数: (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频谱分析仪性能指标幅度测量精度幅度测

14、量精度l 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频谱分析仪性能指标具体指标具体指标l各项误差各项误差-128 MHz绝对误差0.2 dB-频率响应 (f3 GHz)0.5 dB-衰减器误差 0.2 dB-对数显示非线性(0 to -70 dB)0.2 dB-RBW 切换误差 (RBW 100 kHz)0.1 dB-驻波比 0.55dBl总的电平不确定度总的电平不确定度: 0.5 dB(f 更好的分辨率频谱仪应用频谱仪应用o 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

15、点数的选择 频谱仪应用频谱仪应用幅度统计特性的测量原理频谱仪应用频谱仪应用CCDF和APD的测量结果（白噪声）频谱仪应用频谱仪应用传输测量传输测量-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DUTGEN OUTPUTRF INPUTFSP-B10 为FSU & FSP设计的 外部信号发生器控制频谱仪应用频谱仪应用传输测试的操作菜传输测试的操作菜单单频谱仪应用频谱仪应用反射测量反射测量-内置校准和归一化功能 CAL REFL OPEN, CAL REFL SHORT标量反射测量需要附加一个方向性好的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

16、合器电桥或是定向耦合器GEN OUTPUTRF INPUT 反射电桥反射电桥DUTFSP-B10 为FSU & FSP设计的 外部信号发生器控制频谱仪应用频谱仪应用反射测量的操作菜单反射测量的操作菜单频谱仪应用频谱仪应用l噪声系数的测量噪声系数的测量 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。ooiiNSNSF/一般定义一般定义：-120-100-80-60-40fo频率频率-120-100-80-60-40fo输入功率电平输入功率电平 (dBm)频率频率输入功率电平输入功率电平 (dBm)Si / NiSo / No DUT例如放大器例如放大器 N

17、a GSi / NiSo / NoNa 系统内部的噪声系统内部的噪声G 系统的增益系统的增益频谱仪应用频谱仪应用28 V DC on/off噪声源噪声源被测件被测件频谱仪应用频谱仪应用kT04.00 x 10-21 W/Hz = -174dBm/HzNa系统的内部噪声系统的内部噪声B系统的噪声带宽系统的噪声带宽G系统的增益系统的增益T0噪声参考温度噪声参考温度 (定义为定义为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

18、标准的定义标准的定义:BGkTBGkTNGNGNNGNNGSNSNSNSFaiiaiaiiiooii00)/(/-120-100-80-60-40fo频率频率-120-100-80-60-40fo输入功率电平输入功率电平(dBm)频率频率 DUT例如放大器例如放大器输入功率电平输入功率电平 (dBm) NaSi / NiS0 / N0kT0BkT0BG + Na G频谱仪应用频谱仪应用 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。01TTFe 实际的实际的DUT50 OhmT0 = 290 KNa,GaN1 = kT0BGa+Na无噪声的无

19、噪声的DUT50 OhmT = (T0+Te) KN1 = k(T0+Te)BGa = kT0BGa + kTeBGaGaNaTe = 噪声温度噪声温度频谱仪应用频谱仪应用 利用频谱分析仪和噪声系数仪测量噪声系数的基本等式。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 G1 Na1R输入噪声输入噪声 k T0 BkT0BkT0BG1kT0BG1G2Na1Na1G2Na2B G2 Na2第二级系统第二级系统附加的附加的全部全部噪声噪声输出的输出的全部全部噪声噪声功率功率输入的噪声功率输入的噪声功率 x 系统增益系统增益第一级系统第一级系统DUT噪声测量系噪声测量系统统F1F2F12 = F1 + (F2 - 1)/G1) F1 = F12 - (F2 - 1)/G1) T1 = T12 - T2/G1(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。 频谱仪应用频谱仪应用 Calibration cycle Measurement cycle 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 = 290 K条件下有效。/ )(log10010TTTENROFFSONSdB Y系数法测量噪声系数通常分为两步： 校准