电子测量技术课chapter7-2015

第7章频谱分析仪原理

一、概述二、信号（时频对应关系）三、频谱分析仪的分类四、顺序滤波式频谱分析仪五、FFT分析仪六、外差式频谱分析仪

一、概述频域测试和时域测试的关系频域测试的主要内容信号的频谱分析

基波、谐波、寄生调制、相位噪声、非相干寄生信号（杂散）信号调制情况分析频谱监测频域测试的典型仪器——频谱分析仪

第八章频谱分析原理

频谱分析仪也称为信号分析仪网络分析仪用于对电子网络的频率响应特性进行分析失真度分析仪用于测量音频电路的失真射频功率计用于精确测量音频和微波信号的功率电平

一、概述（续）

第八章频谱分析原理二、信号1、时域和频域的关系

时域：横坐标是时间轴频域：横坐标是频率轴

从不同角度来描述信号的特征

具有相同频谱的两个信号，可能在时域上显示是不同波形的信号

第八章频谱分析原理

第八章频谱分析原理2、信号的傅立叶分析（回顾）傅立叶变换和反变换

第八章频谱分析原理对于周期信号：

周期信号在频域中为离散的谱线非周期信号在频域中为连续的谱线

第八章频谱分析原理常见信号的频谱

第八章频谱分析原理三、频谱分析仪的分类按频率范围

-音频范围（AF） 到1MHz左右

-射频范围（RF） 到3GHz左右

-微波范围 到40GHz左右

-毫米波范围 超过40GHz

按照实现方式

-顺序滤波式

-FFT分析仪

-外差式频谱分析仪

第八章频谱分析原理特点：实时显示，但需要大量的滤波器四、顺序滤波式频谱分析仪前置放大器检波器阶梯波扫描发生器S信号输入

第八章频谱分析原理

第八章频谱分析原理四、顺序滤波式频谱分析仪（续）问题：滤波器带宽决定了对于频率分辨率例如：100Hz带宽，表示每根谱线有100Hz的不确定性；两根频谱间距小于100Hz则无法区分，此时的谱线表示了在100Hz频带内的总能量是否可以采用数字滤波器来提高分辨率？如何解决滤波器数量太多、不一致性问题中心频率可调的模拟滤波器？

FFT分析？外差式频谱分析仪？Page230

扫频滤波式频谱仪问题：中心频率可调，但范围宽、一致性好的滤波器难以实现

第八章频谱分析原理放大器滤波器显示器检波器放大器输入电调信号五、FFT分析仪FFT分析仪，也称为动态信号分析仪利用FFT来实现信号频谱成分的测量通过ADC,以设定采样率来采样

FFT计算将结果以图形显示出来

第八章频谱分析原理FFT分析仪的理论基础

第八章频谱分析原理频率分量离散傅立叶变换（DFT）（1）被采样的信号必须有周期性（周期T0）；（2）观察时间必须是被采样信号周期T0的整数倍。FFT分析仪的采样根据奈奎斯特采样定律，采样频率应至少高于输入信号最高频率的两倍，信号才可以被不失真的恢复。否则，产生混叠。

第八章频谱分析原理

前置的低通滤波器

Fs大于2.56fc

有限次采样——加窗

不可能无限次采样，有限次采样相当于加矩形窗，导致泄露现象，产生幅度和频率的误差采用其他窗函数或者采用频率校正算法

第八章频谱分析原理FFT分析仪的性能指标（1）频率特性

频率范围fs＞2.56fmax,常见<10MHz

采样速率由ADC的速度决定频率分辨力频率间隔为Fs/N（2）幅度特性动态范围由AD的位数决定，位数和转换速度矛盾，导致动态范围与最大输入频率是矛盾的

例如：100KHz带宽时动态范围可达100dB

灵敏度和精度本机噪声、量化噪声、计算误差等例如：±1.5dB,+27～-120dBV

第八章频谱分析原理FFT分析仪的性能指标（3）分析速度取决于FFT运算、处理时间（4）其他特性

通道数、窗函数种类、平均计算等

第八章频谱分析原理

第八章频谱分析原理六、外差式频谱分析仪用滤波器依次选出各个频率，测量此频率信号的幅度，得到频谱1、扫描滤波式频谱分析仪：放大器电调谐滤波器显示器检波器放大器电调信号（锯齿波）

第八章频谱分析原理优点：结构简单，价格低廉。由于没有混频电路避免了镜像信号缺点：中心频率可调且调整范围很宽的窄带滤波器难以实现，工作频带较窄，而且灵敏度低解决办法：外差式频谱仪

扫频本机振荡器fL（t）

第八章频谱分析原理2、外差式频谱分析仪输入频谱fxi（1）工作原理：输入信号频谱：fx1fx2

fxn

扫描电压发生器扫频振荡器fL（t）（可变）混频器fo=fL（t）-fxn滤波器检波器显示器

第八章频谱分析原理结论：

扫频外差式频谱仪对被分析的频谱是一个一个顺序采样，所以不是实时检测和显示；

由于采用外差接收方法，所以不用大量的滤波器，这是优于顺序法的特点之一；

频谱仪的性能是否良好，与本机振荡器的频率稳定度直接相关，故采用锁相频率合成技术，使本机振荡器频率稳定。

由于中频滤波器以后的电路频带较窄，有利于提高放大器增益和整机灵敏度；整机频谱分析仪的频率覆盖范围可以大幅度提高

第八章频谱分析原理典型外差式频谱仪的框图（2）外差式频谱仪的主要参数频率显示范围（起始和终止频率）电平显示范围（参考电平）分辨率带宽（中频滤波器的3dB带宽）扫描时间（3）外差式频谱分析仪各模块的原理和功能

A、输入电路输入阻抗：75Ω或50Ω

射频衰减器：0——60dB步进输入滤波器：低通，抑制镜像干扰B、混频器当fin=fLO+fIF或fin=fLO-fIF

时，不能区分，称为镜像频率。解决办法，混频前加滤波器镜像频率之间的频差为2fIF。中频的选择：低中频和高中频低中频频率范围大于2倍中频时，有重叠高中频C、本振变容二极管（连续）扫频宽度小磁调制（连续）扫频宽度大锁相环式或者直接数字合成式频率合成器（频率稳定度高，步进，要求步长小于RBW的1/10）D、二次变频高中频的窄带滤波器很难实现E、中频滤波器分辨率带宽（RBW）：滤波器的3dB带宽正弦波的频谱显示不是一根谱线，而是滤波器的通带特性曲线扫频时的效果：以中心频率可调的固定带宽滤波器扫过整个测量频率常见RBW：10Hz、30Hz、100Hz、300Hz、1kHz、3kHz、10kHz、30kHz、100kHz、300kHz、1MHz、3MHz决定频率分辨率-RBW影响频谱仪显示的噪声电平影响测试速度F、检波器作用：把中频信号变成直流信号类型：峰值检波、平均值检波、有效值检波和准峰值检波器显示方式：最大、最小、自动、正常、取样、平均G、视频滤波器（VBW）作用：低通滤波器，用于滤除包络信号中的噪声，平滑显示轨迹对扫频速度有影响选择：信噪比大时：VBW=RBW

信噪比小时：VBW<RBW

宽频骚扰（脉冲）VBW>10*RBW（a）VBW=10kHz时的显示（b）VBW=30Hz时的显示图7-3-13视频带宽对频谱显示的影响（4）外差式频谱分析仪的主要工作特性

A、频率分辨率频率分辨力静态分辨力动态分辨力BqBd定义：频谱仪的分辨力是指能够分辨的最小谱线间隔。即幅频特性的3dB带宽。左图：观察到的谱线。右图：3dB带宽过宽，分辨力太低时的图形。动态特性和静态特性的关系

动态特性和静态特性的关系结论动态特性曲线的最大值比静态特性曲线最大值小，且扫频速度γ越快，降低得越多动态特性曲线最大值出现的频率将偏离谐振频率fo，并向频率f增加的变化方向移动，且随γ的加快（即k减小）其偏离增大。

第八章频谱分析原理动态特性和静态特性的关系结论（续）

动态特性曲线是不对称的，而且还可能出现振荡现象动态特性曲线比静态特性曲线较钝，带宽增大

第八章频谱分析原理B、灵敏度和动态范围灵敏度：频谱仪显示微弱信号的能力取决于仪器的内部噪声（决定于带宽）一般为-80～-130dB动态范围：

表征频谱仪同时显示大信号和小信号频谱的能力

上限由非线性失真所决定，下限由频谱分析仪的噪声电平决定60dB以上，可高达90dB

第八章频谱分析原理动态范围图7-3-19频谱分析仪的动态范围不同带宽和衰减下的噪声电平1kHzRBW10kHzRBW100kHzRBW10dB10dB图7-3-17不同带宽的噪声电平图7-3-18不同输入衰减下的噪声电平C、扫频宽度和分析时间

扫频宽度（或分析谱宽）：频谱仪在一次分析过程中所显示的频率范围。分析时间：完成一次频谱分析所需的时间

第八章频谱分析原理（5）参数之间的依赖关系

扫描时间、频率跨度、分辨率带宽和视频带宽

第八章频谱分析原理

其中K为一个系数，与中频滤波器的通带形状有关。对于高斯滤波器来说，K值在2～3之间。RBWHP8566B（模拟滤波器）AgilentESA-ESeries（模拟/数字滤波器）1kHz300µs2.75µs10Hz300s4.025s

达不到最小的扫描时间，中频或视频滤波器不能达到稳定状态，引起显示信号的幅度失真和频率偏移。如图所示，扫描时间设置不当的测量结果为图中右侧曲线，与左侧的正确测量结果，在幅度和频率上都产生了误差。如果扫描时间设置不当，一般在频谱分析仪的显示器上会显示“UNCAL”的警告信息，表示信号测量未经校准。正常情况下，扫描时间和RBW、VBW通常情况下是联动的。

参考电平与射频衰减

为避免过载甚至破坏后续电路，需要对大信号进行衰减。

射频衰减器ARF和中频增益GIF可作为参考电平的函数自动调整.

第八章频谱分析原理频谱分析仪的典型技术参数

频率测量范围：9KHz-3.6GHz

幅度测量范围：+25--150dBm

平均噪声电平DANL：150dBm

动态范围：80dB

幅度精度：±0.65dB

频率扫描时间：1ms–2000s

分辨率带宽：1Hz–8MHz(10%步进)

第八章频谱分析原理使用频谱仪时主要设置的工作参数:（1）频率显示范围:中心频率CF和频率跨度Span（2）电平显示范围：参考电平Reflevel

（4）视频带宽：