信号分析和频域测量.ppt

1、第九章 信号分析和频域测量,9.1 信号的频谱 9.2 扫描式频谱仪 9.3 付里叶分析仪 9.4 频谱仪在频域测试中的应用 9.5 谐波失真度测量 9.6 调制度测量,9.2.1 滤波式频谱分析技术,滤波式频谱分析仪原理及分类 基本原理：先用带通滤波器选出待分析信号，然后用检波器将该频率分量变为直流信号，再送到显示器将直流信号的幅度显示出来。为显示输入信号的各频率分量，带通滤波器的中心频率是多个或可变的。 档级滤波式频谱仪 并行滤波式频谱仪 扫频滤波式频谱仪 数字滤波式频谱仪,档级滤波式频谱仪,也叫顺序滤波频谱仪，由多个通带互相衔接的带通滤波器和共用检波器构成。用多个频率固定且相邻的窄带带通

2、滤波器阵列来区分被测信号的各种频率成分，因此得以全面记录被测信号。,这种方法简单易行，但在频带较宽或较高频段的情况下需要大量滤波器，仪器体积过大；由于通带窄，分辨力和灵敏度都不是很高。一般用于低频段的音频测试等场合。,并行滤波式频谱仪,与档级滤波式的区别在于每个滤波器之后都有各自的检波器，无需电子开关切换及检波建立时间，因此速度快，能够满足实时分析的需要。但是可显示的频谱分量数目取决于滤波器的数目，所以需要大量的滤波器。,扫频滤波式频谱仪,实质是一个中心频率在整个宽带频率范围内可调谐的窄带滤波器。当它的谐振频率改变时，滤波器就分离出特定的频率分量。,扫频滤波式频谱仪与档级滤波式一样，是一种非实

3、时频谱测量。结构简单，价格低廉。缺点是电调谐滤波器损耗大、调谐范围窄、频率特性不均匀、分辨率差，目前这种方法只适用于窄带频谱分析。,数字滤波式频谱仪,数字滤波式频谱仪在现代频谱分析仪中占有重要地位。数字滤波器的形状因子较小，因而提高了频谱仪的频率分辨率；具有数字信号处理的高精度、高稳定性、可重复性和可编程性等普遍优点。,利用数字滤波器可以实现频分或时分复用，因此仅用一个数字滤波器就可以实现与并行滤波式等效的实时频谱仪。用单个数字滤波器代替多个模拟滤波器之后，滤波器的中心频率由时基电路控制使之顺序改变。,带通滤波器的性能指标,带宽,通常是指3dB带宽，或称半功率带宽,分辨率带宽（RBW）反映了滤

4、波器区分两个相同幅度、不同频率的信号的能力,带通滤波器的性能指标（续1）,波形因子,波型因子反映了区分两个不等幅信号的能力，也称带宽选择性,波形因子定义为滤波器60dB带宽与3dB带宽之比：,也可用40dB带宽与3dB带宽之比表示。波形因子较小的滤波器的特性曲线更接近于矩形，故波形因子也称矩形系数,等绝对带宽或等信息量带宽：外差式频谱仪在一次分析过程中所用的分析滤波器带宽恒定。恒带宽滤波器的特性曲线在线性频率刻度下，关于滤波器的中心频率f0对称,带通滤波器的性能指标（续2）,恒带宽与恒百分比带宽,恒百分比带宽滤波器的绝对带宽B与中心频率f0的比值（即相对带宽）是常数。扫描式频谱仪、档级滤波式频

5、谱仪及并行滤波式频谱仪大多采用恒百分比带宽分析。,在对数刻度下，恒百分比带宽滤波器的频率特性曲线关于其中心频率f0对称。常用“倍频程选择性”表示远离中心频率一倍频率处（0.5f0和2f0）的滤波器衰减量。,带通滤波器的性能指标（续3）,滤波器响应时间（建立时间） 信号从加到滤波器输入端到获得稳定输出所需的时间。通常用达到稳幅幅度的90所需的时间TR来表述，它与绝对带宽B成反比：TR1/B。 对恒百分比带宽滤波器，一般用达到稳态输出所需的信号周期数来代表：nRf0TRTR/T0，表示响应时间内的周期数。 宽带滤波器的响应时间短，测量速度快；窄带滤波器建立时间较长，但频率分辨率更高、信噪比好。响应

6、时间限制了频谱仪的扫描分析速度，影响实时频谱分析的实现。,9.5 谐波失真度测量,9.5.1 谐波失真度的定义 9.5.2 谐波失真度的测量方法 9.5.3 失真度测试仪简介,9.5.1 谐波失真度的定义,非线性失真亦称谐波失真，简称失真。一定频率的信号通过网络后往往会产生新的频率分量，这种现象被称为该网络的非线性失真；一个信号的实际波形与理想波形有差异，这种差异被称为信号的非线性失真。线性电路意味着频域中的输出信号应具有与输入信号相同的频率，而由输入信号所产生的任何其他频率都被视为是非线性失真。 失真模型 单音、双音输入 失真度定义,失真模型,产生失真的器件大都是线性器件，只表现出轻微的非线

7、性。这种失真可用幂级数来模拟：,其中k0：系统输出直流分量；k1：电路增益；k2及以上的其余系数：电路的非线性特性。如果电路是完全线性的，则除k1之外的所有系数均应为0。 由于对渐变形式的非线性，kn的大小随n增大而迅速变小，只有二次、三次效应起决定作用。故可忽略上式中k3以后的各项，因而得到简化失真模型：,单音、双音输入,单音输入 单音信号即一个单一频率的纯正弦波，将它作为输入信号并测量输出信号的频率成分，可进行最简单的系统失真情况的测试。 将单音信号Vin=Acost 代入简化失真模型式中： 单音信号的输出中包含了直流分量、基波及二次、三次谐波。,单音、双音输入（续1）,由单音信号的输出可

8、以看到： 直流分量受失真模型二次系数k2的影响，基波幅度受三次系数k3的影响； 基波幅度主要与输入信号幅度A成正比，二次谐波的幅度与A2成正比，三次谐波幅度与A3成正比。 使用分贝（dB）表示幅度，有 意味着输入信号电平每变化1dB，基波也将近似变化1dB，二次谐波将改变2dB，三次谐波将改变3dB。,单音、双音输入（续2）,双音输入 双音信号如Vin=A1cos1t + A2cos2t ，将它作为输入信号进行失真测量，代入简化失真模型式中有： 其中c0、c1、c12是由k0、k1、k2、k3及A1、A2决定的系数。 与单音输入的情况不同，当双音输入信号的幅度变化1dB时，输出信号的二次项幅度

9、将变化2dB；三次项将变化3dB。,失真度定义,失真度被定义为全部谐波能量与基波能量之比的平方根值。对于纯电阻负载，则定义为全部谐波电压（或电流）有效值与基波电压（或电流）有效值之比的平方根。失真度D0以百分比（）或分贝（dB）为单位，亦称失真系数。,其中u1、u2、um分别表示基频及其各次谐波的均方根值。,9.5.2 谐波失真度的测量方法,谐波失真度的测量方法有很多，例如： 谐波分析法用频谱仪分别将信号基波和各次谐波的幅值一一测出，然后按定义计算，属于间接测量法； 基波抑制法又称静态法，对被测器件输入单音正弦信号，并通过基波抑制网络进行直接测量； 白噪声法又称动态法，利用白噪声作为测试信号，

10、测出被测器件在通带内的各频率分量因交调而产生的谐波。,基波抑制法,由于基波难以单独测量，当失真度较小时，上述失真定义式可近似为：,按照近似式测量失真度，所得的是谐波电压总有效值与被测信号总有效值之比。近似的条件：当失真度小于9时，可用近似失真度测量值D代替定义值D0，否则需对D值进行换算或修正。换算公式为：,基波抑制法（续）,按照近似式进行基波抑制法测量谐波失真度的电路如下图。基波抑制网络实质上是一个陷波滤波器，专门用于滤掉基波信号而使其余谐波分量通过。,开关S先打到1处，测出被测信号的电压总有效值。适当调节输入电平使电压表指示为某一规定的基准电平值，该值完全对应于失真度大小，也就是使近似式中

11、的分母为1这个过程称为“校准”； 开关打到2处，调整基波抑制网络使电压表指示最小，表明此时电路对基波的衰减量最大。由于基波已被抑制，此时测出的是被测信号的谐波电压总有效值。由于电压表已经过校准，故当前指示值就是D值。,白噪声法,白噪声法是一种广谱测量技术，属于谐波失真的动态测量方法。它通过白噪声发生器产生均匀频谱密度分布的白噪声，相当于将一系列不同频率、不同相位的正弦信号加到被测电路上，可以得到被测电路在通带内的任一频率分量所产生的谐波及其互调结果。 测量电路框图如下：,白噪声法（续）,白噪声发生器输出广谱噪声信号UN，经过中心频率为f0的带阻滤波器后，输出频谱产生缝隙。该信号通过被测电路时，

12、如果存在失真，各噪声分量的互调会导致大量组合频率，使输出信号在f0及附近的频率处有了新的频率分量。用选频电压表选出f0分量，并测得其电压幅度Uout。最终的谐波失真度D可按下式计算：,其中，Uout为选频电压表在频率f0处的读数，U为同一带宽下其他频率处的电压表读数。,9.5.3 失真度测试仪简介,失真度仪组成原理 测量失真度或失真系数的仪器即失真度仪，它们大多工作于200KHz以内的频带。下图所示为一种采用基波抑制法测量失真度的测试仪简化框图。,失真度仪组成原理（续）,被测信号经过幅度调节之后，一面被送到可调谐的陷波滤波器中滤掉基波，再进入检波器获得谐波有效值电压；同时通过旁路直接进入检波器

13、，获得信号中所有频率成分的总有效值电压。两个代表不同电压值的信号通过除法器进行计算，最后显示出失真测量值D。 事实上，许多电路的非线性还会产生噪声及电源纹波带来的其他成分，因此上图所示的失真度仪所测的结果包含了总谐波加噪声失真，定义式为,主要技术指标,失真度通常被用来衡量收录机、电声设备及信号发生器等的输出性能。其典型技术指标如： 频率范围：9Hz600KHz 失真度测量范围：0.0190% 失真度测量精度：59% 灵敏度：0.330mV,9.6 调制度测量,9.6.1 调制度测量概述 9.6.2 调幅度测量 9.6.3 调频信号测量,9.6.1 调制度测量概述,调制的基本概念 调制就是对信号

14、的源信息进行处理，使其变为适合于信道传输的形式的过程。 一般来说，信号源信息（即信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能直接传输，必须借助另一种频率比基带高得多的信号（即载波）转换成适于传输的信号。这种适于传输的信号称为已调信号，基带信号则称调制信号。调制是通过改变高频载波的幅度、相位或频率，使其跟随基带信号幅度的变化来实现的。,调制的基本概念（续）,常见的调制方式 模拟调制：幅度调制（AM）、频率调制（FM）、相位调制（PM），分别指载波信号的幅度、频率或相位随着基带信号的幅度变化而改变，简称调幅、调频和调相； 数字调制：主要有脉宽调制（PWM）、脉冲编码调制（

15、PCM）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）、增量调制（调制）等。 最常见和最基本的调制方式是模拟调制。本章所涉及的调制度测量是指对调幅、调频信号调制程度的测量。,调幅度的定义： 其中，m上、m下分别称为上调幅度和下调幅度，u0为载波的幅度峰值，U上、U下分别是调制信号的正、负半周幅度峰值。对调幅信号进行正负峰值检波（解调），即可根据定义式求出调幅度大小。,调制度定义,幅度或频率被调制的程度通称为调制度，在调幅波、调频波中分别用调幅度（或称调幅深度、调幅系数）和调频度（或称调频指数、调频系数）表示调制度。它是已调波的重要参数，反映了载波的幅度、频率或相位受低频调制信号控制的程度。,调频系数

16、是指最大频偏与调制信号的频率之比： mf=f / f0 其中,f为调制信号的最大频偏，f0为载波频率。对调频信号进行鉴频，获得与频偏成正比的低频信号电压，即可测出最大频偏；在已知调制信号频率时，可由定义式求出调频系数。,9.6.2 调幅度测量,双重检波法 实质上是利用外差式接收机的原理，在线性包络检波器中将已调波恢复成调制信号，以及大小与载波幅度成正比的直流电压u0；然后用峰值检波器检出调制信号的峰值电压U上和U下。用两个电压表分别测量U上、U下和u0，用归一化处理技术使u0设定为1，则可以直接读出U上、U下的数值。 双重检波法的测量精度通常为35%，广泛应用于调幅度测量仪中。,功率计法,这种

17、方法基于已调波的功率Pm比载波功率P0大m2/2倍的原理，利用功率计分别测量Pm和P0，然后根据下式计算而得调幅度m：,m的值越小，用功率计法测调幅度的测量误差将越大；当m30%时，测量精度可优于1%。功率计法通常用于调幅度测量仪的定标和计算。,频谱仪法,正弦信号调幅的结果除了载频之外还有上、下两个边频，边频的幅度S与调幅系数m之间有关系式,其中C为载频幅度。,可见，只要用频谱仪测出边频和载频的幅度，即可求得调幅度。动态范围大于66dB的频谱仪可以测出0.1%的m值。频谱仪法特别适于小调幅度的测量，并能同时测出非线性失真。 也可以借助标记功能直接测量调幅度：利用双标记（Marker）进行相对幅度测量，可得载频与边频的幅度之比，再换算得到调幅度。,9.6.3 调频信号测量,测量原理 除了调频度的定义式外，调频波的调制信号电压幅度uf与调制信号频偏f有下列关系：,其中a为比例系数。测出uf即可得到f；当f0已知时，只要测出mf、f中的任何一个，即可求得另一个值。,测量方法,鉴频器法 先用鉴频器对调制信号解调，然后用峰值检波器检出Uf，并根据公式f=auf直接读出频偏f，因此可进一步根据定义式计算得到调频系数mf。此法广泛用于直读式频偏表中。 使用脉冲鉴频器测量可以获得更大的线性鉴频范围，测量精度也可达到较高。,测量方法（续1）,极值法 使用搜索振荡器找出已