第8章频域测量PPT课件

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1、8.1 线性系统幅频特性的测量 正弦稳态下的系统函数或传输函数 )(jK就反映了该系统激励与响应的关系 )()()()()(jiOeKjUjUjK式中， )(K也可写成 )( fK，就是下面要测量的幅频特性。 )(是相频特性本节不讨论。 )( fKf)( fKf第1页/共70页 静态频率特性测量-点频法 点频法就是“逐点”测量幅频特性的方法，注意明确被测电路和选用相应仪器。 f0K( f )f特点：所测出的幅频特性是我们需要的电路系统在稳态情况下的静态特性曲线。但由于要逐点测量，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连续，可能遗漏掉某些特性突变点。这种方法一般只用于实验室测试研究；若用于生产线则效

2、率太低了。 如果能够在测试过程中，使信号源输出信号频率能自动地从低到高连续变化并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，就可自动地描绘出幅频特性曲线。 第2页/共70页 动态频率特性测量扫频法 1.扫频法的工作原理 扫频法可以实现频率特性的自动测绘，而且不会像点频法那样遗漏掉某些细节的问题。更值得注意的是，扫频法是在一定扫描速度下获得被测电路的动态频率特性，这比较符合被测电路的实际应用情况。 扫频仪 = 扫源 + 示波器第3页/共70页2.动态频率特性 随着扫描速度的提高，频率特性将扫频方向偏移，如图8.3所示。图中为静态特性，、为依次提高扫速时的动态特性曲线。可以看出动态频率

3、特性有以下特点： (1)顶部最大值下降； (2)特性曲线被展宽； (3)扫速愈高，偏移愈严重。 图8.3 动态特性曲线 其原因是由于通常与频率特性有关的电路，实际上是由动态元件L、C等元件组成的(如调谐电路)，信号在其上建立或消失都需要一定的时间，扫频速度太快时，信号在其上来不及建立或消失，故谐振曲线出现滞后且展宽，出现了“失敏”或“钝化”现象。 第4页/共70页3. 扫频信号源1)扫频信号的产生方法 磁调电感：通过改变低频磁心的导磁系数改变振荡回路中高频线圈的电感量 ，适用于几十到几百MHz的频段。 变容二极管电调扫频：变容二极管是PN结电容随外加偏置电压高低变化，PN结电容Cd与反向偏置电

4、压U成反比。 合成扫频源：通过软件使扫频源按照一定的频率间隔和停留时间，将输出频率依次锁定在一定范围内的一系列频点上，达到扫频效果。 常用于微波频段 ，覆盖高达10倍频程、扫频线性好 YIG电调扫频：YIG是一种单晶铁氧体材料钇铁石榴石的简称，具有铁磁谐振特性将YIG做成小球，置于直流磁场H0内，产生铁磁谐振，谐振频率（单位MHz）为 =0.0112 H0第5页/共70页2) 扫频信号的技术特性有效扫频宽度：即扫频源输出的扫频线性和振幅平稳性均符合要求的最大频率覆盖范围， 21012()/2ffffff 0时，称为窄带扫频； 0时，称为宽带扫频 扫频线性：表示扫频振荡器的压控振荡器的压控特性曲

5、线的非线性（或线性）程度，可以用线性系数表征 振荡平稳性：通常用扫频信号的寄生调幅表示。调幅系数为2121100%AAAAMA212A10max0min(k )线性系数(k )第6页/共70页 扫频仪举例BT-3型频率特性测试仪 BT-3型扫频仪主要用来测试宽带放大器、雷达接收机的中频放大器、电视接收机的视频率特性及鉴频器特性，是一种较为典型的频率特性测试仪，其框图如图8.4所示。 1.BT-3扫频仪的主要技术性能： (1)中心频率：在1MHz300MHz内可任意调节，分1MHz75 MHz、75MHz150MHz、150MHz300MHz三个波段； (2)扫频频偏：最大频偏7.5MHz(屏幕

6、水平可视范围）； (3)扫频信号输出：输出电压0.1V（有效值），输出阻抗75； (4)寄生调幅系数：最大频偏时7.5%； (5)调频非线性系数：最大频偏时20%； (6)频标信号：1MHz、10MHz和外接频标三种。 第7页/共70页BT3C-A型频率特性测试仪扫频信号输出端检波探头第8页/共70页第9页/共70页2.中心频率和扫频范围 本扫频仪工作时是以某中心频率为中心进行扫频的。 现以第波段为例说其工作情况，中心频率是人工手调振荡回路中的可变电容C，例如图中调到100MHz。扫频是扫描电流IM作用于调制线圈LC使振荡频率在100MHz中心频率的基础上产生7.5MHz 的频偏，即扫频范围最

7、大只有15MHz。 100MHz75MHz150MHzfofLCIMIMC92.5MHz107.5MHz第10页/共70页3.频标产生的原理 图8.4框图右侧给出了频标产生电路的组成，现以1MHz频标为例进行说明。 图8.6 频标的形成过程100.02MHz99.98MHz1MHz振荡信号的100次谐波100MHz图8.7 加有频标的波形(b)(a)第11页/共70页4.扫描信号与回扫处理 本仪器为简化设计，节约成本，是利用50Hz市电降压后用来做扫描信号的。本仪器是采用在回扫期间令振荡停振的办法（原理框图中的“截止脉冲形成电路”即是加扫频振荡器的停振信号） 第12页/共70页扫频仪举例2-S

8、A1030数字式频率特性测试仪 1. SA1030全数字频率特性测试仪主要技术指标频率范围：20Hz30MHz（幅频），5kHz30MHz（相频）扫频方式：线性扫描、对数扫描、点频扫频输出平坦度：小于0.5dB扫频非线性：小于10%带宽：250Hz30MHz 2. 组成原理扫频信号源：合成扫频源是通过软件使扫频源按照一定的频率间隔和停留时间，将输出频率依次步进锁定在一定范围内的一系列频点上，达到扫频效果检测单元：幅度检测载波信号经二极管峰值检波转换成电压信号；相位检测采用乘法型，能实现精确的相位平衡 显示单元：TFT彩色液晶屏显示，显示分辨率：250200点。 第13页/共70页应用举例 R

9、C R C R C/2 Ui Uo R/2 C Ui Uo R C (a) (b) 用该仪器测试一个比较典型双T型四端型RC选频网络频率特性的实例。网络带阻滤波器，在 处的增益 ，且相位移为0。 12ofRC0G第14页/共70页介绍几种典型扫频仪的技术参数供参考( 见表8.1)。表8.1 几种典型扫频仪的技术参数 公司公司型号型号频率范围频率范围扫频范围扫频范围不平坦不平坦度度石家庄无线电石家庄无线电四厂四厂（数英电子）（数英电子）SA1051300全数全数字式字式频率特性测试仪频率特性测试仪20Hz5、30、50、100、140、300 MHz20Hz300MH内幅频、相内幅频、相频特性频

10、特性全程扫，相位范围全程扫，相位范围180180 0.5dB徐州隆宇徐州隆宇LY126111000MHz2600 MHz 0.25dB徐州隆宇徐州隆宇BT3-3S1300MHz1100MHz 0.5dB徐州隆宇徐州隆宇LY1230B20Hz 2MHz宽扫：全景、窄扫：宽扫：全景、窄扫：0.010.01maxmax5%南京涌新南京涌新11000MHz5600 MHz1dB上海群尚上海群尚BT-3SE天水庆华天水庆华11000MHz全景、宽扫、窄扫、点扫全景、宽扫、窄扫、点扫 0.5dB第15页/共70页 8.2 微波网络分析仪（简介）微波网络，是对实际的物理实体所进行的数学抽象。虽然不能研究元件

11、内部各点的场强，但微波元件的作用是通过它对微波信号的传输特性来表征的，而这一传输特性可用网络来表示（见图）。因此，当网络输入端的电压、电流及输出端的电压、电流之间的相互关系已知时，微波元件的特性也就完全确定了。 双端口网络外部特性参数有多种，应用最多的是散射参数S。 微波网络分析仪主要用来测试网络的S参数。分为： 标量网络分析仪：只对S参数的幅值进行测量。 矢量网络分析仪：具有定量测试矢量（幅值、相位）的能力。 第16页/共70页8.3 频谱分析仪的概述 信号的时域与频域分析 信号的时域和频域特性在数学上可表示为一对傅里叶变换关系： deFtftj)(21)( )( )j tFf t edt图

12、8.25 时域与频域观测之间的关系（8.11） （8.12） 第17页/共70页示波器和频谱仪是从不同角度观测同一个电信号，各有不同的特点。示波器从时域上容易区分电信号的相位关系，如图8.26中(a)是基波与二次谐波起始峰值对齐的合成波形（线性相加）；(b)是基波与二次谐波起始相位相同合成的波形，两者合成波形相差很大，在示波器上可以明显地看出来。而在频谱仪上仍是两个频率分量，看不出差异。但是，如果合成电路（如放大器）有非线性失真，即基波和二次谐波信号不能线性相加，两者则有交互作用，像混频器一样会产生新的频率分量，这在示波器上难以觉察到，而在频谱仪上则会明显看到由于非线性失真带来的新的频谱分量。

13、可见，示波器和频谱仪有各自的特点，并起到互为补充的作用。 图8.26 不同相位合成的波形(a)(b)第18页/共70页 频谱仪的主要用途现代频谱仪有着极宽的测量范围，观测信号频率可高达几十GHz，幅度跨度超过140dB。 故使频谱仪有着相当广泛的应用场合，以至被称为射频万用表，成为一种基本的测量工具。目前，频谱仪的主要应用于如下一些方面： 1.正弦信号的频谱纯度 2.调制信号的频谱 3.非正弦波（如脉冲信号、音频、视频信号）的频谱 4.通信系统的发射机质量 5.激励源响应的测量 6.放大器的性能测试 7.噪声频谱的分析 8.电磁干扰的测量 第19页/共70页 频谱仪的分类 频谱仪从工作原理上可

14、分为模拟式与数字式两大类。模拟式频谱仪是以模拟滤波器为基础的；数字式频谱仪是以数字滤波器或快速傅里叶变换为基础的。分类如下： 模拟式 实时-并行滤波法 顺序滤波法 非实时 可调滤波法 扫频外差法数字式数字滤波法快速傅里叶变换（FFT）计算法 第20页/共70页 频谱仪的工作原理 1.模拟式频谱仪 思路： 我们一起来设计频谱仪 f0f0+Fff0+Ffff移动滤波器滤波器不动上面移动频谱方案一：并联滤波法方案二：移动滤波法方案三：扫频外差法逆向思维设计思想成功的典范： 改变滤波器来找频谱是以百变对应万变，难度自然大，而扫频外差法是将频谱逐个移进不变的滤波器是以不变对应万变。 第21页/共70页电

15、路： 图8.27 并行滤波频谱仪方案 图8.28 顺序滤波频谱仪方案图8.29 可调滤波频谱仪方案图8.30 外差法频谱仪方案第22页/共70页2.数字式频谱仪 数字滤波法：是仿照模拟频谱仪，用数字滤波器代替模拟滤 波器，如图8.31所示。图中，数字滤波器的中心频率可由控 制/时基电路使之顺序改变。 所谓数字滤波，其主要功能是对数字信号进行过滤处理。由于输入/输出都是数字序列，所以数字滤波器实际上是一个序列运算加工过程。与模拟滤波器相比它具有滤波特性好、可靠性高、体积小、重量轻、便于大规模生产等优点。但是，目前数字系统速度还不够高，故在使用上还有局限性。 图8.31 数字滤波式频谱仪方案 第2

16、3页/共70页 快速傅里叶（FFT）分析法：是一种软件计算法。现已有专门的FFT(快速傅里叶)计算器，将它与数据采集和显示电路相配合，则可组成频谱仪，如图8.32所示。 通常采用DSP（Digital Signal Processor）数字信号处理器来完成FFT的频谱分析功能。在速度上明显超过传统的模拟式扫描频谱仪，能够进行实时分析。 应当指出，通常应用的大多是外差式模拟频谱仪。较好的现代频谱仪则采用模拟与数字混合的方案。纯数字式FFT频谱仪目前主要用于低频段，但随着数字技术的进步，数字式频谱仪有着很好的发展前景。 图8.32 快速傅里叶变换式频谱仪方案 第24页/共70页8.4 超外差式频谱

17、分析仪 基础知识：超外差接收机（收音机、电视机、通信、雷达等接收机） 本 地振荡器何谓？外差：早期电台同发fs、fL超外差：fL移入接收机本振：fL成了本地振荡器fs混 频 器中 频放大器检 波 器放大器高 频调 谐 电路fL决定选择性第25页/共70页工作原理 现以一个具体的例子来说明扫频外差频谱仪的工作原理。 699tf0-Ff0700f0+F701f0F图8.33 调幅波及其频谱图混频器窄 带滤波器检波器放大器对 数扫 频本 振锯 齿电压波 15HzfI =60KHz频谱仪=超外差接收机+示波器外差式频谱仪的原理可以简述为：扫频的本振与信号混频后，使信号的各频谱分量依次地移入窄带滤波器，

18、检波放大后与扫描时基线同步显示出来。其要点是移频滤波。 第26页/共70页 实例1：BP-1型频谱仪 是国产的早期产品，性能指标不高，用它讲解原理比较简明易懂。 变频器M0(+)2.35.3MHz100Hz3MHz3MHz6MHz3MHZ30MHz被测信号100Hz30MHz(设fs =10MHz 1KHz标准调幅波)fs10MHz第一混频M1()第二混频M2()第三混频M3()窄 带滤波器检 波对数放大垂直偏转系统第一本振第二本振第三本振扫 描发生器水平偏转系统36MHz5MHz700kHz60kHz60kHzWyABCD15MHz4.3MHz6,30,150Hz76015kHzWx0.20

19、.3S图8.35 BP-1 频谱仪原理框图K2K11122第27页/共70页从图中可以看到以下特点： 1.多级变频 从框图可以看出频谱仪主要电路是一台超外差接收机。为了提高分辨频谱能力，则要提高接收机的选择性，而决定选择性的通频带： Qff （8.13） 谐振回路的Q值提高较困难，故欲使 f减小，主要措施是降低信号频率f，因此要通过多次变频将被测信号的频谱搬移到较低的中频上，这样窄带滤波器才容易实现。 第28页/共70页现以被测信号为10MHz的标准调幅波来说明其工作过程。第三本振是扫频的，它将三根谱线依次地移入窄带滤波器（即第三中频放大器），它的带宽有6、30、150Hz三档可选。 tttt

20、uAuBuCuD000000004.31kHz1kHz1kHz1kHz10MHz5MHz700kHz60kHzffff(MHz)(MHz)(KHz)(KHz)1510576015700606030Hz|A|A|A|A|图8.36 BP-1各点波形图第29页/共70页2.多级放大 在多级变频的同时，实际上信号也是经各级中频放大的，其主要目的是要提高频谱仪的灵敏度，以便能测量微弱信号的频谱。BP-1的灵敏度是：1mV20mV。 3.对数放大 检波后的视频放大器通常串入对数放大器，其目的是防止被测信号较强时使放大器饱和，提高抗过载能力，使频谱仪输入信号具有较大的动态范围，可以同时显示大小信号的频谱。

21、 4.磁偏转光栅显示 BP-1型频谱仪没有采用静电偏转式示波管，而是采用黑白电视机中的磁偏转光栅显示9寸显像管，以获得较大显示屏幕。 UiUo饱和（过载）第30页/共70页应当指出，BP-1型频谱仪是早期的产品，为了易于扫频和获得较高的分辨率，设计在第三本振进行扫频，通常称为“扫中式”。若在第一本振进行扫频，可以在更宽的频率范围内看到更多的信号频谱，通常称为“全景式”。早期全景式频谱仪(例如BP-12型频谱仪)为了看全景频谱分布，而看不清楚各频谱内的谱线结构。但是现代频谱仪，由于电子技术的进步，大多采用“全景式”方案，而分辨率可以做得很高。 以上通过BP-1型频谱仪介绍了频谱仪的组成原理，它和

22、现代频谱仪相比在组成原理上类似，只不过现代频谱仪在具体电路技术上更先进一些。例如，本振电路都采用了锁相技术或频率合成技术，大大提高了本振频率稳度指标，同时中频滤波器的通带也可以做得很窄，使频谱仪的性能大为改善。 第31页/共70页 实例2：AV4032系列频谱仪 它是一台由微处理器控制的外差式频谱仪。从电路原理上讲它是一种采用了三次变频技术的超外差接收机，频率范围9kHz26.5GHz，本振采用了跟踪锁频技术。 谐波混频基波混频预选器图8.37 频谱仪原理框图9kHz2.95GHz2.726.5GHz3.9214GHzf1LO=36.8GHzf2LO=Nf1LO21.4MHz321.4MHz3

23、21.4MHz第32页/共70页下面对框图中几个主要电路进行说明。 1.输入衰减器 这是一个070dB，以10dB步进的程控衰减器。主要用途是扩大频谱仪的幅度测量范围，使幅度测量上限扩展到+30dBm。它不但用于防止第一变频器过载，而且用于优化混频器电平以实现最大的测量动态范围。该衰减器的默认状态设置是10dB，用于改善频谱仪和被测源之间的匹配。 2.低通滤波器-为抑制高频镜频干扰 fsfLfIffsfI镜频干扰混频中放本振fLfIfs低通低通第33页/共70页本机低波段频率范围为9kHz2.95GHz，第一中频F1IF=3.9214GHz，加入低通滤波器可以有效抑制镜像频率干扰。 图8.38

24、 加入低通滤波器可以有效抑制镜像的原理从图中可以看出，若在第一变频器前没有加入低通滤波器，高波段的信号中与低波段镜像对应的频谱分量，也能与第一本振混频进入第一中放，成为镜像干扰。 第34页/共70页3. 预选器YTF（YIG tuned filter 钇铁柘榴石调谐滤波器） 类似超外差接收机高频调谐电路（双联电容）作用，也是为抑制干扰。 预选器YTF扫频本振YTO谐 波混频器Nf1LO步进扫描随 本 振 扫 描同 步 预 选 ，每 次 只 出 一个中频F2IF=312.4MHz高波段2.726.5GHz预选器的引入将极大地抑制镜像和多重响应，带外抑制可达到70dB90dB。同时也可改善二次谐波

25、失真和频率间隔较宽的三阶交调失真的动态范围。 第35页/共70页4.调谐方程和频率参数 低波段：信号频率FRF=9kHz2.95GHz F1LO+FRF=F1IF=3.9214GHz（教材堪误，这里是用上变频，得高中频） F1IF-F2IF=F2IF=321.4MHz 高波段：信号频率FRF=2.7GHz26.5GHz N*F1LO-FRF=F2IF=321.4MHz 式中：N为谐波混频次数；F1LO为第一本振频率；F2LO为第二本振频率。 第三中频：F3IF=21.4MHz 该仪器具有自校准、自适应、自诊断、自动搜索、自动跟踪、最大保持、峰值检测、快速傅里叶变换（FFT）、存储/调用、带宽测

26、试、交调测试等一百多种功能。还备有存储卡，可以方便地存储或调用测试数据及测试程序。 第36页/共70页为了充分达到一机多用，该系列频谱仪可以加上准峰值检波选项进行电磁兼容（EMC）性测试；加上跟踪信号发生器选项进行网络测试；加上外混频和扩频选项实现上限为110GHz的扩频测量；还可进行有线电视（CATV）测试、数字移动通信（GSM900）测试、无绳电话（CT2）测试等。 应当指出，现代频谱仪将外差式和FFT两种技术结合起来，前端仍然采用传统的外差式结构，而中频处理部分采用数字结构，中频信号由A/D量化，FFT则由通用微处理器或DSP实现。这种方案充分利用了外差式频谱仪的频率范围和FFT优秀的频

27、率分辨率，使得在很高的频率上进行极窄带宽的频谱分析成为可能，整机性能大大提高。例如，Agilent E4440A型频谱仪，频率范围f=3Hz26.5GHz，分辨带宽可做到1Hz。 第37页/共70页8.5 实时频谱分析仪（RTSAReal Time Sprctrum Anaiyzer）上述扫频外差式频谱分析仪是属非实时频谱仪，它要求被测信号相对稳定不变才能让扫频的本振与被测信号差频依次地将被测信号的各频谱分量移入窄带滤波器，然后与扫描锯齿波同步加往显示器则在屏幕上看到各频谱分量。 （a）（b）kFkaFkFk概述 如果被测信号是迅速动态变化的，则在慢速的扫频过程中可能漏掉某些频谱分量。 实时频

28、谱分析仪能选取射频信号中要分析的某一频段（即实时采集带宽，也称跨度），把信号无缝地捕获到内存中，然后通过DSP在多个域（时域、频域、调制域等）中分析信号，从而可以可靠地检测到随时间变化的射频信号的特点。 实时频谱分析仪是先将要分析的信号快速采集（捕获到动态信号频谱）到内存中，然后用软件分析其频谱等特性。第38页/共70页图8.46 典型的实时频谱分析仪（RTSA）的组成原理图衰减器射频变换器低通滤波器带通滤波器混频器中频放大器可变分辨度带通滤波器A/D存储器DSP触发器频域显示时域显示调制分析显示频谱显示编码显示中心频率控制频率跨度控制本振控制本地振荡器扫描工作原理1.系统组成原理 被测信号通

29、过信号调理（图中以衰减器表示）后加入低通滤波器，以滤除镜频干扰信号。然后与扫频的本振混频，得到中频信号IF，经中频带通滤波后加往A/D，转换为数字信号，然后传送到DSP（数字信号处理器）上，DSP负责管理仪器的触发、内存和分析功能。 第39页/共70页图8.47 样点-帧-块三层级结构示意图FFTFFTFFTFFT点块帧图8.48 显示模块采集模式示意2.数据的捕获与存储（样点帧块三层级结构）点A/D采集时域信号是一个样点接一个样点采集的（样点的时间间隔决定于采样速率和采集的频率范围），每个样点包含有幅度和相位信息的I/Q对。 帧由一批整数个（如1024个）连续样点组成，是可以用快速傅立叶变换

30、（FFT） 块由许多无缝连接的相邻帧组成。块的长度 (也称为采集长度)是一个连续采集表示的总时间。 第40页/共70页RTSA当前主要应用于以下场合：模拟和数字调制信号质量分析；理解测量期间频率和频谱占用特点；捕获和检定不想要的信号、未知信号或干扰信号；测量设备/系统设计或运行诊断测量；解决难以捕捉的EMI 问题；VCO/ 合成器设计、RFID 设备检定；通用数字调制矢量信号分析、频谱监测、雷达测量等领域。时间频率幅度帧图8.50 动态信号频谱图3. RTSA中的数字信号处理技术（DSP）时域的中频（IF）样点数据包含了射频信号的幅度、相位等信息，通过DSP技术可以进行多域分析。 5. 频谱图

31、显示直观地显示了频率和幅度怎样随时间变化。 捕获到动态频谱4.实时触发在采集存储过程中选取信号的标志，以便灵活地选择要分析的“窗口”。 第41页/共70页8.6 频谱仪的主要技术特性 本节就几项主要技术特性来说明其含义，及它们之间的相互关系。由于频谱仪主要组成部分是超外差接收机，因此其主要技术特性类似接收机指标，即选择性、灵敏度、动态范围等技术参数。 选择性 接收机的选择性是表示选择有用信号的能力。在频谱仪中则表明选择信号频谱的能力，习惯上用频谱分辨率来表示选择性的优劣。顾名思义，频谱分辨率是指能把靠得最近的相邻两个频谱分量（两条相邻谱线）分辨出来的能力。从上节介绍的频谱仪工作原理知道，分辨率

32、高低主要取决于窄带中频滤波器的带宽。但要深入一步建立分辨率的概念和了解影响因素，还需进一步进行分析讨论。 第42页/共70页1.分辨率的定义 首先，明确一下在频谱仪显示屏上看到的频谱图是被测信号的谱线，还是中频窄带滤波器的幅频特性的图形？ 例： fL - fs = fI 760 700 = 60 kHz 760.010-700=60.010 kHz 760.015-700=60.015 kHz 760.020-700=60.020 kHz 。60.01515HzfI =60KHz是扫频的本振使信号频谱分量依次移入窄带滤波器的。实际上也是信号逐渐地扫过窄带滤波器的，这相当于用扫频信号测绘窄带滤波

33、器的幅频特性。 频谱仪屏幕上显示的是以信号谱线为中心的窄带滤波器的幅频特性曲线。 第43页/共70页频谱仪的分辨率主要取决于中频窄带滤波器频率特性的带宽，通常带宽由-3dB点和-60dB点描述，带宽越小，分辨率越高。 分辨带宽RBW（-3dB带宽）：窄带滤波器的-3dB带宽用于区别两个等幅信号的最小频率间隔的能力。 -60dB带宽：窄带滤波器的-60dB带宽用于区别两个信号幅度不等的情况，通常把两个相邻频谱分量幅度相差60dB时的分辨率称为裙边分辨率，它主要取决于滤波器-60dB通带宽度，故用B60dB。 第44页/共70页形状因子：为了描述滤波器频率选择特性的优劣，把滤波器在-60dB处的带

34、宽与-3dB处带宽之比称为滤波器通带特性的形状因子中FF： FF=（B60dB）/B 形状因子FF也称滤波器的选择性或矩形系数，FF的理想值应为1。但老式频谱仪的FF=25/1，现代频谱仪中所设计的模拟滤波器幅频特性呈高斯分布，可做到FF=15/111/1。 在一些新型频谱仪中运用了数字滤波器，其响应速度快，选择性好，形状因子可以达到FF=5/1，即Q值高。 频谱仪的分辨率反映出频谱仪的档次高低，经济型的为1kHz3MHz；多功能中档型为30Hz3MHz；高档型的为1Hz3MHz。主要看低频值，多数频谱仪的分辨带宽均是以1、3、10序列步进，实际上也可以设计成连续变化的。 BB60dB第45页

35、/共70页2.动态频率特性与自适应关系 上述分辨率实际上是中频滤波器的静态分辨率，当扫频速度非常快时，其谐振曲线出现滞后与展宽，出现了“失敏”或“钝化”现象。因此，要掌握好扫频速度，否则频谱仪的分辨带宽被展得太宽，使频谱分辨率变差。 因此，频谱仪要求使用者正确选择好静态分辨带宽和扫频速度，而扫频速度要靠选择好扫频范围（通常称为跨度“SPAN”）和扫描时间（ST），以达到动态分辨带宽为最佳值，为了保持正确的读数状态应遵循： 扫描时间（ST）= k 2SPANRBW（RBWVBW） （8.15） 第46页/共70页式中K为比例因子，取值与滤波器的类型及其响应误差有关。对4级或5级级联的模拟滤波器，

36、K取2.5；对高斯数字滤波器，K可取1甚至小于1的值。 VBW是频谱仪的后级视频带宽。当视频带宽小于分辨带宽时，所需的最小扫描时间受限于视频滤波器的响应时间。视频带宽越宽，视频滤波器响应或建立时间越短，扫描时间相应也越短。视频带宽与扫描时间之间成线性反比，视频带宽减小n倍，扫描时间增加n倍。 （8.15）表明在一定的扫频宽度下，分辨带宽越窄，要求的扫 描周期越长，但是扫描周期太长就使测量速度慢。例如选SPA N=1MHz的扫频宽度，BW=100Hz的分辨带宽，所需的扫描周 期至少为100s，这样的测量速度太慢了，因此就要减小扫频宽 度，缩短扫描周期。总而言之，要选择既满足扫频宽度要求又 满足分

37、辨带宽要求的最快的扫描周期。 早期频谱仪要求使用者正确选择好静态分辨带宽和扫频速度，以达到动态分辨带宽为最佳值，这给初次使用者带来了困惑与不方便。 第47页/共70页现代频谱仪由于采用了计算机管理，具有自适应算法，CPU根据当前跨度SPAN的大小为用户选择适当的分辨带宽RBW及视频带宽VBW，再由以上参数决定当前的扫描时间ST，通过调节扫描时间来维持一个经校准的显示。也就是说现在的频谱分析仪大多能自动配置扫描时间,根据选取的扫频宽度和分辨力带宽自动地选择最快的可允许扫描时间。 3.影响分辨率的因素 上述窄带中频滤波器带宽是决定分辨力的关键因素，但实际上影响分辨力的还有其它多种因素，主要的有两项

38、: 1)本振的稳定度 本振，特别是第一级本振影响最大。通常是电调谐电路，加到这些电极上的电压是或多或少带有一定纹波的直流电压,其输出频谱是频率抖动的。对于这样的输出频谱,称为振荡器的剩余调频(residual )。剩余调频会模糊信号，以至于两个信号不能被分辨出来。这意味着频谱分析仪的剩余调频决定了最小分辨力带宽，决定了频谱仪的最高分辨力。 第48页/共70页图8.42 本振剩余调频对分辨力的影响 图8.42给出了本振剩余调频对分辨带宽的影响情况，当分辨带宽较大时（图中3kHz时）看不到剩余调频的影响，只有当分辨带宽接近剩余调频最大频偏时（如图中1kHz、100Hz时）影响才会显示出来，使滤波器

39、响应曲线边缘粗糙不规则，如果滤波器再变窄，还会出现更多的尖峰，使信号无法分辨。 2)本振的相位噪声 频谱仪本振频率稳定度还会受到噪声干扰的影响，使其相位随时间起伏变化，称为相位噪声。在频域（频谱仪上）其相位噪声（也称边带噪声）会在各频谱分量的两边出现，如图8.43所示。图中小信号被相位噪声掩盖影响了分辨率。这些噪声边带影响大信号附近小信号的分辨率。 第49页/共70页综上所述，频谱仪的分辨率主要用分辨带宽RBW表征，高档的已做到1Hz。通常在1Hz3MHz范围内按1、3量级步进。 图8.43 本振相位噪声对分辨力的影响大信号相位噪声小信号选择性1.分辨率分辨带宽RBW：（-3dB带宽）、裙边分

40、辨率：-60dB带宽、形状因子2.动态频率特性与自适应关系3.影响分辨率的因素 1)本振的稳定度 2)本振的相位噪声第50页/共70页 灵敏度 灵敏度是表示接收微弱信号的能力，而限制接收机灵敏度提高的主要因素是内部噪声电平。 频谱仪在不加任何信号时也会显示噪声电平，这个显示平均噪声电平DANL（Displayed Average Noise Level）通常称为本底噪声（Noise Floor）。本底噪声在频谱图中表现为接近显示器底部的噪声基线。因此，被测信号若小于本底噪声则测不出来了。 本底噪声是频谱仪自身产生的噪声，其大部分来自中频放大器第一级前的器件与电路的热噪声，且是宽带白噪声。而频谱

41、仪的分辨带宽只允许通过一小部分噪声能量到包络检波器及视放去。因此，本底噪声大小与分辨带宽有关。 第51页/共70页频谱仪灵敏度定义为：在特定的分辨带宽下，或归一化到1Hz带宽时的本底噪声，常以dBm为单位。一般数量级为：-100 -150dBm。 灵敏度常常也用最小可测的信号幅度来表示，其数值上等于显示平均噪声电平DANL。因为这时信号功率等于平均噪声功率，显示器上的功率电平被加倍（增加3dB）。信号将高出噪声3dBm，如图8.44所示。 通过上述讨论，可以得到两个重要结论： (1)若提高灵敏度，即降低最小可测信号，要求频谱仪必须降低内部噪声电平。 (2)减小分辨带宽，可以降低内部噪声电平，图

42、8.44(b)给出了分辨带宽减小10倍，噪声电平下降10dB的示意图。故减小分辨带宽，可以提高了灵敏度。但减小分辨带宽会大大增加测量的时间。 第52页/共70页(a) 与噪声相同的两个信号功率 之和在噪声中形成-3dB波峰(b) 分辨带宽降低10倍，噪声 电平下降10dB图8.44 噪声电平信号与噪声相同减小带宽减小噪声第53页/共70页 动态范围 动态范围是表征频谱仪同时测量大小信号的能力，用最大信号与最小信号之比的dB值表示。 maxmin20lgADA dBAminAmaxf影响动态范围的因素： 混频器的内部失真-限制了Amax 内部噪声电平-限制了Amin 本振的噪声边带-限制了Ami

43、n 第54页/共70页1.混频器的内部失真-限制了最大信号电平 由专业基础课程知道，混频器是一个非线性电路，但当满足条件： usuL 在这很小的电压范围内混频二极管静态特性的斜率可以近似看成是直线，这时us、uL基波混频输出的中频电压的大小就近似与高频信号电压振幅成正比，这也就是变频过程中虽有频谱变换，但输出中频频谱的结构与输入高频频谱的结构没有相对的变化，即没有失真。但是，当高频信号电平加大时，上述近似线性条件不成立，混频中高次谐波的影响加剧，使输出中频频谱不同于输入高频信号的频谱，则在混频器内部产生了失真。尤其是二次、三次谐波的失真影响更严重，称为2阶、3阶失真。2阶失真以基波功率增量的平

44、方增加，3阶失真则以立方增加。因此，为减小混频器内部失真，输入高频信号不能太大，故影响了频谱仪的动态范围。 第55页/共70页2.内部噪声电平-限制了最小信号电平 因为动态范围是最大与最小可测信号幅度之比，内部噪声电平则限制了最小信号，故也将噪声电平称为噪声门限。 通常噪声电平的测量是通过使频谱仪工作在最大的增益状态和最小的分辨带宽情况下得到的，而且噪声电平是带宽的函数。当分辨带宽减小10倍，噪声电平下降10dB。例如： 分辨带宽从10kHz变为1kHz时， 噪声电平变化（dB）=10lg（1kHz/10kHz）= -10dB 应当注意，这些测量都是在频谱仪输入衰减量为0dB（最大灵敏度）下进

45、行的。这实际上就是频谱仪测量最小信号的能力。 图8.45同时给出了动态范围与噪声电平和失真的关系。图中纵坐标为频谱仪内部产生的噪声或失真电平，以dBC（在混频器中低于信号电平的dB数，即噪声或失真信号/输入信号功率比），横坐标为频谱仪混频器工作信号电平（等于输入功率减衰减器衰减量），以dBm表示。第56页/共70页从图中可以看出，混频器最佳输入电平在-30 -40dBm时，对应纵坐标动态范围最大，可达-80dBC，这样可以得到最高的信噪比和最高的信号失真比，将使测量误差最小。 +30-60-300-100-80-60-40-20三阶0二阶最佳混频器工作电平1KHzBW10KHzBW显示噪声电平

46、最大二阶无失真动态范围点最大三阶无失真动态范围点混频器工作电平参考电平衰减器相位噪声(10KHz偏移)动态范围或信噪比dBc图8.45 动态范围与噪声电平和失真的关系失真信号与输入功率dBc第57页/共70页3.本振相位噪声限制了观测近端微弱信号的能力 在近端测试时(即测量点离信号载波较近时，如100kHz之内)，由于本振频率不稳定性引起的相位噪声影响时，动态范围还要变小，因为相位噪声边带限制了观测微弱信号的能力，图8.45也给出了近端测试动态范围受本振相位噪声影响的示意，原来只考虑10kHzBW与三阶失真时，动态范围可达-80dBC，图中虚横线表示计入本振相位噪声（10kHz偏移处）的影响后

47、，会将动态范围限制为-75dBC。 综上所述，频谱仪的应用要注意上述影响因素，以获得较大的动态范围。通常频谱仪的动态范围一般为70120dBC。 应当指出，频谱仪除了上述技术特性，还有输入频率范围、频率扫描宽度（SPAN）、频率精度及幅度精度等等性能指标，这里不一一介绍了。 第58页/共70页典型产品简介 表8.3给出了几种型号频谱仪的技术性能参数。 表8.3 几种型号频谱仪的技术性能 38万元公司公司型号型号频率范围频率范围分辩力带宽分辩力带宽灵敏度灵敏度动态范动态范围围幅度准确幅度准确度度Agilent（安捷伦）（安捷伦）PSA E4440A3Hz50GHz1Hz8MHz-170dBm18

48、8dB0.15dB0.15dBAgilent（安捷伦）（安捷伦）X-seriesN9020A/N9010A100kHz26.5GHz1Hz8MHz-156dBm173dB0.24dB0.24dB德国德国R&S（罗德与施瓦（罗德与施瓦茨）茨）FSU20Hz67GHz10Hz3MHz-123dBm100dB4dB4dBTektronixTektronix泰克泰克TEK2784100Hz40GHz3Hz3MHz-125dBm100dB5dB5dB电子电子41所所AV403150kHz22GHz1kHz3MHz-107dBm71dB3dB3dB电子电子41所所AV403330kHz26.5GHz1Hz

49、2MHz-140dBm71dB3dB3dB第59页/共70页8.6 频谱仪的应用频谱分析仪是一种综合性的、多功能的信号特性测试仪器，广泛地用于各学科，被誉为“射频万用表”。 由于频谱仪具有灵敏度高、频带宽等特点，在射频及微波频率下使用特别得心应手。例如，频谱仪一般可测量到微伏级微弱信号，而一般示波器只能测到毫伏级，一般频率计只能测到几十毫伏信号。频谱仪频率范围可从几kHz到几十GHz，而示波器频带高于几百MHz则很昂贵了。尤其是对信号的失真及调制信号的测试更显示其优越性，例如，信号5%的失真在示波器难以觉察，而在频谱仪上极小的失真都能看出来。 本节简要地介绍频谱仪的一些典型应用原理和方法。 第

50、60页/共70页频谱纯度(寄生频率分量和噪声)的测定 理想的正弦信号由它的幅度、频率、相位这三个参数来表征，在频谱仪上为一根谱线，频谱纯度非常好。但实际的正弦信号还应加上谐波含量、杂波含量、噪声含量、寄生调制、频率稳定度、幅度稳定度等寄生参数，因此实际正弦信号的频谱可能有如图8.46所示的图像。当频谱仪采用宽带线性扫频时，可以方便地识别被测信号的基波谱线和各次谐波谱线。若纵坐标选用对数刻度，调节频谱仪的增益使基波谱线高度等于0dB，那么各次谐波谱线所对应的纵轴刻度就是该次谐波的含量，例如图8.46中所示的二次谐波含量为-30dB，三次谐波含量为-40dB。 第61页/共70页调幅信号的测量 0

51、UUmMatf0FU0UMma的大小反映了调幅的深度，称为调幅系数。 单音调幅信号的频谱包含三个频率分量，一个是载波，另外两个对称地分布在载波两侧，称为边带分量，边带分量的幅度正好是调制信号幅度的一半，边带分量与载波分量的频率差正好是调制频率。 图8.47 已调幅信号的频谱图MARKER1.0KHZ-26dB1/2UM1/2maU0第62页/共70页1.扫频方法 当一个已调幅信号送入频谱仪时，频谱仪用扫频方法将会得到如图8.47所示的频谱图象。根据载波谱线与边带谱线之间的距离则可确定调制频率。调整频谱仪的增益，使载波谱线的高度为0dB，那么边带分量的幅度USi（dB）可以直接从边带谱线对应的纵

52、坐标读出，由此可求得调幅系数为 20102dBam （8.20） 例如，fm=1kHz，dB=26dB，则调制频率为1kHz，调幅度 %10am。 第63页/共70页2.时域方法 当扫频宽度SPAN减到零（零跨度），把中心频率调到被测调幅信号的载频，此时频谱仪实质上是一台调幅接收机，故荧光屏上显示的图象即是被测调幅信号检波后的包络(如图8.48)。这时，频谱仪就是一个频率可选择的示波器，带宽等于最宽的分辨率带宽。虽然其带宽比示波器小得多，但频谱仪可以对频率高达325GHz的时域测量。这是示波器无法做到的。 3.921GHz321.4MHz21.4MHz3MHz9kHz29.5GHz第一变频M1

53、(+)第二变频M2()第三变频M3()窄 带滤波器检 波对数放大第一本振扫 描发生器ABCD36.8GHz中手调的某点频30Hz3MHz扫频宽度SPAN减到零（零跨度）显示屏结论：零跨度下的频谱仪变成了一台中心频率可调的窄带示波器。第64页/共70页tf0FU0UPUvUM01()21()2PVPVMaPVPVUUUUUmUUUUU在频谱仪上可以检出调幅波，测出包络的峰值Up和谷值Uv则可知调幅系数为 pvpvvpvpaUUUUUUUUm/1/1（8.21） 例如：调制频率为100Hz，ma=10%的调幅信号用上述方法测量可得到两种曲线，如图8.48所示。 由图中得出：T10ms，XUvUP0

54、.818，fm=1/T=100Hz，根据式8.21计算得到： ma=(l0.818)/(l0.818)10。 UPUv第65页/共70页Tt 图 8.51 脉冲调制频谱分布图 Ff0-2 Ff0- Ff0 Ff0+ Ff0+2 脉冲调制信号的测量 矩形脉冲调幅信号的频谱如图8.51所示，合成产生的边带谱对称地分布在载波频率f0两旁，PRF为脉冲重复频率，T为脉冲周期。主瓣宽度是旁瓣的两倍，主瓣包络在离载频处过零（=1/，为脉冲宽度），谱分量间隔是脉冲重复频率PRF。用频谱仪可以测量载波频率f0、峰值脉冲功率PP、脉冲重复频率PRF、脉冲宽度，其中f0、PRF可以直接测量。频谱仪测试结果不包含相

55、位信息，所以谱分量全部是正向的。 脉冲频谱的测量分为宽带和窄带两种方法，主要由分辨率带宽内的谱线数目来决定。窄带测量时仅一根谱线在分辨率带宽内（即RBW1.7PRF）。 第66页/共70页 相位噪声的测量 相位噪声是信号源短期频率稳定度的表征，也是频谱纯度的一个重要度量指标。 图8.56 单边带相位噪声的定义本振信号AAcAPNfTfoff1Hzf使用频谱仪测量相位噪声是属于直接测量方法。在频谱仪显示的相位噪声信号是对称的，通常取单边信号称单边带相位噪声，如图8.56所示。其定义是指在载波频率的某一固定频偏处（如图中foff），在1Hz带宽内相对载波电平的幅度，单位为dBC（1Hz）或dBC/

56、Hz。按此定义测量相位噪声需 L（f）=APN/Ac 实际测量中由于噪声带宽不能保证是1Hz等原因，要对结果进行修正。 现代频谱仪为了简化相位噪声测量，可以使用标记（Marker）功能直接读出给定频偏处的相位噪声值，其中一些必需的计算功能已经被自动完成。 第67页/共70页图8.69 单边带相位噪声的定义L(f)P01Hz0PSSBfofofff第68页/共70页频域测量小结1.扫频仪(频率特性分析仪)的原理与应用： 线性系统频率特性的测量： 静态频率特性测量-点频法 动态频率特性测量-扫频法2.频谱仪(频谱分析仪)的用途、原理3.扫频外差式频谱仪的原理、特性4.频谱仪的主要技术指标： 选择性、灵敏度、动态范围5.频谱仪的应用： 1）正弦波频谱测量 2）调制信号测量 3）脉冲调制信号测量 4）复合信号频谱测量 第69页/共70页感谢您的观看！第70页/共70页