第7章频域测量课件.ppt

第七章 频域测量,7.1 频谱分析的基本概念7.2 频谱分析仪7.3 频谱分析仪的应用,频域测量的概述,频域测量是观测信号幅度或能量与频率的关系,是对频率特性参数进行测量,例如,分析信号的频谱,测量电路的幅频特性,频带宽度等。时域测量和频域测量是从不同的方面反映信号特征。,图7-1 信号的三维特性,图7-2 时域与频域的关系,根据实际应用的需求，频域分析和测量的对象和目的也各不相同，通常有以下几种：（1）频率特性测量：主要对网络的频率特性进行测量，包括幅频特性、相频特性、带宽及回路Q值等。（2）选频测量：利用选频电压表，通过调谐滤波的方法，选出并测量信号中某些频率分量的大小。（3）频谱分析：用频谱分析仪分析信号中所含的各个频率分量的幅值、功率、能量和相位关系，以及振荡信号源的相位噪声特性、空间电磁干扰等。,（4）调制度分析测量：对各种频带的射频信号进行解调，恢复调制信号，测量其调制度，如调幅波的调幅系数、调频波的频偏、调频指数以及它们的寄生调制参量。（5）谐波失真度测量：信号通过非线性器件都会产生新的频率分量，俗称非线性失真。这些新的频率分量包括谐波和互调。,7.1 频谱分析的基本概念,频谱分析实际上就是在频域中分析信号的频率分量的情况，通过对信号进行傅立叶变化，将信号表示成一个基波分量和许多谐波分量之和的形式，确定信号的频谱。频谱：广义上指组成信号的全部频率分量的总集。一般的频谱测量中常将随频率变化的幅度谱称为频谱。,频谱分析的公式,式中，A0/2为直流分量的大小，An为n次谐波分量的幅值，A1为基波分量的幅值，1为基波角频率，n为n次谐波分量的相位。,对于满足狄里赫利条件的周期信号，可将其展开为傅立叶级数，求出频谱图，即,频谱类型：离散谱（线状谱），连续谱。周期性信号的频谱是由一组离散的谱线组成的离散谱，其横坐标为谐波角频率n1。若每一谱线的高度反映谐波分量的幅值，则该频谱为幅值频谱；若每一谱线的高度反映谐波分量的初相角，则该频谱为相位频谱。,周期信号的频谱特性离散性：频谱是离散的，由无穷多个冲激函数组成；谐波性：谱线只在基波频率的整数倍上出现；收敛性：谐波幅度随着谐波次数的增大而逐渐减小。脉冲宽度与频带宽度重复周期变化对频谱的影响能量谱和功率谱,对于非周期信号，可以看成是周期为无限大的周期信号，由无限多的频率分量叠加而成，其频谱为连续谱，用傅立叶变化表示为,频谱密度函数F(j)是的连续函数，即非周期信号的频谱是连续的。f(t)为实函数时，F(j)=F*(-j);f(t)为虚函数时，有F(j)=-F*(-j)。无论f(t)为实函数或虚函数，幅度谱|F(j)|关于纵轴对称，相位谱e j()关于原点对称。,非周期信号的频谱,离散时域信号的频谱,序列付氏变换：以e j n作为完备正交函数集，对给定序列做正交展开。离散时间序列的频谱是周期性的(周期为2)。若离散序列是周期的，频谱一定是离散的，反之亦然；若离散序列是非周期的，频谱一定是连续的，反之亦然,7.1频谱分析的基本概念,2、系统频率特性的测量1）静态频率特性测量,图7-3 静态频率测量原理图与结果,2）动态频率特性测量,图7-4 动态频率特性测量原理图,2）动态频率特性测量,图7-5 动态频率特性测量结果,基本测量方法,1.点频测量法 点频法就是通过逐点测量一系列规定频率点上的网络增益（或衰减）来确定幅频特性曲线的方法，其原理如图所示。测量方法是：在被测网络整个工作频段内，改变信号发生器输入网络的信号频率，注意在改变输入信号频率的同时，保持输入电压的幅度恒定（用电压表I来监视），在被测网络输出端用电压表II测出各频率点相应的输出电压，并做好测量数据的记录。然后在直角坐标中，以横轴表示频率的变化，以纵轴表示输出电压幅度的变化，,将每个频率点及对应的输出电压描点，再连成光滑曲线的幅频特性曲线，即可得到被测网络的幅频特性曲线。,图7-6 点频测量法的原理图,图7-7 为点频测量法的结果曲线,点频测量的特点,所得频率特性是静态的，无法反映信号的连续变化；可能漏掉某些特性曲线的锐变部分以及失常点。,2.扫频测量法扫频测量法是是利用一个扫频信号发生器取代了点频法中的正弦信号发生器，用示波器取代了点频法中的电压表组成的。其基本工作原理如图6-3所示。图（7-8）中扫频信号发生器中的扫频振荡器是关键环节，它产生一个幅度恒定且频率随时间线性连续变化的信号作为被测网络的输入信号，通常称为扫频信号，如图7-8（b）中的波形。这个扫频信号经过被测电路后就不再是等幅的，而是幅度按照被测网络的幅频特性做相应变化，如图7-8（b）中的波形，这个包络线的形状就是被测电路的幅频特性。最后经过Y通道,放大，加到示波管Y偏转系统。扫描电路产生线性良好的锯齿波电压，如图7-8（b）中的波形。这个锯齿波电压一方面加到扫频振荡器中对其振荡频率进行调制,使其输出信号的瞬时频率在一定的频率范围内由低到高作线性变化,但其幅度不变,这就是前述的扫频信号。另一方面，该锯齿波电压通过放大，加到示波管X偏转系统，配合Y偏转信号来显示图形。示波管的水平扫描电压，同时又用于调制扫频信号发生器形成扫频信号。因此，示波管屏幕光点的水平移动，与扫频信号频率随时间的变化规律完全一致，所以水平轴也就变换成频率轴。也就是说，在屏幕上显示的波形就是是被测网络的幅频特性曲线。,图7-8 扫频测量法的结果曲线,扫频测量法具有以下优点：（1）可实现网络频率特性的自动或半自动测量，特别是在进行电路测试时，人们可以一面调节电路中的有关元件，一面观察荧光屏上频率特性曲线的变化，随时判明元件变化对幅频特性产生的影响，迅速调整，查找电路的故障。（2）由于扫频信号的频率是连续变化的，因此，所得到的被测网络的频率特性曲线也是连续的，不会出现由于点频法中频率点离散而遗漏细节的问题，且能够观察到电路存在的各种冲激变化，如脉冲干扰等，更符合被测电路的应用实际。,（3）扫频测量法测量简单、速度快，可实现频率特性测量的自动化，已成为一种广泛使用的方法。3.多频测量法多频测量是利用多频信号作为激励信号的一种频域测量技术。所谓“多频信号”，是指由若干频率离散的正弦波组成的集合。多频测量将这个“多频信号”作为激励，同时加到被测系统的输入端，并检测被测网络输出信号在这些频率点的频谱，在与输入进行比较之后就可以得到被测网络的频率特性。,4.广谱快速测量法当系统对非线性失真的要求较高时，可采用白噪声作为测量的激励信号。相频特性测量 在测量线性系统的相频特性时，以被测电路输入端信号作为参考信号，输出端信号作为被测信号，用相位计测量输出端信号与输入端信号之间的相位差。调节正弦波发生器输出信号的频率，用描点的方法可得到相位差随频率的变化规律，即线性系统的相频特性，如图8.3所示。,图7-9 线性系统的相频特性测量,7.2 频谱分析仪,一、信号的时域与频域分析,图7-9 频谱分析原理,图7-12 频谱分析,二、频谱仪的主要用途,1、正弦信号的频谱纯度2、调制信号的频谱3、非正弦信号的频谱4、通信系统的发射机质量5、激励源响应的测量6、放大器性能测试7、噪声频谱分析8、电磁干扰的测量,三、频谱分析仪的分类,常见的主要有：频率特性测试仪：主要用于电路频率特性的测量，如幅频特性、频带宽度、品质因数以及特性阻抗等 频谱分析仪：主要应用于测量信号的个谐波分量、频率及频率响应、谐波失真及噪声分析等 网络分析仪：主要用于测量电子网络的频率响应，包括对幅值响应、相位响应以及群时延的测量，在非线性，大功率网络的测试和分析中发挥着重要的作用。,四、频谱分析仪的工作原理,1、模拟式频谱仪,并行滤波频谱仪,顺序滤波频谱仪,并行滤波频谱仪,被测信号经过输入放大器后，同时加到并联的多个带通滤波器(BPF)上，这些带宽极窄的滤波器在同一时刻分别率出被测信号的不同频率分量，经检波器检波后，送到各指示器保持并显示。该类频谱分析仪能对信号进行实时分析，显示瞬变信号的实时频谱，测量速度快，动态范围宽，但各滤波器带宽固定，分辨力不能调节，且需要大量的硬件。,顺序滤波频谱仪,由电子扫描开关控制，轮流将各个滤波器的输出接到共用的检波器上，经放大后加到显示器垂直偏转板，和扫描发生器输出的水平偏转信号共同作用，按一定顺序对各个频率分量进行测量和显示。给类频谱分析仪共用检波及显示设备，对信号的测量实际上是以非实时方式进行的，主要用于周期和准周期信号的分析。若要保证测量结果与实时测量结果相同，可在各路滤波器后放置一波形存储器。,可调滤波频谱仪,扫频滤波频谱仪,扫频滤波频谱仪,此类频谱分析仪是在顺序滤波式频谱分析仪的基础上，用一个中心频率可电控调谐的带通滤波器取代带通滤波器组来进行各频率分量的测量。带通滤波器的中心频率自动地在信号的整个频谱范围内扫描，依次提取出被测信号的个频率分量，经检波和放大后加到显示器的垂直偏转板上。这类频谱分析仪结构简单，但可调带通滤波器不易满足通带较窄的要求，且调谐范围窄，频率特性也不均匀。主要用于被测信号较强，频谱稀疏的情况,2、数字式频谱仪,数字滤波式频谱仪 被检测信号经过低通滤波器滤波后，由采样保持电路和模数转换器实现从模拟量到数字量的转换，并送入数字滤波器进行滤波。数字滤波器输出的数字序列经有效值检波器检波后送显示器进行显示。在该类频谱分析仪中，数字滤波器的中心频率和采样保持器及模数转换器的工作状态由控制器控制。,快速傅立叶变换式频谱仪快速傅立叶变换器频谱分析仪利用快速傅立叶变换（FFT）技术，根据被测信号的时域波形直接计算出信号的频谱或功率谱。由于其频率上限受到模数转换器速度的限制，因此主要用于低频频谱分析。输入信号经过低通滤波器滤去信号中高于1/2采样率的频率，消除潜在的混叠成分后，由采样电路和模数转换器实现信号从模拟量到数字序列的变化。存储器存储接收到的数字信息并由数字信号处理器完成FFT运算，最后将频谱显示出来。,五、扫频外差频谱仪,扫频外差频谱仪,外差式频谱分析仪采用外差技术来提取信号的频率分量，即将通带固定的中频放大器作为选频滤波器，将本地振荡器作为扫频器件，本地振荡器输出的振荡频率从低到高连续扫动，和输入被测信号中的各频率分量逐个混频，使信号各频率分量依次进入中频放大器从而被提取出来。该类频谱分析仪利用扫频技术，采用外差接收方法进行频率调谐，实现频谱分析。具有频率范围宽、灵敏度高、频率分辨立可变的优点。当不能进行是实时分析。,六、频谱分析仪的主要技术特性,1、选择性 频谱分辨率：指频谱分析仪能够分辨的最小谱线间隔，它表征了频谱分析仪能够区分两个频率相邻的信号能力。是放映频谱分析仪频率特性的主要性能指标。,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。实际上，频率分辨力是由频谱分析仪中窄带滤波器的带宽决定的，因此通常把窄带滤波器的3dB带宽认为是频谱分析仪的频率分辨力。,-60dB带宽BW60dB：窄带滤波器的-60dB带宽用于区别两个信号幅度不等的情况。,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处的带宽与-3dB处的带宽之比称为滤波器通带特性的形状因子FF。,动态频率特性与自适应关系,影响分辨率的因素,扫频范围SPAN扫描时间ST,本振的稳定度本振的相位噪声,2、灵敏度,频谱分析仪的灵敏度定义为：在特定的分辨带宽下或归一化到1Hz带宽时的本振噪声，常以dBm为单位一般数量级为-100-150dBm。灵敏度主要取决于仪器内部的噪声电平。噪声电平的大小由系统带宽、玻尔兹曼常数以及绝对温度决定，通常小于-90dBm。一般情况下，频谱分析仪能够测量的最小信号电平通常应高于噪声电平10dB。,3、动态范围,混频器的内部失真内部噪声电平本振的噪声边带,扫描宽度、分析时间、扫频速度,扫频宽度、分析时间和扫频速度是反映频谱分析仪扫频特性的三个主要的性能指标。,灵敏度和动态范围是反映频谱分析仪幅度特性的主要性能指标,（1）扫频宽度,扫频宽度是指频谱分析仪在一次频谱分析过程中显示的频率范围，即与显示屏水平轴起止点相对应的频率之差。频谱分析仪的扫频宽度一般是可以调节的，调宽扫频宽度，便于观察信号频谱的全貌；调窄扫频宽度，便于分析信号频谱的细节。,（2）分析时间,分析时间是指完成一次扫频过程所需要的时间，也即从频谱分析仪显示屏水平轴最左端到最右端扫频宽度，便于分析信号频谱的细节。分析时间主要受分辨率带宽滤波器的限制。,（3）扫频速度,扫频宽度与分析时间之比称为扫频速度 扫频速度的大小对频谱分析仪的频率分辨力有较大影响，因此，测量信号频谱时要对扫描速度进行合理选择，通常应满足以下经验准则：B2q 为扫频速度，Bq为静态分辨力,7.3 频谱分析仪的应用,一、正弦信号的测量1、测量幅度1）直接法2）射频替代法3）中频替代法用频谱分析仪测量绝对电平的误差来源主要有：刻度误差、读数误差、校准误差、输入衰减器误差、中频衰减器误差、频响误差、非线性引起的误差和噪声引起的误差等。测量绝对电平的误差一般在410dB的范围内。,2、测量频率,1）直接法2）梳状频标法3）移动频标法4）辅助振荡器法5）手动扫频法,直读法：利用电路的某种频率响应特性来测量频率值。简单但精度低。典型用法是谐振法和电桥法，谐振法是利用电感、电容和电阻串联或并联谐振回路的谐振特性来实现频率的测量。电桥法是利用电桥的平衡条件与被测信号频率有关这一特性来测频的。梳状频标法：梳状滤波器是由许多按一定频率间隔相同排列的通带和阻带，只让某些特定频率范围的信号通过。如果频率通过特定的通带，则可以算出相应的频率。比较法：将被测频率与标准频率进行比较来测量频率的方法。精度高。,3、频谱纯度的测定,频谱纯度表示了输出中对谐波和杂波的抑制能力。,4、频率稳定度的测量,振荡器产生的频率由于种种原因而发生变化，这种频率变化的大小与额定频率的比值称为频率稳定度。它是衡量通信系统质量好坏的重要指标。提高频率稳定度多采用参数稳频，晶体稳频及频率合成等。频率准确度 频率参考的稳定度和准确度 本振的线性度 扫描时间准确度 中频带宽滤波器的中心 剩余调频 显示分辨率,二、调幅信号的测量,幅度或频率被调制的程度通称为调制度。定义AM信号的参数有：1、Linear AM 2、Log AM 3、载波频率 4、功率 5、调制信号频率 5、调制指数 6、精度,1、扫频法,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。,1、扫频法,2、时域方法,T,MARKER,3、FFT频域方法,将被测信号通过数字滤波式频谱仪后，利FFT算法可以求出相应的一些参数。,功率计法,这种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。,三、调频信号的测量,在调制信号时,如果让载波的频率或相角与低频信号成线性关系,这就调频方式。如果相角与低频信号成线性关系，则成调相方式。首先看载波被调相的表达式。,Vm 和Wc是载波的幅值和角频，m和Wc是低频调相信号的幅值和角频。显然m是载波调相的最大相角偏差。已调相载波的随时间增大的总角是,由于调相，总角与时间的关系已不是线性。设它的瞬时角速为w，则有,后式是调频的表达式，可见，已调载波既是调相波也是调频波。作为调频时，他最大的频偏（f-fc）=mfm，从而m=f/fm。其中，fm是低频调制波的频率，m称为调频系数，f称（最大）频偏。,定义FM信号的参数,1、载波频率 2、功率 3、调制频偏 4、调制信号频率 5、调制指数 6、精度,1、扫频法,2、贝塞尔(Bessel)零点法,贝塞尔函数（Besselfunctions），是数学上的一类特殊函数的总称。通常单说的贝塞尔函数指第一类贝塞尔函数（Besselfunctionofthefirstkind）。贝塞尔函数的具体形式随上述方程中任意实数变化而变化（相应地，被称为其对应贝塞尔函数的阶数）。实际应用中最常见的情形为是整数n，对应解称为n阶贝塞尔函数。尽管在上述微分方程中，本身的正负号不改变方程的形式，但实际应用中仍习惯针对和定义两种不同的贝塞尔函数（这样做能带来好处，比如消除了函数在=0点的不光滑性）。,塞尔函数实例,在信号处理中的调频合成（FMsynthesis）或凯泽窗（Kaiserwindow）的定义中，都要用到贝塞尔函数。,2、贝塞尔(Bessel)零点法,3、Haberly方法,按照规则计算宽带调频参数：寻找三个邻近边带，其幅度随距载波愈远而依次减小 对数方式，用电压单位 从离开载波算起确定N值，第一对边带N=1，第二对N=2=2 n V n/(V n-1+V n+1)载波处:n=0,4、斜波检波/解调方法,5、调频（FM）信号测量方法的选择,将被测信号中心频率置于频谱分析仪显示的中心，恰当设置SPAN、RBW和VBW值，这几个值设置的一般建议是:SPAN必须至少覆盖被测量信号的带宽；RBW设置信道带宽的1%和4%之间;VBW至少是RBW的三倍。,四、脉冲调制信号的测量,脉冲调制信号的参数 1、载波频率 2、功率 3、脉冲宽度 4、脉冲重复周期（脉冲重复频率PRF=1/T）5、上升/下降时间 6、开关比 7、精度,1、窄带测量,2、宽带测量,3、时域法测脉冲调制信号,五、复合信号频谱的测量,六、相位噪声的测量,相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号(以1 MHz为例)的持续时间应该恰好是1微秒，每500ns有一个跳变沿。但不幸的是，这种信号并不存在。如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。这种不确定就是相位噪声，或者说抖动。,相位噪声的测量,测量方法有：传统的测试方法主要有1、直接频谱仪法：-将未调制的高频或者微波载频信号直接加到频率范围及性能适合的高频或者微波频谱仪上,显示出该信号的频谱,便可观测出该被测信号的噪声。2、基于低通采样的鉴频法和鉴相法：鉴频法也称单源法。就是将被测信号源的频率起伏f由某种微波鉴频器变为电压起伏V，用基带频谱仪进行测量，直接得出Sf(f),进而也可求出Sj(f)或者Lp(f)。,