频谱分析仪基础培训教材.ppt

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1、 Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,频谱分析仪技术基础,罗健R&S 中国培训中心 2003,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,一、基本理论信号分析及频谱分析概述频谱仪的工作原理频谱仪的特性 二、工程应用仪器操作常用功能与测试,信号分析及频谱分析概述,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,第一章 基本理论1、信号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,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,信 号,频域,频谱分析

2、仪,示 波 器,时域,调制域,矢量分析仪,信号的波形信息幅度周期频率,信号的频率分布信息频率、功率谐、杂波噪声、干扰失真,信号的矢量信息幅度误差矢量误差相位误差,信号分析及频谱分析概述,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,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,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,频域测量对信号分析的作用,信号分析及频谱分析概述,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,周期信号的频谱,信号分析及频谱分析概述,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,模拟调制信号：

3、AM、FM、PM的调制指数和调制频率等,信号分析及频谱分析概述,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,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,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,噪声信号：噪声功率、相位噪声,信号分析及频谱分析概述,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,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,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,频谱仪的类型1、傅立叶分析仪,RAM,FFT,A,D,A,D,RAM,FFT,频谱分析仪工作原理

4、,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,频谱分析仪工作原理,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,2、外差式扫描分析仪,频谱分析仪工作原理,检波器,可调,锯齿波,可调的带宽滤波器,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,超外差式扫描调谐分析仪,频谱分析仪工作原理,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,频谱仪的主要设置参数,频率显示范围 中心频率和频率跨度 起始频率和终止频率 电平显示范围 参考电平和量程跨度 频率分辨率 分辨带宽 扫描时间,频谱分析仪工作原理,Rohde&Schwarz 中国培训中心

5、频谱分析仪技术基础,2、频谱分析仪的工作原理 超外差式扫描调谐接收机,a,(,t,),H,f,f,L,O,检波器,延迟,RF,IF,参考振荡器,低通滤波器,衰减器,混频器,中频放大器,视频滤波器,中频滤波器,对数放大器,压控振荡器,锯齿波 发生器,显示,频谱分析仪工作原理,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,镜像的影响,频谱分析仪工作原理,图象频率范围,转换,交迭,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,镜像的抑制,频谱分析仪工作原理,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,衰减器,RF,频谱分析仪工作原理,Rohde&Sc

6、hwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,频谱分析仪工作原理,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,混频器,fin,flo,fin,flo,Flo+Fin,Flo-Fin,频谱分析仪工作原理,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,中频滤波器,显示,锯齿波发生器,包络检波器,本地振荡器,模拟滤波器,对数放大器,放大器,视频滤波器,x,y,检波器,数字滤波器,FFT 滤波器,频谱分析仪工作原理,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,中频滤波器:数字滤波器,特点:真正的高斯形状波形因子4.6最小扫描时间 k=1 通过补偿可以

7、达到,优点:小波形因子=更高的灵敏度快速扫描更高的带宽精度测量可以得到更高的电平精度用于噪声或类噪声信号没有温度或老化漂移,频谱分析仪工作原理,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,中频滤波器:FFT 滤波器,最大频率范围受限于AD变换器的带宽快速的信号处理要求合理的更新率窄的分辨带宽减少了扫描时间,频谱分析仪工作原理,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,视频滤波器,视频滤波器(平滑),频谱分析仪工作原理,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,检波器,最大峰值,最小峰值,有效值,平均值,线性,对数,微处理器,显示,视频信

8、号,检波器的选择,“线性检波器”,“对数检波器”,线性/对数查找表：有效值、平均值检波器,采样,水平轴 500个像素点,平均值检波器,有效值检波器,频谱分析仪工作原理,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,不同的检波器在显示屏上不同的数据处理,频谱分析仪工作原理,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,本地振荡器,频谱分析仪工作原理,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,3、频谱分析仪的特性,滤波器特性 相位噪声（频谱纯度）接收机的固有噪声 系统非线性 1dB压缩点 动态范围 测量精度,频谱分析仪性能指标,Rohde&Sch

9、warz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,分辨滤波器特性,频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,不同分辨带宽的滤波器对测试结果的影响,频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,分辨相邻的信号,红色踪迹：RBW=30 kHz,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,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,最小扫描时间,TSweep 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

10、滤波器,频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,扫描时间对频率和电平测量误差的影响,蓝色踪迹：电平和频率产生误差,测试结果未校准!,频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,相位噪声,频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,频谱分析仪的固有噪声,LDANL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),不同的滤

11、波器6 dB带宽和等效噪声带宽与 3 dB带宽的关系,频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,显示的噪声本底依赖于RF衰减器,频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,显示的噪声本底依赖于与RBW带宽 A=10lg(RBWnew/RBWold),频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,接收机的非线性特性,频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,三阶互调产物的鉴别,频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分

12、析仪技术基础,截止点(T.O.I),频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,1-dB 压缩点,频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,动态范围,频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,最大无互调范围或最大谐波抑制,频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,频率测量精度,光标读数：(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)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

13、性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,幅度测量精度,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,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,具体指标,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 dBRBW 切换误差(RBW 100 kHz)0.1 dB驻波比 0.55dB总的电平不确定度:0.5 dB(f3GHz)(95%置信度 2 s),频谱分析仪性能指标,Rohde&Schwarz 中国培训

14、中心 频谱分析仪技术基础,第二章、实际应用,1、仪器操作（以FSP为例）,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,FSP频谱分析仪前面板,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,1、显示屏 2、软按键3、数据输入键 4、仪器状态和功能控制键5、仪器状态和功能控制键 6、数据和光标改动控制键7、3 1/2”磁盘驱动器(1.44M)8、硬件输入输出区9、仪器状态和功能控制键 10、菜单变换键11、热键 12、开机/预热键13、硬拷贝配置和打印功能键 14、一般配置键15、校准键 16、预置键,FSP频谱分析仪前面板说明,仪器操作,Ro

15、hde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,FSP频谱分析仪后面板,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,17、选件预留口 18、电源与开关19、IEC/IEEE接口 20、并行接口（打印机连接口）21、串行接口 22、外部显示器接口23、外部噪声源输出口 24、外部触发或外部门信号输入口25、PS/2鼠标接口 26、选件预留口27、选件预留口 28、内部参考输出口和外部参考书 入口29、20.4MHz中频输出口 30、选件预留口31、选件预留口,FSP频谱分析仪后面板说明,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,

16、FSP频谱分析仪显示屏,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,频率按键,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,频率跨度按键,扫描按键,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,幅度按键,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,光标按键,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,光标到按键,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,光标功能按键,分辨带宽按键,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心

17、 频谱分析仪技术基础,测量按键,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,触发按键,极限线按键,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,显示按键,踪迹按键,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,文件按键,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,硬拷贝按键,校准按键,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,设置按键,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,网络分析仪模式下的操作菜单,仪器操作,Rohde&Schwar

18、z 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,网络分析仪模式下的操作菜单,仪器操作,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,2、常用功能与测试,频率和幅度的测试 测量绝对频率和绝对幅度 频谱仪频率轴、幅度轴、分辨带宽的设置，光标的使用，频率计数器的使用 测量相对频率和相对幅度（谐波失真的测量）频谱仪频率轴、幅度轴、分辨带宽的设置，光标的使用（互调的测量）频谱仪频率轴、幅度轴、分辨带宽的设置，光标的使用,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,信道功率和相邻信道功率的测量,测量标准的选择,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分

19、析仪技术基础,信道滤波器的选择,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,检波器的选择,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,ACP的测量方法（积分带宽法）,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,信道功率的测量结果,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,ACP的测量原理（时域法）,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,时域法测量CP的结果,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,测量 G

20、SM的突发信号,待测的功率作为时间的函数：高动态/低失真快速A/D变换器满足精确的测量突发时间“窗口 功能可以对上升/下降的侧面达到很高的分辨率1 MHz 分辨率(300 kHz带宽使信号失真),频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,FSP的门扫描,TDMA信号的分析受到覆盖脉冲频谱包络的干扰门触发功能允许估计在突发信号激活阶段的调制频谱纯度最大峰值检波器捕获随机调值峰值,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,频谱有无GATING 的结果比较,没有 GATING 的GSM信号的测量结果,使用 GATING 的GSM信号的测

21、量结果,频谱仪应用,选通门控,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,FSP的GAP扫描,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,GAP扫描的结果(GSM-burst),GSM-Burst 85 dB的动态范围,使用GAP的Burst=更好的分辨率,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,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点数的选择,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,幅度统计特性的测量原理,频谱仪应用

22、,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,CCDF和APD的测量结果（白噪声）,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,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,FSP-B10 为FSU&FSP设计的 外部信号发生器控制,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,传输测试的操作菜单,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,反射测量,内置校准和归一化功能 CAL REFL OPEN,CAL REFL SHORT,标量反射

23、测量需要附加一个方向性好的SWR电桥或是定向耦合器,FSP-B10 为FSU&FSP设计的 外部信号发生器控制,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,反射测量的操作菜单,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,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。,一般定义：,-120,-100,-80,-60,-40,fo,频率,-120,-100,-80,-60,-40,fo,输入功率电平(dBm),频率,输入功率电平(dBm),S,i,/N,i,S,o,/N,o,Na 系

24、统内部的噪声G 系统的增益,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,利用FS-K3测量噪声和增益,28 V DC on/off,噪声源,被测件,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,kT04.00 x 10-21 W/Hz=-174dBm/HzNa系统的内部噪声B系统的噪声带宽G系统的增益T0噪声参考温度(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 标

25、准的定义:,-120,-100,-80,-60,-40,fo,频率,-120,-100,-80,-60,-40,fo,输入功率电平(dBm),频率,DUT,例如放大器,输入功率电平(dBm),N,a,S,i,/N,i,S,0,/N,0,kT,0,B,kT,0,BG+N,a,G,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,噪声温度的概念,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。,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,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,G

26、,1,N,a1,R,输入噪声,k T,0,B,kT,0,B,kT,0,BG,1,kT,0,BG,1,G,2,N,a1,N,a1,G,2,N,a2,B,G,2,N,a2,第二级系统,附加的,全部,噪声,输出的,全部,噪声,功率,输入的噪声功率 x 系统增益,第一级系统,DUT,噪声测量系统,F,1,F,2,F,12,=F,1,+(F,2,-1)/G,1,),F,1,=F,12,-(F,2,-1)/G,1,),T,1,=T,12,-T,2,/G,1,(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。,两级系统的噪声,频谱仪应用,Rohde&S

27、chwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,Calibration cycle Measurement cycle,Y系数法测量噪声系数,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。,Y系数法测量噪声系数通常分为两步：校准 和 测量,TSOFF=噪声源的物理温度(通常定义为 290 K)TSON=噪声源在“ON”状态时的噪声温度。,校准 测量,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,Y系数法测量噪声系数,校准步骤:,其中：,ON 噪声二极管在工作OFF 噪声二极管不工作N2ON测

28、量的噪声功率(噪声二极管处于“ON“的状态)N2OFF 测量的噪声功率(噪声二极管处于“OFF“的状态)Y2 校准期间的Y系数T2 噪声测试系统的噪声温度TSOFF 噪声源的物理温度TSON 通过噪声源的ENR值计算得到,校准周期结束后，仪器存储N2ON,N2OFF和 T2的计算值,噪声源,噪声,测量,系统,ENR=(T,S,ON,-T,S,OFF,)/T,0,28V,ON/OFF,T,2,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,第二级的校准有必要作为单独的校准步骤，在校准过程中测定仪器自身的噪声温度。这个校准值需要用来在测试步骤中去修正测定的噪声温度。这项技术用于进行非常精确的测量。,与DUT一起测试:,ENR=(T,S,ON,-T,S,OFF,)/T,0,28V,ON/OFF,T,12,DUT,T,1,T,2,Y系数法测量噪声系数（第二级的校准）,频谱仪应用,Rohde&Schwarz 中国培训中心 频谱分析仪技术基础,感谢您的参与!,结束语,