频谱分析仪计量检定.ppt

《频谱分析仪计量检定.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《频谱分析仪计量检定.ppt（78页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第十五篇 频谱分析仪计量,频谱分析的基础理论知识,信号分析主要从三个方面进行，即时域、频域和调制域。频域测量分析方法是观测信号幅度(V）或能量(V2)与频率的关系，或者说测量分析信号所包含的频率成分的分布。频谱分析仪就是分析信号频域特性的仪器。当一个信号随时间作周期或准周期变化时，用傅里变换可以表示成一个基波分量及许多谐波谐波分量之和的形式，基波及各次谐波按其频率高低的顺序排列就是信号的频谱。周期（或准周期）性信号的频谱是由一组离散的线条组成的离散谱，又称为线谱。,一个周期函数f(t)在一个周期内只有有限个极点，只有有限个第一类间隔点（在这种间隔点左右极限存在），而其余各处都是连续的，称这个函

2、数满足了狄利赫勒条件，它可以展成傅里叶级数：,傅里叶级数还有其他表示形式，比较常用的是余弦表达式：,式中：T信号周期，单位为s（秒）；n正整数；f信号的基波频率，单位为Hz；称为角频率，单位为rad(弧度)。由上述式子可看出，满足狄利赫勒条件的周期函数f(t)可用无限个幅度为Cn，角频率为2n/T的正弦振荡之和表示。,等幅信号的时域和频域表示为：,等幅信号的频谱,调幅信号的频谱,调幅信号的时域和频域表示为：,调角信号的频谱,调角信号可分为调相信号和调频信号两种：调相信号的特点是，调制信号线性地改变载波相位，即：,调相信号的时域表示式是：,调频信号的特点是，调制信号线性地改变载波的瞬时频率，即：

3、,调频信号的时域表示式是：,调制信号为单音余弦信号时调角信号的频谱,调相信号的时域表示为：,调频信号的时域表示为：,单音余弦波进行调频和调相时，其频谱是相似的，用单音调频信号的分析来说明角度调制信号。单音调频波的表示式：,脉冲信号这里指脉冲的上升（下降）时间是零、顶部平坦的周期脉冲。,脉冲信号,周期脉冲的时域和频域图a)时域图 b)频域图,脉冲信号调幅信号,把周期脉冲调制在频率是的载波上，根据频谱搬移定理，可以得到用周期脉冲调幅波的表示式：,周期脉冲调幅信号的频谱图,频谱分析仪上显示的周期脉冲调幅信号的功率谱，其谱线分布相对于载频是对称的。,当脉冲的占空比远小于1时，频谱的能量分布。,期脉冲调

4、幅信号的功率谱,频谱分析仪的类型,实时频谱分析仪 并联滤波器型分析仪（真正实时型）快速傅里叶变换（FFT）式分析仪扫频型频谱分析仪（扫频调谐型）显示扫频型频谱分析仪 调谐滤波器型频谱分析仪 扫频超外差型分析仪,并联滤波器型分析仪,快速傅里叶变换式分析仪框图,快速傅里叶变换算法可以把某一时刻的时间函数f(t)转换为频域函数s(w)：,显示扫频型频谱分析仪,用扫描开关扫描，使显示器上轮换显示各滤波器的输出。,调谐滤波器型频谱分析仪,调谐滤波式频谱分析仪是通过在整个测量范围内移动一个带通滤波器的中心频率及带宽来工作的。,扫频超外差型分析仪,它实际上是一个校准于正弦波均方根值的频率选择性峰值响应电压表

5、。把本振作为扫频器件，输出本振信号频率从低到高输连续扫动，与输入的被测信号中各频谱分量逐个混频，使之依次变为相对应的中频的频谱分量，经检波和视放后显示在荧光屏上。,扫频超外差型分析仪的缺点,扫频超外差式频谱分析仪虽然有很多优点，但它有一个最难解决的问题是真假信号的识别。1.多次响应：由于本振信号很大(如HP8590和HP8560的第一本振信号功率为16dBm2dB，所以混频器对本振信号而言是非线性工作状态，会产生的很多谐波。2.谐波响应：当本振调到某个频率时，由于在混频器中产生谐波，频谱分析仪就能对几个信号频率同时进行响应，在显示器上表现为同一根响应线。,扫频超外差型分析仪的缺点的解决方法,解

6、决上述问题有两种方法，一种是在频谱分析仪中安装信号识别装置，能很方便的识别输出信号与本振进行混频的模式n，从而在对应的频率标尺上直接读出输入信号的频率。这种识别装置可以是手动的，而对于带有微处理器的频谱分析仪利用综合调谐程序自动完成识别。另一种方法就是使用跟踪预选择性带通滤波器，把它安装在混频器之前，其中心频率和扫频频率同步调谐，这就相当于把调谐滤波器式分析仪和扫频超外差式分析仪的优点合二为一。本文所涉及的频谱仪是扫频超外差型频谱仪。,频谱分析仪的基本组成,常用的频谱分析仪由射频前端电路、中频放大电路、显示电路、扫描电路、校准信号源和微机控制电路等六大部分组成。,射频前端电路,进行信号频率变化

7、和幅度控制的电路通称为射频前端电路，它保证了正确地接收信号。,中频放大电路,中频电路部分包括可变增益中放电路、分辨带宽选择电路、过载检测和幅度控制电路等。,显示电路,线性/对数放大电路、检波电路（解调电路）、视频滤波电路、数字化处理电路和显示器等。,扫描电路,扫描电路是一个锯齿波发生器，它有两路或三路输出，一路输出到显示部分的水平放大器，驱动显示器的水平偏转板，另一路输出到第一本振的驱动器，设置中心频率和扫频宽度。当有预选器时，扫频电路就把第三个输出电压送到预选器的驱动器，与本振同步改变中心频率设置。整个过程都由频率控制CPU集中控制。,微机控制电路,频谱分析仪是一台多功能的测量仪器，从前都采

8、用硬件控制，面板就十分拥挤，操作起来比较复杂，实现的功能却不多。采用微处理器控制后就方便多了，前面板是一个小键盘，操作方式计算机化，并提供很多功能为动态定义的键，大大提高了操作的灵活性，操作过程大大简化。在显示器上还可直接读出各种测量结果、频谱分析仪现在的工作状态和误操作警告等信息。,跟踪信号发生器,跟踪信号发生器的输出信号是由本振信号和中频信号混频产生的，它和频谱分析仪的本振信号一一对应，同步调节。有了跟踪信号源，频谱分析仪就可对两端口器件进行标量网络参数的分析。,频谱分析仪的检定,为确保频谱仪能工作在要求的性能指标状态下，必需对其各项参数进行定期的测试和校准，必要时还要进行调整。通常是通过

9、对频谱仪的检定来完成该项工作的。,频谱分析仪的检定参数,一、与频率有关的参数（一）工作频率范围：（二）扫频宽度：（三）扫频时间：（四）扫频速度：（五）测量时间：（六）分辨带宽：（七）视在带宽（八）最佳动态分辨带宽Bod：（九）残余调频：（十）视频带宽：（十一）谱线显示：,二、与幅度有关的参数（一）最大允许输入电平（二）噪声系数（三）灵敏度（四）参考电平（五）增益压缩点（六）动态范围（七）幅度准确度,三、与频率和幅度都有关的参数及术语（一）等效噪声带宽BN（二）幅度频率响应（三）交调抑制度（四）交流声边带（五）噪声边带（六）剩余响应,工作频率范围,频谱分析仪能够满足所有规定性能的被测信号频率范围

10、。工作频率范围小于一个倍频程时称为窄带频谱分析仪。频谱分析仪输入端的隔直流电容构成高通滤波器，其截止频率决定了频谱分析仪工作频率范围的下限；而第一混频器的频率响应性能，第一本振的扫频范围和输入低通滤波器（或预选器）的截止频率，决定了频谱分析仪工作频率范围的上限。,扫频宽度,扫频宽度又称为频率跨度，是指显示器水平轴起止点相对应的频率之差。目前扫频宽度有两种表示法，一种是全程（满屏）频率量值，一种是每格频率量值。扫频方式可分为零宽度扫频、部分宽度扫频和全频段扫频。全频段扫频是指扫描整个工作频率范围。有的频谱分析仪不具备这种功能。（如扫中频和141T等分段工作的频谱分析仪）,扫描时间,从频谱分析仪显

11、示屏水平轴最左端到最右端扫一回所需的时间。也有两种表示方法，一种是全程（满屏）扫描时间，一种是每格扫描时间。扫描时间主要受分辨带宽滤波器的限制，因为这些中频滤波器是需要充电和放电时间的频带受限电路。,单位时间内的扫频宽度，等于扫频宽度除以扫频时间。,扫描速度,测量时间,它是扫描时间和回扫时间的总和，回扫时间除了少量的锯齿波复位时间外，大部分是频谱分析仪处理数据的时间。如对数据格式化、打标记、平均、本振重新调谐等，对一台频谱分析仪来说设计完成后回扫时间就是一个定数，故称为“死时间”。例如频谱分析仪快速扫描时，就要求本振能快速调谐。,分辨带宽,带宽是指中频滤波器3dB或6dB带宽，亦称为静态分辨带

12、宽。理想状态是能做得很窄（如1Hz带宽），且带宽能连续调节。由于实际工艺水平的限制，带宽在6Hz到3MHz之间分档或近似连续可调。,视在带宽,又称为动态分辨带宽，它是在扫描时间相对来说较短时，显示屏上看到的分辨带宽，它比静态带宽有一定的幅度下降和展宽。这是因为信号通过滤波器时有个驻留时间，扫描速度太快，信号驻留时间太短，达不到稳定值，下一个信号又来了，因而幅度下降带宽展宽。显示幅度A与输入信号的幅度Ai之比为：,视在带宽Bd与静态带宽Bs之比为：,最佳动态分辨带宽Bod,扫频宽度和扫描时间组合下的最小动态分辨带宽。,残余调频,表示频谱分析仪本振（主要是第一本振）的短期频率不稳定性，一般指规定的

13、测试带宽，在某规定时间间隔内频率抖动的峰值或峰峰值。它引起谱线晃动，降低了实际的频率分辨力。,视频带宽,中频检波器后的低通滤波器称为视频滤波器，其带宽可选择，可对噪声起平滑作用，易于在噪声中检测微弱信号，不影响频谱分析仪的分辨能力，但选择的带宽过窄，将增加扫描时间。,谱线显示,当静态和动态分辨力带宽小于各个频率分量之间的间距时，在频谱分析仪上所产生的幅度显示。也称为辨别频率成份的能力。,最大允许输入电平,防止频谱分析仪前端电路烧毁的最大允许输入信号电平。可以指混频器前输入衰减器最大允许承受功率，也可以指第一混频器在输入衰减器为规定衰减值时允许的最大输入电平。当被测信号为连续波或窄带信号时，一般

14、以功率（如dBm）给出。当被测信号为脉冲或宽带信号时，一般以最大谱密度（mW/MHz）或脉冲能量(W/s)给出。,噪声系数,频谱分析仪内部产生的附加噪声折合到输入端后与输入端本身热噪声之比，一般以dB为单位给出。,灵敏度,在给定分辨带宽、显示方式和其他影响因素的条件下，频谱分析仪显示最小信号电平的能力。用相对于毫瓦的分贝数（dBm）表示。,参考电平,显示屏上代表规定电平的指定垂直位置。一般都是指定显示屏的最上一根刻度线，该电平可以用dBm、V或其它合适的单位表示。有的频谱分析仪称为中频增益。,增益压缩点,显示屏上垂直显示刻度线性误差低于所规定的误差时的最大输入电平。最常用的是1dB增益压缩点。

15、在实际测量中，混频器压缩电平是指输入到混频器的总功率电平，随着混频器电平的增加，有相当一部分能量转换成失真分量，这时，混频器被看成是处于压缩状态。如图所示。最常用的评估方法是将输出经过校准的正弦信号发生器的信号输入到频谱分析仪的输入端，调节信号电平，频谱分析仪显示的幅度比预期信号电平低1dB时的源信号电平为1dB增益压缩点。,动态范围,能以规定的准确度测量输入的两个信号电平之间的最大差值。1、测量动态范围：是指频谱分析仪能够测量到最大信号与最小信号之比。2、显示动态范围：相关的两个非谐波关系的正弦信号电平之间的最大差值。3、最佳动态范围,幅度准确度,频谱分析仪测量信号幅度的准确度。幅度测量的误

16、差源很多，包括校准信号源、参考电平、刻度保真度、噪声和失真的影响、分辨带宽转换等，对于不同频率还有频率响应，当频谱显示不回到显示屏中心位置时还有显示平滑性。显示平滑性是在一个给定的频率间距上，显示幅度的不希望的变化。,等效噪声带宽BN,噪声带宽与噪声谱的类型密切相关。白噪声的功率谱密度是均匀的，故白噪声的带宽就是无限宽。当白噪声通过一个选择性网络，其功率谱就不均匀了，其等效噪声带宽与选择性网络的3dB带宽和形状因子有关，其计算是很复杂的。我们总是用近似等效的方法计算。把不均匀的噪声功率谱等效为在一定带宽内的均匀功率谱，这个带宽应是矩形的。,幅度频率响应,在整个工作频率范围内，当频率调整到显示屏

17、的中心位置时，对被测不同频率信号的幅度的均匀性。即当被测信号幅度一样，频率不同时，频谱分析仪显示的测量幅度的一致性。频谱分析仪在中放电路中装有频率响应补偿电路，在整个频率范围内，设若干个频率响应校正点，使幅频特性更趋均匀。,交调抑制度,现代频谱分析仪几乎都采用二极管混频器，它是非线性器件，工作在理想二极管方程状态下，当加到混频器上的两个或多个具有不同频率的信号电平大到一定程度时，就会出现失真，一部分是谐波失真，另一部分是信号频率的组合，,交流声边带,是频谱分析仪的供电电源频率及谐波、电源开关频率等滤波不净产生的不希望有的响应。它与固定频率和有用响应是可分开的。,噪声边带,在显示屏上围绕信号响应

18、出现的不希望有的响应。它是频谱分析仪内部噪声引起，是以偏离有用响应规定的频率间距的响应的幅度与有用响应幅度之比值给出的，与有用响应的频率间距越小，比值也越小。以dBc为单位。,剩余响应,无输入信号时的寄生效应。由频谱分析仪本身产生，是机内各本振、放大器及连接电缆屏蔽不良，在显示屏上出现的不需要的显示。主要频率成份可能是参考基准频率及谐波、本振频率和零标志附近频率的基波及谐波。,频谱分析仪的检定方法,一、.频率准确度测试。二、扫频宽度测试。三、中频带宽测试。四、中频带宽转换的幅度偏差测试。五、中频增益（参考电平）测试。六、频响测试。七、显示刻度测试。八、衰减器测试。九、剩余调频测试。十、平均噪声

19、电平测试。十一、剩余响应的测试。十二、频谱分析仪自备校准源的测试。十三、噪声边带的测试。十四、谐波失真测试。十五、扫描时间测试。十六、交调失真测试。十七、增益压缩测试。,频率准确度测试,频率准确度是衡量频谱分析仪调谐频率准确度的参数。频谱分析仪中心频率的准确度是与扫频宽度、分辨带宽密切相关的，中心频率的误差都是在特定的扫频宽度和分辨带宽下测得的。,扫频宽度测试,该项是用来测试扫频电压线性特性的参数。扫频宽度的测量误差用下式计算：,中频带宽测试,通常有两种做法：一是将频谱分析仪扫宽设定为零，在中心频率上调谐，使其工作于接收机状态，并使显示幅度达最大值，然后增加输入信号的频率，在幅度下降至指定幅度

20、值时，记下这时的信号频率,然后降低输入信号的频率，当信号的幅度上升后又下降至指定幅度时，记录这时的信号频率。则中频带宽的测试值即为。通常这种方法要求频谱分析仪及信号源的频率稳定性好，要求在测量过程中的频率漂移远小于中频带宽，这种方法常用来测试较宽的中频带宽；另一种方法是利用中频滤波器幅频特性曲线来直接测量：当扫频宽度和中频带宽配合适当时，频谱分析仪上可得到中频滤波器幅频响应特性曲线，只要直接测量指定的幅度点的带宽即可，它对频率的稳定性要求不高。采用这种方法还可以很方便地得到中频带宽的形状系数。,中频带宽转换的幅度偏差测试,用于测试中频带宽的改变对信号幅度的影响，测试窄中频带宽时，要求信号源频率

21、的稳定性较好，频率漂移远小于中频带宽值。,中频增益（参考电平）测试,设定频谱分析仪的中频增益（参考电平）于指定值，同时使信号输入幅度与参考电平保持一致或有一个恒定的差值，这样就可以测定中频放大器的增益误差。为减小扫频宽度对幅度的影响，通常在扫频宽度为零的状态下测试，信号源和频谱分析仪使用同一个频率参考源。,频响测试,在指定的中频带宽、扫频宽度、扫描时间等状态下，测试频谱分析仪在不同频率点上对恒定幅度信号的幅度响应的均匀性特性。,显示刻度测试,测试频谱分析仪显示刻度线性度。,衰减器测试,测量频谱分析仪输入衰减器的衰减值。,剩余调频测试,向频谱分析仪输入一个频率稳定的信号，使信号失谐于调谐频率，频

22、率的抖动就会从信号的幅度上体现出来。根据幅度的改变值和滤波器的失谐率经计算就可得剩余调频值。,平均噪声电平测试,有的称为灵敏度测试。在被检频谱分析仪的输入端接等于输入阻抗的等效负载阻抗。在频谱分析仪规定的中频带宽下，测试显示信号的底部平均噪声电平值。被检频谱分析仪技术指标有要求时，将其换算到另外的带宽上。,剩余响应的测试,在没有信号输入的情况下，在输入端接等于输入阻抗的等效负载阻抗，用光标测量各种杂波信号的幅度和频率。一般要求其幅度小于-90dBm。,频谱分析仪自备校准源的测试,用功率计和频率计分别测量校准源的频率和幅度。,噪声边带的测试,在指定的中频带宽下，测量偏离中心频率一定量值处的信号幅

23、度。,谐波失真测试,输入频谱分析仪一个无失真的信号，增大加到混频器上信号幅度到被检频谱分析仪说明书上规定的电平值，测量显示的谐波幅度与信号幅度之差，以dBc为单位。,扫描时间测试,用频谱分析仪测量调幅波，调幅度大于50%，当扫频宽度为零时，显示为解调信号的波形；根据扫描时间标称值，选择调制信号频率。,交调失真测试,交调失真测试的原理框图如图15-3-11，两个幅度相同频率相近的信号f1和f2，经过功率混合器同时输入到频谱分析仪上，测量频率为2f1-f2和2f2-f1的新信号的幅度与原信号幅度之差，即为三阶交调失真。,增益压缩测试,调节信号源输出电平，使谱线最大值低显示屏最大格12格。然后，同时

24、增加信号源输出电平和频谱分析仪的参考电平，当谱线比预期的幅度低1dB时，信号源输出电平在功率计上读数为P0值。1dB增益压缩用下式计算。PG=P0-A，A被检频谱分析仪输入衰减器的量值。,频谱分析仪检定装置,进行与频率相关的检定项目时，选择通路1。如中心频率、扫频宽度及中频带宽等项目的检定；检定幅度频率响应等项目时，选择通路2；检定与电平幅度变化相关的检定项目时，选择通路3；如显示刻度、参考电平及输入衰减器等项目的检定；检定谐波失真等检定项目时，选择通路4；检定交调失真、增益压缩等检定项目时，选择通路5；在频谱分析仪的输入信号变化较大时，可使用通路6，如剩余调频扫描时间等项目的检定。,频谱分析

25、仪检定装置的主要组成设备,(一)标准器具1功率计。功率计是该系统的电平测量标准，对信号幅度进行定标。主要技术指标：频率范围：30kHz26.5GHz；电平范围：-70dBm+10dBm;允许误差限：0.02dB；(0dBm-20dBm时)2频率计。检定与频率有关项目的标准，对信号的频率定标。主要技术指标：频率范围：DC26.5GHz；允许误差限：10-9；3标准衰减器。对信号幅度和衰减进行定标。频率范围：DC26.5GHz；衰减范围：1dB121dB,1dB step;允许误差限：0.02dB/10dB，累计70dB不超过0.2dB。,频谱分析仪检定装置的主要组成设备,(二)主要配套设备1信号

26、源。用以产生稳定的信号。频率范围：10Hz26.5GHz；输出电平范围：+20dBm-130dBm幅度允许误差限：1dB2同轴开关。同轴开关能快速改变射频信号的连接方向。工作频率范围：DC26.5GHz；重复性：优于0.001dB；隔离度：大于70dB。,不确定度评定,(一)与频率有关的测量不确定度评定(二)校准点功率测量的不确定度评定。(三)幅度测量的不确定评定,标准装置的重复性和稳定性考核,（一）重复性考核（二）稳定性考核,频谱分析仪的量值传递,一、检定条件要求（一）环境条件1环境温度：23C5C;2相对湿度：80%（二）供电电源：220V10V 所有设备应良好接地，零线和地线间的电压峰峰

27、值应小于10V.（三）无影响测试的振动和干扰二、检定规程检定规程：（一）射频频谱分析仪检定规程 JJG 501-87。适合于1.7GHz以下的频谱分析仪的检定。（二）频谱分析仪检定规程 JJG(航天)26-1999。适合于26.5GHz以下的频谱分析仪的检定。三、量值传递关系图 量值传递关系图又称为检定系统表，量值传递是指将国家最高计量标准按计量检定系统逐级传递到各级计量检定单位的计量标准，在传递过程，要求准确度损失最小，方法简单易行，复现性和可靠性都很高。,量值传递关系表,安全操作注意事项,一、人体容易带静电，静电放电会损坏电子元器件。二、使用前首先核对现场提供的电源的电压和频率与频谱分析仪

28、的电源要求是否相同。三、熟悉和了解前后面板的各种连接线，并正确连接。四、有的频谱分析仪有“AC耦合”“DC耦合”两种输入端口，在“DC耦合”输入端口输入可测的频率下限更低，但这个输入端口到混频器输入端没有隔直流电容，因此“DC耦合”输入端口所测的信号中不允许包含直流电压成份。五、在测量中,要特别注意,在显示屏上看到的分别是输入信号中各频率成份的功率电平,而加在混频器上的是信号的总功率，因此显示屏上各频率成份中的最大功率电平虽然没有超过混频器的损坏功率，但信号的总功率电平有可能已经超过混频器的损坏功率。六、在进行测量时，所选用频谱分析仪的阻抗应与被测对象的阻抗一致，若不一致应附加阻抗转换器。七、

29、当进行一般性测量时,开机后,在本底噪声线出现后就可测量,当进行精密测量和检定时,频谱分析仪必须充分预热,一般预热30分钟或更长些时间。,影响测量准确性的一些问题,一、频率测量的误差二、幅度测量的误差三、频谱仪测量中应注意的其它问题（一）在测量输入信号的谐波和交调失真时，要考虑频谱分析仪自身失真的影响。（二）在频谱分析仪中，噪声电平是分辨带宽的函数，而噪声指标是按1Hz分辨带宽归一化给出的。（三）阻抗不匹配引入的误差（四）参考电平不确定度要比刻度保真度的不确定度小很多，为了提高测量结果的准确度，应改变参考电平（或中频增益）使信号峰点处于参考线上（显示屏顶部）。（五）频谱分析仪中的检波器可有好几种，根据不同的情况选择响应的检波器。,