頻譜分析儀基礎(chǔ)培訓(xùn)教材

1、 2003 / Jian Luo / 1 頻譜分析儀技術(shù)基礎(chǔ)頻譜分析儀技術(shù)基礎(chǔ) R&S 中國培訓(xùn)中心 2003 2003 / Jian Luo / 2 一、基本理論一、基本理論o 信號分析及頻譜分析概述o 頻譜儀的工作原理o 頻譜儀的特性 二、工程應(yīng)用二、工程應(yīng)用o 儀器操作o 常用功能與測試信號分析及頻譜分析概述信號分析及頻譜分析概述 2003 / Jian Luo / 3 第一章第一章 基本理論基本理論1、信號、信號分析及頻譜分析概述分析及頻譜分析概述 周期信號-單載波信號-掃描信號 非周期信號-噪聲信號-瞬態(tài)信號調(diào)制信號-模擬調(diào)制-數(shù)字調(diào)制信號分析及頻譜分析概述信號分析及頻譜分析

2、概述 2003 / Jian Luo / 4 信信 號號 頻域頻域頻譜分析儀頻譜分析儀示示 波波 器器時域時域 調(diào)制域調(diào)制域矢量分析儀矢量分析儀信號的信號的波形波形信息信息幅度幅度周期周期頻率頻率信號的信號的頻率分布頻率分布信息信息頻率、功率頻率、功率諧、雜波諧、雜波噪聲、干擾噪聲、干擾失真失真信號的信號的矢量矢量信息信息幅度誤差幅度誤差矢量誤差矢量誤差相位誤差相位誤差信號分析及頻譜分析概述信號分析及頻譜分析概述 2003 / Jian Luo / 5 理想單載波信號在時域和頻域的測量結(jié)果理想單載波信號在時域和頻域的測量結(jié)果信號分析及頻譜分析概述信號分析及頻譜分析概述 2003 / Jian

3、Luo / 6 頻域測量對信號分析的作用頻域測量對信號分析的作用信號分析及頻譜分析概述信號分析及頻譜分析概述 2003 / Jian Luo / 7 周期信號的頻譜周期信號的頻譜信號分析及頻譜分析概述信號分析及頻譜分析概述 2003 / Jian Luo / 8 模擬調(diào)制信號：模擬調(diào)制信號：AM、FM、PM的調(diào)制指數(shù)和調(diào)制頻率等的調(diào)制指數(shù)和調(diào)制頻率等信號分析及頻譜分析概述信號分析及頻譜分析概述 2003 / Jian Luo / 9 數(shù)字調(diào)制信號：信道功率、相鄰信道功率比、占有帶寬等數(shù)字調(diào)制信號：信道功率、相鄰信道功率比、占有帶寬等信號分析及頻譜分析概述信號分析及頻譜分析概述 2003 / J

4、ian Luo / 10 噪聲信號：噪聲功率、相位噪聲噪聲信號：噪聲功率、相位噪聲信號分析及頻譜分析概述信號分析及頻譜分析概述 2003 / Jian Luo / 11 失真信號：諧波失真、非諧波失真、雜散失真信號：諧波失真、非諧波失真、雜散信號分析及頻譜分析概述信號分析及頻譜分析概述 2003 / Jian Luo / 12 頻譜儀的類型頻譜儀的類型1、傅立葉分析儀RAMFFTADADRAMFFT頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 13 頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 14 2、外差式掃描分析儀、外差式掃描分析儀

5、頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理檢波器可調(diào)鋸齒波可調(diào)的帶寬濾波器 2003 / Jian Luo / 15 InputInputRFLoIF超外差式掃描調(diào)諧分析儀超外差式掃描調(diào)諧分析儀頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 16 頻譜儀的主要設(shè)置參數(shù)頻譜儀的主要設(shè)置參數(shù)l 頻率顯示范圍 中心頻率和頻率跨度 起始頻率和終止頻率l 電平顯示范圍 參考電平和量程跨度l 頻率分辨率 分辨帶寬l 掃描時間頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 17 2 2、頻譜分析儀的工作原理、頻譜分析儀的工作原理 超外差式掃描調(diào)諧接收機(jī)a(t)H

6、ffLO檢波器檢波器延遲延遲RFIF參考振蕩器參考振蕩器 低通低通濾波器濾波器 衰減器衰減器 混頻器混頻器 中頻中頻放大器放大器 視頻濾波器視頻濾波器 中頻中頻濾波器濾波器 對數(shù)對數(shù)放大器放大器 壓控壓控振蕩器振蕩器 鋸齒波鋸齒波 發(fā)生器發(fā)生器顯示顯示頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 18 鏡像的影響鏡像的影響頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理圖象頻率范圍轉(zhuǎn)換交迭 2003 / Jian Luo / 19 鏡像的抑制鏡像的抑制頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 20 衰減器衰減器Lo IFRF頻譜分析儀工作原理頻譜

7、分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 21 頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 22 混頻器混頻器InputInputRFLo IFfinflofinfloFlo + FinFlo - Fin頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 23 中頻中頻濾濾波器波器顯示顯示鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器本地振蕩器本地振蕩器模擬濾波器模擬濾波器對數(shù)放大器對數(shù)放大器放大器放大器視頻濾波器視頻濾波器xy輸入輸入混頻器混頻器中頻放大器中頻放大器檢波器檢波器數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器FFT 濾波器濾波器頻譜分析儀工作原

8、理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 24 中頻濾波器中頻濾波器:數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器IF 20.4 MHzAD32 MHzIQ12 bitLowpass filterLowpass filterfilter coefficientsfilter coefficientsI + Q22IF envelope voltage90LOLOIFIFI mixerQ mixerNCOAnti aliasingbandpassl特點(diǎn):真正的高斯形狀波形因子4.6最小掃描時間 k = 1 通過補(bǔ)償可以達(dá)到l優(yōu)點(diǎn):小波形因子 = 更高的靈敏度快速掃描更高的帶寬精度測量可以得到更高的電平精

9、度l用于噪聲或類噪聲信號沒有溫度或老化漂移頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 25 中頻濾波器中頻濾波器: FFT 濾波器濾波器DisplayFFTRAMADx(t)l最大頻率范圍受限于AD變換器的帶寬l快速的信號處理要求合理的更新率l窄的分辨帶寬減少了掃描時間頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 26 視頻濾波器視頻濾波器視頻濾波器(平滑)顯示顯示輸入輸入鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器混頻器混頻器中頻放大器中頻放大器本地振蕩器本地振蕩器中頻濾波器中頻濾波器對數(shù)放大器對數(shù)放大器視頻濾波器視頻濾波器xy檢波器

10、檢波器頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 27 檢波器檢波器最大最大峰值峰值最小最小峰值峰值有效值有效值平均值平均值線性線性對數(shù)對數(shù)微微處理器處理器顯示顯示視視頻頻信信號號檢波器的選擇檢波器的選擇“線性檢波器線性檢波器”“對數(shù)檢波器對數(shù)檢波器”線性線性/對數(shù)查找表：對數(shù)查找表：有效值、平均值檢波器有效值、平均值檢波器 采樣采樣水平軸水平軸 500個個像素點(diǎn)像素點(diǎn)NiiAVuNU11NiiRMSuNU121 平均值檢波器平均值檢波器 有效值檢波器有效值檢波器頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 28 不同的檢波器在顯示屏上

11、不同的數(shù)據(jù)處理不同的檢波器在顯示屏上不同的數(shù)據(jù)處理頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 29 本地振蕩器本地振蕩器顯示顯示輸入輸入鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器混頻器混頻器中頻放大器中頻放大器本地振蕩器本地振蕩器中頻濾波器中頻濾波器對數(shù)放大器對數(shù)放大器視頻濾波器視頻濾波器xy檢波器檢波器頻譜分析儀工作原理頻譜分析儀工作原理 2003 / Jian Luo / 30 3 3、頻譜分析儀的特性、頻譜分析儀的特性l 濾波器特性 l 相位噪聲（頻譜純度）l 接收機(jī)的固有噪聲l 系統(tǒng)非線性l 1dB壓縮點(diǎn)l 動態(tài)范圍l 測量精度頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析

12、儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 31 分辨濾波器特性分辨濾波器特性頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 32 不同分辨帶寬的濾波器對測試結(jié)果的影響不同分辨帶寬的濾波器對測試結(jié)果的影響頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 33 分辨相鄰的信號分辨相鄰的信號紅色蹤跡：RBW=30 kHz藍(lán)色蹤跡：藍(lán)色蹤跡： RBW= 3 kHz紅色蹤跡：RBW=30 kHz藍(lán)色蹤跡： RBW= 3 kHz頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 34 最小掃描時間最小掃描時間2RBWSpankT

13、SweepTSweep 最小掃描時間Span頻率掃描跨度RBW分辨帶寬 (3 dB 帶寬)kk 因子, 2.5 模擬濾波器 頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 35 掃描時間對頻率和電平測量誤差的影響掃描時間對頻率和電平測量誤差的影響藍(lán)色蹤跡：藍(lán)色蹤跡：電平和頻率產(chǎn)生誤差電平和頻率產(chǎn)生誤差測試結(jié)果未校準(zhǔn)!頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 36 相位噪聲相位噪聲頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 37 頻譜分析儀的固有噪聲頻譜分析儀的固有噪聲dBRFdBHzRBWdBDANLLAT

14、TNoiseHzDANL5 . 2)lg10(1010LDANL平均顯示噪聲電平 DANL規(guī)定的平均噪聲電平 (R&S 數(shù)據(jù)表: RBW=10 Hz, RFATT = 0 dB)RBWNoiseRBW濾波器的等效噪聲帶寬 RFAttRF 衰減器-2.5 dB修正因子 (對數(shù)定標(biāo)的平均)濾波器類型濾波器類型4-極點(diǎn)濾波器極點(diǎn)濾波器 （模擬）（模擬）5-極點(diǎn)濾波器極點(diǎn)濾波器 （模擬）（模擬）理想高斯濾波器理想高斯濾波器 (數(shù)字?jǐn)?shù)字)6 dB 帶寬1.480 * B3dB1.464 * B3dB1.415 * B3dB等效噪聲帶寬1.129 * B3dB1.114 * B3dB1.065 *

15、 B3dB不同的濾波器不同的濾波器6 dB帶寬和等效噪聲帶寬與帶寬和等效噪聲帶寬與 3 dB帶寬的關(guān)系帶寬的關(guān)系頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 38 顯示的噪聲本底依賴于顯示的噪聲本底依賴于RF衰減器衰減器頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 39 顯示的噪聲本底依賴于與顯示的噪聲本底依賴于與RBW帶寬帶寬 A=10lg(RBWnew/RBWold)頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 40 接收機(jī)的非線性特性接收機(jī)的非線性特性頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / J

16、ian Luo / 41 三階互調(diào)產(chǎn)物的鑒別三階互調(diào)產(chǎn)物的鑒別頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 42 截止點(diǎn)截止點(diǎn)(T.O.I)頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 43 1-dB 壓縮點(diǎn)壓縮點(diǎn)頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 44 動態(tài)范圍動態(tài)范圍頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 45 最大無互調(diào)范圍或最大諧波抑制最大無互調(diào)范圍或最大諧波抑制頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 46 頻率測量精度頻率測

17、量精度l光標(biāo)讀數(shù)：光標(biāo)讀數(shù)：l (頻率讀數(shù)X參考頻率誤差+0.5%X頻率跨度+10%X分辨帶寬+最后顯示位X1/2)計(jì)數(shù)器讀數(shù)計(jì)數(shù)器讀數(shù): (頻率讀數(shù)X參考頻率誤差+最后顯示位X1/2) 頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 47 幅度測量精度幅度測量精度l 誤差來源：-頻率響應(yīng)-衰減器誤差-中頻增益誤差-線性誤差-帶寬切換誤差-失配誤差頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀性能指標(biāo) 2003 / Jian Luo / 48 具體指標(biāo)具體指標(biāo)l各項(xiàng)誤差各項(xiàng)誤差 128 MHz絕對誤差0.2 dB 頻率響應(yīng) (f3 GHz)0.5 dB 衰減器誤差 0.2 dB 對數(shù)顯

18、示非線性(0 to -70 dB)0.2 dB RBW 切換誤差 (RBW 100 kHz)0.1 dB 駐波比 0.55dB總的電平不確定度總的電平不確定度: 0.5 dB(f 更好的分辨率頻譜儀應(yīng)用頻譜儀應(yīng)用 2003 / Jian Luo / 82 o 幅度統(tǒng)計(jì)特性的測量-幅度概率分布 (APD)-互補(bǔ)累積分布函數(shù) (CCDF)-頻譜儀的設(shè)置s 分辨帶寬的選擇s 采樣點(diǎn)數(shù)的選擇 頻譜儀應(yīng)用頻譜儀應(yīng)用 2003 / Jian Luo / 83 幅度統(tǒng)計(jì)特性的測量原理頻譜儀應(yīng)用頻譜儀應(yīng)用 2003 / Jian Luo / 84 CCDF和APD的測量結(jié)果（白噪聲）頻譜儀應(yīng)用頻譜儀應(yīng)用 20

19、03 / Jian Luo / 85 傳輸測量傳輸測量-通過校準(zhǔn)和歸一化消除測試設(shè)置的頻率響應(yīng) 執(zhí)行傳輸測試的校準(zhǔn)，整個測試設(shè)置是“直通”連接DUTGEN OUTPUTRF INPUTFSP-B10 為FSU & FSP設(shè)計(jì)的 外部信號發(fā)生器控制頻譜儀應(yīng)用頻譜儀應(yīng)用 2003 / Jian Luo / 86 傳輸測試的操作菜傳輸測試的操作菜單單頻譜儀應(yīng)用頻譜儀應(yīng)用 2003 / Jian Luo / 87 反射測量反射測量-內(nèi)置校準(zhǔn)和歸一化功能 CAL REFL OPEN, CAL REFL SHORT標(biāo)量反射測量需要附加一個方向性好的標(biāo)量反射測量需要附加一個方向性好的SWR電橋或是定

20、向耦合器電橋或是定向耦合器GEN OUTPUTRF INPUT 反射電橋反射電橋DUTFSP-B10 為FSU & FSP設(shè)計(jì)的 外部信號發(fā)生器控制頻譜儀應(yīng)用頻譜儀應(yīng)用 2003 / Jian Luo / 88 反射測量的操作菜單反射測量的操作菜單頻譜儀應(yīng)用頻譜儀應(yīng)用 2003 / Jian Luo / 89 l噪聲系數(shù)的測量噪聲系數(shù)的測量 一個系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)F定義為：系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的輸入端口的信噪比和輸出端口的信噪比之比。ooiiNSNSF/一般定義一般定義：-120-100-80-60-40fo頻率頻率-120-100-80-60-40fo輸入功率電平輸入功率電平 (dBm)頻率

21、頻率輸入功率電平輸入功率電平 (dBm)Si / NiSo/ No DUT例如放大器例如放大器 Na GSi / NiSo / NoNa 系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲G 系統(tǒng)的增益系統(tǒng)的增益頻譜儀應(yīng)用頻譜儀應(yīng)用 2003 / Jian Luo / 90 28 V DC on/off噪聲源噪聲源被測件被測件頻譜儀應(yīng)用頻譜儀應(yīng)用 2003 / Jian Luo / 91 kT04.00 x 10-21 W/Hz = -174dBm/HzNa系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲B系統(tǒng)的噪聲帶寬系統(tǒng)的噪聲帶寬G系統(tǒng)的增益系統(tǒng)的增益T0噪聲參考溫度噪聲參考溫度 (定義為定義為290K ) 噪聲系數(shù)F是全部的輸出

22、噪聲功率 (Na + kT0BG)和輸出噪聲的一部分功率(kT0BG)之比，這部分功率kT0BG是由于輸入噪聲(kT0B)引起的。 這是在輸入源的溫度為290K的條件下得到的。IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的定義標(biāo)準(zhǔn)的定義:BGkTBGkTNGNGNNGNNGSNSNSNSFaiiaiaiiiooii00)/(/-120-100-80-60-40fo頻率頻率-120-100-80-60-40fo輸入功率電平輸入功率電平(dBm)頻率頻率 DUT例如放大器例如放大器輸入功率電平輸入功率電平 (dBm) NaSi / NiS0/ N0kT0BkT0BG + Na G頻譜儀應(yīng)用頻譜儀應(yīng)用 2003 / Jian L

23、uo / 92 由于有效噪聲溫度Te是源電阻產(chǎn)生的附加溫度,因此即使是無噪聲的DUT也會產(chǎn)生同樣的噪聲功率譜密度。01TTFe 實(shí)際的實(shí)際的DUT50 OhmT0 = 290 KNa,GaN1 = kT0BGa+Na無噪聲的無噪聲的DUT50 OhmT = (T0+Te) KN1 = k(T0+Te)BGa = kT0BGa + kTeBGaGaNaTe = 噪聲溫度噪聲溫度頻譜儀應(yīng)用頻譜儀應(yīng)用 2003 / Jian Luo / 93 利用頻譜分析儀和噪聲系數(shù)儀測量噪聲系數(shù)的基本等式。利用頻譜分析儀和噪聲系數(shù)儀測量噪聲系數(shù)的基本等式。B G1 Na1R輸入噪聲輸入噪聲 k T0 BkT0Bk

24、T0BG1kT0BG1G2Na1Na1G2Na2B G2Na2第二級系統(tǒng)第二級系統(tǒng)附加的附加的全部全部噪聲噪聲輸出的輸出的全部全部噪聲噪聲功率功率輸入的噪聲功率輸入的噪聲功率 x 系統(tǒng)增益系統(tǒng)增益第一級系統(tǒng)第一級系統(tǒng)DUT噪聲測量系噪聲測量系統(tǒng)統(tǒng)F1F2F12 = F1 + (F2 - 1)/G1) F1 = F12 - (F2 - 1)/G1)T1 = T12 - T2/G1(第二級系統(tǒng)對噪聲的貢獻(xiàn))第二級的校準(zhǔn)是測量系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲系數(shù)，用來作為計(jì)算DUT的噪聲系數(shù)的修正因子。 頻譜儀應(yīng)用頻譜儀應(yīng)用 2003 / Jian Luo / 94 Calibration cycle Measurement cycle 使用的噪聲源對其輸出噪聲電平進(jìn)行校準(zhǔn)，用超噪比(ENR)表示。 ENR 校準(zhǔn)信息由噪