第6章頻域測量

會(huì)計(jì)學(xué)1第6章頻域測量6.1掃頻儀點(diǎn)頻測量法——線性系統(tǒng)頻率特性的經(jīng)典測量法每次只能將加到被測線性系統(tǒng)的信號(hào)源的頻率調(diào)節(jié)到某一個(gè)頻點(diǎn)。依次設(shè)置調(diào)諧到各指定頻點(diǎn)上，分別測出各點(diǎn)處的參數(shù)，再將各點(diǎn)數(shù)據(jù)連成完整的曲線，從而得到頻率特性測量結(jié)果。所得頻率特性是靜態(tài)的，無法反映信號(hào)的連續(xù)變化；測量頻點(diǎn)的選擇對(duì)測量結(jié)果有很大影響，特別對(duì)某些特性曲線的銳變部分以及失常點(diǎn)，可能會(huì)因頻點(diǎn)選擇不當(dāng)或不足而漏掉這些測量結(jié)果。幅頻特性測量第1頁/共28頁6.1掃頻儀

頻率源的輸出能夠在測量所需的范圍內(nèi)連續(xù)掃描，因此可以連續(xù)測出各頻率點(diǎn)上的頻率特性結(jié)果并立即顯示特性曲線。優(yōu)點(diǎn)：掃頻信號(hào)的頻率連續(xù)變化，掃頻測量所得的頻率特性是動(dòng)態(tài)頻率特性，也不會(huì)漏掉細(xì)節(jié)。不足：如果輸入的掃頻信號(hào)頻率變化速度快于系統(tǒng)輸出響應(yīng)時(shí)間，則頻率的響應(yīng)幅度會(huì)出現(xiàn)不足，掃頻測量所得幅度小于點(diǎn)頻測量的幅度；電路中LC元件的惰性會(huì)使幅度峰值有所偏差，因此會(huì)產(chǎn)生頻率偏離。幅頻特性測量掃頻測量法第2頁/共28頁6.1掃頻儀兩種幅頻特性測量法的比較掃頻測量所得的動(dòng)態(tài)特性曲線峰值低于點(diǎn)頻測量所得的靜態(tài)特性曲線。掃頻速度越快，下降越多；動(dòng)態(tài)特性曲線峰值出現(xiàn)的水平位置（頻率）相對(duì)于靜態(tài)特性曲線有所偏離，并向頻率變化的方向移動(dòng)。掃頻速度越快，偏離越大；當(dāng)靜態(tài)特性曲線對(duì)稱時(shí)，隨著掃頻速度加快，動(dòng)態(tài)特性曲線明顯出現(xiàn)不對(duì)稱，并向頻率變化的方向一側(cè)傾斜；動(dòng)態(tài)特性曲線較平緩，其3dB帶寬大于靜態(tài)特性曲線的3dB帶寬；小結(jié)：測量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，必須用掃頻法；為了得到靜態(tài)特性，必須選擇極慢的掃頻速度以得到近似的靜態(tài)特性曲線，或采用點(diǎn)頻法。第3頁/共28頁6.2掃頻儀工作原理掃頻源1掃頻儀電路工作原理第4頁/共28頁6.2掃頻儀工作原理2

掃頻源

典型的掃頻源應(yīng)具備下列三方面功能：產(chǎn)生掃頻信號(hào)（通常是等幅正弦波）；產(chǎn)生同步輸出的掃描信號(hào)，可以是三角波、正弦波或鋸齒波等；產(chǎn)生同步輸出的頻率標(biāo)記，可以是等頻率間隔的通用頻標(biāo)、專用于某項(xiàng)測試的專用頻標(biāo)及活動(dòng)頻標(biāo)。第5頁/共28頁掃頻單元6.2掃頻儀工作原理第6頁/共28頁頻標(biāo)單元

頻率標(biāo)記是掃頻測量中的頻率定度。產(chǎn)生頻標(biāo)的基本方法是差頻法，利用差頻方式可產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)頻標(biāo)，頻標(biāo)的數(shù)目取決于和掃頻信號(hào)混頻的基準(zhǔn)頻率的成分。6.2掃頻儀工作原理第7頁/共28頁菱形頻標(biāo)利用差頻法得到，適用于測量高頻段的頻率特性。對(duì)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行限幅、整形和微分，形成含有很多諧波成分的尖脈沖，再和掃頻信號(hào)混頻。脈沖頻標(biāo)由菱形頻標(biāo)變換而來的。將菱形頻標(biāo)送去觸發(fā)單穩(wěn)電路并產(chǎn)生輸出，整形后形成極窄的矩形脈沖頻標(biāo)，也叫針形頻標(biāo)。寬度較菱形頻標(biāo)窄。線形頻標(biāo)狀如一條條極細(xì)的垂直亮線，是光柵增輝式顯示器特有的頻標(biāo)形式。6.2掃頻儀工作原理頻率標(biāo)記的種類第8頁/共28頁6.2掃頻儀工作原理單一頻標(biāo)產(chǎn)生的工作原理第9頁/共28頁6.2掃頻儀工作原理多個(gè)頻標(biāo)產(chǎn)生的工作原理第10頁/共28頁6.2掃頻儀工作原理多個(gè)菱形頻標(biāo)波形圖第11頁/共28頁Y通道單元6.2掃頻儀工作原理第12頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理1時(shí)域和頻域的關(guān)系時(shí)域——由信號(hào)隨時(shí)間的變化情況表征頻域——由信號(hào)包含的頻率分量，即頻譜分布情況描述相互間關(guān)系：有確切的內(nèi)部關(guān)系——為一傅氏變換對(duì)第13頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理

信號(hào)的時(shí)域與頻域描述圖A(幅值)tfAtAf一般為幅度譜或功率譜第14頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理2頻譜分析儀的分類非實(shí)時(shí)頻譜分析儀實(shí)時(shí)頻譜分析儀工作原理多通道（信道）濾波式時(shí)基壓縮式掃頻超外差式相關(guān)存儲(chǔ)濾波式快速傅里葉變換（FFT）式第15頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理

實(shí)時(shí)頻譜儀和非實(shí)時(shí)頻譜儀實(shí)時(shí)分析應(yīng)達(dá)到的速度與被分析信號(hào)的帶寬及所要求的頻率分辨率有關(guān)。一般認(rèn)為，實(shí)時(shí)分析是指在長度為T的時(shí)段內(nèi)，完成頻率分辨率達(dá)到1/T的譜分析；或者待分析信號(hào)的帶寬小于儀器能夠同時(shí)分析的最大帶寬。在一定頻率范圍數(shù)據(jù)分析速度與數(shù)據(jù)采集速度相匹配，不發(fā)生積壓現(xiàn)象，這樣的分析就是實(shí)時(shí)的；如果待分析的信號(hào)帶寬超過這個(gè)頻率范圍，則是非實(shí)時(shí)分析。第16頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理基本框圖濾波器輸入檢波顯示器BPF正比于該頻率分量幅度的直流信號(hào)某一頻率3工作原理用很多窄帶濾波器把各頻率分量濾出第17頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理并行濾波法

輸入電路輸入BPFｎBPF1……

每個(gè)濾波器之后都有各自的檢波器，無需電子開關(guān)切換及檢波建立時(shí)間，因此速度快，能夠滿足實(shí)時(shí)分析的需要。但是可顯示的頻譜分量數(shù)目取決于濾波器的數(shù)目，所以需要大量的濾波器。多通道（信道）濾波式第18頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理輸入BPFｎBPF1……順序?yàn)V波法

由多個(gè)通帶互相銜接的帶通濾波器和共用檢波器構(gòu)成。用多個(gè)頻率固定且相鄰的窄帶帶通濾波器陣列來區(qū)分被測信號(hào)的各種頻率成分，因此得以全面記錄被測信號(hào)。第19頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理特點(diǎn)：順序分析，硬件少?？烧{(diào)BPF通常調(diào)諧頻率范圍不寬。

目前只用于窄帶頻譜分析。掃描濾波法

輸入BPF可調(diào)中心頻率可調(diào)第20頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理外差掃頻式本機(jī)振蕩fL中頻放大器掃描放大器濾波器混頻器fxxyfx第21頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理FFT型實(shí)時(shí)頻譜儀第22頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理掃頻超外差式頻譜儀第23頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理5技術(shù)性能指標(biāo)

輸入頻率范圍頻譜儀能正常工作的最大頻率區(qū)間，由掃描本振的頻率范圍決定?，F(xiàn)代頻譜儀的頻率范圍通常可從低頻段至射頻段，甚至微波段，如1KHz~4GHz。頻率掃描寬度（Span）另有分析譜寬、掃寬、頻率量程、頻譜跨度等不同叫法。通常根據(jù)測試需要自動(dòng)調(diào)節(jié)，或人為設(shè)置。掃描寬度表示頻譜儀在一次測量（也即一次頻率掃描）過程中所顯示的頻率范圍，可以小于或等于輸入頻率范圍。第24頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理掃描時(shí)間（SweepTime，簡作ST）即進(jìn)行一次全頻率范圍的掃描、并完成測量所需的時(shí)間，也叫分析時(shí)間。通常掃描時(shí)間越短越好，但為保證測量精度，掃描時(shí)間必須適當(dāng)。與掃描時(shí)間相關(guān)的因素主要有頻率掃描范圍、分辨率帶寬、視頻濾波?，F(xiàn)代頻譜儀通常有多檔掃描時(shí)間可選擇，最小掃描時(shí)間由測量通道的電路響應(yīng)時(shí)間決定。第25頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理相位噪聲/頻譜純度相位噪聲簡稱相噪，是頻率短期穩(wěn)定度的指標(biāo)之一，反映了極短期內(nèi)的頻率變化程度，表現(xiàn)為載波邊帶，所以也稱邊帶噪聲。通常用在源頻率的某一頻偏上相對(duì)于載波幅度下降的dBc數(shù)值表示，如在9KHz頻偏處＜－90dBc。相噪由本振信號(hào)頻率或相位不穩(wěn)定引起，還與分辨率帶寬有關(guān)：RBW減小，相噪相應(yīng)降低。有效設(shè)置頻譜儀參數(shù)可使相噪達(dá)到最小，但無法消除。相噪也是影響頻譜儀分辨不等幅信號(hào)的因素之一。第26頁/共28頁6.3頻譜分析儀工作原理

動(dòng)態(tài)范圍（DynamicRange）即同時(shí)可測的最大與最小信號(hào)的幅度比。動(dòng)態(tài)范圍受限于輸入混頻器的失真特性、