第5章 頻域測(cè)量

第5章頻域測(cè)量5.1頻譜分析的基本概念5.2掃描式頻譜儀5.3傅里葉分析儀5.4相位噪聲測(cè)量5.5小結(jié)第5章頻域測(cè)量5.1頻譜分析的基本概念5.2掃描式頻譜儀5.3傅里葉分析儀5.4相位噪聲測(cè)量5.5小結(jié)信號(hào)頻譜：信號(hào)的全部頻率分量組成的幅度譜時(shí)間幅度(功率)頻率時(shí)域測(cè)量頻域測(cè)量頻譜的兩種基本類型：連續(xù)頻譜、離散頻譜Ot)(1tvLLOw()wj1V離散頻譜Ot)(1tvOw()wj1V頻域時(shí)域連續(xù)頻譜時(shí)頻關(guān)系時(shí)域信號(hào)頻域頻譜變換方式連續(xù)周期離散非周期傅立葉級(jí)數(shù)連續(xù)非周期連續(xù)非周期傅立葉變換離散非周期連續(xù)周期序列的傅立葉變換離散周期離散周期離散傅立葉級(jí)數(shù)結(jié)論：周期離散非周期連續(xù)頻譜儀模擬式（掃描式）數(shù)字式（非掃描式）濾波式外差式FFT計(jì)算法數(shù)字濾波法第5章頻域測(cè)量5.1頻譜分析的基本概念

5.2掃描式頻譜儀

5.3傅里葉分析儀5.4相位噪聲測(cè)量5.5小結(jié)第5章頻域測(cè)量5.2掃描式頻譜儀

5.2.1濾波式頻譜分析技術(shù)5.2.2外差式頻譜儀第5章頻域測(cè)量5.2掃描式頻譜儀

5.2.1濾波式頻譜分析技術(shù)5.2.2外差式頻譜儀濾波式頻譜分析的基本原理帶通濾波器檢波器顯示器濾波式頻譜儀有以下幾種：檔級(jí)濾波式頻譜儀并行濾波式頻譜儀掃頻濾波式頻譜儀數(shù)字濾波式頻譜儀中心頻率多個(gè)或可變檔級(jí)濾波式頻譜儀x前置放大器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器門(mén)門(mén)門(mén)門(mén)脈沖分配器脈沖發(fā)生器階梯波發(fā)生器X放大Y放大u檢波并行濾波，串行檢波

測(cè)量的實(shí)時(shí)性差體積大、分辨力不高適用于低頻段的音頻測(cè)試濾波器組：中心頻率固定、相鄰，通帶互相銜接并行濾波式頻譜儀Y放大前置放大器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器檢波器檢波器檢波器檢波器電子掃描開(kāi)關(guān)掃描發(fā)生器X放大ux同時(shí)測(cè)量Aff1f2并行濾波，并行檢波

速度快，測(cè)量的實(shí)時(shí)性強(qiáng)體積大掃頻濾波式頻譜儀視頻檢波器X放大Y放大ux電調(diào)諧濾波器鋸齒波發(fā)生器……中心頻率可調(diào)的窄帶濾波器測(cè)量的實(shí)時(shí)性差結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉損耗大，調(diào)諧范圍窄，分辨力差數(shù)字濾波式頻譜儀uxA/D數(shù)據(jù)緩存數(shù)字濾波器數(shù)字檢波平均顯示時(shí)基地址控制等效多個(gè)模擬濾波器中心頻率由時(shí)基電路控制改變頻率分辨力高處理精度高第5章頻域測(cè)量5.2掃描式頻譜儀

5.2.1濾波式頻譜分析技術(shù)5.2.2外差式頻譜儀基本原理：與超外差式收音機(jī)相同RFLOIF中心頻率固定為混頻器衰減放大低通濾波混頻器中頻濾波檢波視頻濾波本振斜波發(fā)生X放大Y放大被測(cè)信號(hào)經(jīng)衰減、放大、低通濾波，加到混頻器掃描鋸齒波驅(qū)動(dòng)本振，產(chǎn)生本振掃頻信號(hào)兩信號(hào)混頻，產(chǎn)生豐富的頻率分量中頻濾波器將分量濾出，即中頻信號(hào)中頻信號(hào)經(jīng)檢波、視頻濾波、放大，加到垂直偏轉(zhuǎn)板掃描鋸齒波加到水平偏轉(zhuǎn)板，形成頻率軸組成和工作過(guò)程頻率變換原理RFLOIF有兩個(gè)頻率成分都可通過(guò)中頻濾波器需要的不需要的鏡像頻率，記為當(dāng)測(cè)量頻率成分的幅值時(shí)，頻率成分的幅值會(huì)迭加在其上，引起測(cè)量誤差頻率變換測(cè)量誤差解決方法：提高中頻頻率，從而增加鏡像頻率fimag和頻率分量fX的頻率間距交疊高中頻頻率變換頻率變換輸入頻率范圍本振頻率范圍鏡像頻率范圍低通濾波A多級(jí)混頻---將高中頻信號(hào)降低到固定低中頻低通濾波帶通濾波帶通濾波射頻輸入100KHz~3GHz第一本振4GHz~6.9GHz3.9GHz第二本振第三本振3.56GHz340MHz329.3MHz10.7MHz主要性能指標(biāo)輸入頻率范圍頻譜儀可以測(cè)量的最大頻率區(qū)間主要由掃描本振的頻率范圍決定頻率掃描寬度（Span）一次測(cè)量（一次頻率掃描）所顯示的頻率范圍小于或等于輸入頻率范圍可手動(dòng)設(shè)置或自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率分辨力（Resolution）將最近鄰的兩個(gè)頻率分量區(qū)分開(kāi)的能力由中頻濾波器的分辨帶寬（RBW）決定顯示分辨帶寬3dBLO混頻器鋸齒波檢波器輸入頻譜3dB10kHz10kHzRBW頻率精度頻率軸讀數(shù)的精度與本振頻率穩(wěn)定度、掃描寬度、分辨帶寬等因素有關(guān)掃描時(shí)間（SweepTime，ST）完成一次掃描測(cè)量所需的時(shí)間，也叫分析時(shí)間掃描時(shí)間和測(cè)量精度應(yīng)綜合考慮掃描時(shí)間與頻率掃描寬度、分辨帶寬、視頻濾波帶寬相關(guān)相位噪聲理想本振信號(hào)頻譜實(shí)際本振信號(hào)頻譜本振信號(hào)頻率短期穩(wěn)定度指標(biāo)偏離本振頻率某一個(gè)頻偏處，相對(duì)于本振幅度下降的dBc數(shù)相噪由本振信號(hào)頻率或相位不穩(wěn)定引起本振越穩(wěn)定，分辨帶寬越窄，相噪越小絕對(duì)幅度（dBm）相對(duì)幅度（dB）相對(duì)頻率絕對(duì)頻率幅度測(cè)量精度動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍可同時(shí)測(cè)量的最大與最小信號(hào)的幅值之比本底噪聲（NoiseFloor）來(lái)自頻譜儀內(nèi)部的熱噪聲導(dǎo)致信噪比下降，頻譜圖中為接近顯示底部的噪聲基線靈敏度/噪聲電平可測(cè)最小信號(hào)電平的能力

信號(hào)電平1dB壓縮點(diǎn)1dB壓縮1dB壓縮點(diǎn)確定放大器的線性工作區(qū)1dB壓縮點(diǎn)輸入輸出最大輸入電平正常工作時(shí)輸入電平的最大限度由衰減器、第一級(jí)混頻器決定第5章頻域測(cè)量5.1頻譜分析的基本概念

5.2掃描式頻譜儀5.3傅里葉分析儀5.4相位噪聲測(cè)量5.5小結(jié)第5章頻域測(cè)量5.3傅里葉分析儀5.3.1FFT分析儀原理5.3.2FFT分析儀的實(shí)現(xiàn)第5章頻域測(cè)量5.3傅里葉分析儀5.3.1FFT分析儀原理5.3.2FFT分析儀的實(shí)現(xiàn)FFT分析儀原理及組成低通濾波取樣電路ADCsfFFT數(shù)字信號(hào)處理器輸入衰減器顯示器衰減器：調(diào)理輸入幅度到允許的范圍內(nèi)低通濾波：濾除允許頻率范圍之外的高頻成分取樣和ADC電路：模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)微處理器：用FFT算法計(jì)算頻譜FFT分析儀的特點(diǎn)基本特性FFT第n個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值為FFT計(jì)算結(jié)果的頻率范圍:結(jié)論：FFT是基帶變換，適合處理基帶信號(hào)FFT分析之前的數(shù)字頻帶搬移

窄帶帶通信號(hào)不適于直接用FFT計(jì)算頻譜模擬濾波取樣電路ADCsfFFT數(shù)字信號(hào)處理器數(shù)字濾波數(shù)字正弦波中頻信號(hào)基帶信號(hào)fLfHf（a）0fLfH-fLff（b）（c）00頻譜搬移ADC輸出的待測(cè)中頻帶限信號(hào)頻譜數(shù)字正弦波頻譜，fL選中頻帶限信號(hào)截止頻率數(shù)字濾波器輸出頻譜這個(gè)過(guò)程也叫數(shù)字下變頻降數(shù)據(jù)率抽取與抗混疊濾波

由fstep=fS/N可知，為提高頻譜分辨力，可降低采樣速率fS、增加FFT分析點(diǎn)數(shù)N

過(guò)低的fS會(huì)引起頻譜混疊、減小分析帶寬，導(dǎo)致信噪比下降；FFT的分析點(diǎn)數(shù)不能無(wú)限增大解決方案：（1）抽取數(shù)字信號(hào)以降低數(shù)據(jù)率（2）對(duì)抽取后數(shù)據(jù)數(shù)字濾波頻譜泄漏及其處理FFT采用有限長(zhǎng)的時(shí)間記錄進(jìn)行付氏變換，在總體上不斷重復(fù)，以代表對(duì)實(shí)際無(wú)限長(zhǎng)序列的積分有限長(zhǎng)處理，必然要截?cái)囝l譜泄漏解決辦法：加窗處理，減小頻譜泄漏窗函數(shù)：漢寧窗、凱塞窗、矩形窗FFT分析儀的性能指標(biāo)頻率特性頻率分辨力：取決于采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)，Δf=fS/N頻率范圍：由采樣頻率fS決定幅度特性動(dòng)態(tài)范圍：取決于ADC位數(shù)、運(yùn)算字長(zhǎng)或精度靈敏度：取決于本底噪聲，主要由前置放大器噪聲決定幅度讀數(shù)精度：幅度誤差來(lái)源包括計(jì)算處理誤差、頻譜混疊誤差、頻譜泄漏誤差等多種系統(tǒng)誤差，以及每次單個(gè)記錄分析所含的統(tǒng)計(jì)誤差分析速度取決于N點(diǎn)FFT的運(yùn)算時(shí)間、平均處理時(shí)間及結(jié)果處理時(shí)間。

其他特性

可選的窗函數(shù)種類；數(shù)據(jù)觸發(fā)方式；顯示方式等第5章頻域測(cè)量5.3傅里葉分析儀5.3.1FFT分析儀原理5.3.2FFT分析儀的實(shí)現(xiàn)1.硬件實(shí)現(xiàn)可選方案：ASIC、FPGA、DSP選擇準(zhǔn)則：可編程性、集成度、開(kāi)發(fā)周期、性能、功耗可編程性集成度開(kāi)發(fā)周期性能功耗ASIC低較低短最佳中FPGA較高高最長(zhǎng)兩者相當(dāng)?shù)虳SP最高高較長(zhǎng)高選用哪種方案實(shí)現(xiàn)頻譜分析？

ASIC：提供有限的可編程性和集成水平，通?？蔀槟稠?xiàng)固定功能提供最佳解決方案；

FPGA：可為高度并行或涉及線性處理的高速信號(hào)處理提供最佳解決方案，如數(shù)字濾波器等的設(shè)計(jì)；

DSP：可為復(fù)雜決策分析等功能提供最佳可編程解決方案，如FFT這樣具有順序特性的信號(hào)處理。結(jié)論：鑒于頻譜分析通常需要較高的可編程性，因此使用DSP實(shí)現(xiàn)FFT，而使用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波、抽取等其他數(shù)字信號(hào)處理2.軟件實(shí)現(xiàn)

匯編語(yǔ)言，如DSP匯編語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言，如CVI提供FFT函數(shù)第5章頻域測(cè)量5.1頻譜分析的基本概念

5.2掃描式頻譜儀5.3傅里葉分析儀5.4相位噪聲測(cè)量5.5小結(jié)相位噪聲表征信號(hào)短期穩(wěn)定度，反映頻譜純度時(shí)域中表現(xiàn)為波形過(guò)零點(diǎn)抖動(dòng)，不易辨別頻域中表現(xiàn)為載波的邊帶，較易測(cè)量單邊帶相位噪（SSB）：源信號(hào)頻譜中，在載波頻率的某一固定頻偏處的1Hz帶寬內(nèi)的電平幅度，與載波電平幅度之差，單位為dBc（1Hz）或dBc/HzAAPNACfTfoff1Hzf本振信號(hào)測(cè)量載波電平幅度AC測(cè)量頻偏foff處的相位噪聲幅度APN

頻譜儀測(cè)量相位噪聲分兩步：A(foff)是距載波頻偏foff處1Hz帶寬內(nèi)的單邊帶相位噪聲，單位為