第5章 頻域測量

第5章頻域測量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相位噪聲測量5.5小結(jié)第5章頻域測量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相位噪聲測量5.5小結(jié)信號頻譜：信號的全部頻率分量組成的幅度譜時間幅度(功率)頻率時域測量頻域測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頻域時域連續(xù)頻譜時頻關(guān)系時域信號頻域頻譜變換方式連續(xù)周期離散非周期傅立葉級數(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計算法數(shù)字濾波法第5章頻域測量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相位噪聲測量5.5小結(jié)第5章頻域測量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或可變檔級濾波式頻譜儀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門門門脈沖分配器脈沖發(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

測量的實時性差體積大、分辨力不高適用于低頻段的音頻測試濾波器組：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關(guān)掃描發(fā)生器X放大ux同時測量Aff1f2并行濾波，并行檢波

速度快，測量的實時性強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)的窄帶濾波器測量的實時性差結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉損耗大，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)字檢波平均顯示時基地址控制等效多個模擬濾波器中心頻率由時基電路控制改變頻率分辨力高處理精度高第5章頻域測量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放大被測信號經(jīng)衰減、放大、低通濾波，加到混頻器掃描鋸齒波驅(qū)動本振，產(chǎn)生本振掃頻信號兩信號混頻，產(chǎn)生豐富的頻率分量中頻濾波器將分量濾出，即中頻信號中頻信號經(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程頻率變換原理RFLOIF有兩個頻率成分都可通過中頻濾波器需要的不需要的鏡像頻率，記為當測量頻率成分的幅值時，頻率成分的幅值會迭加在其上，引起測量誤差頻率變換測量誤差解決方法：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多級混頻---將高中頻信號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主要性能指標輸入頻率范圍頻譜儀可以測量的最大頻率區(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設(shè)置或自動調(diào)節(jié)頻率分辨力（Resolution）將最近鄰的兩個頻率分量區(qū)分開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)掃描時間（SweepTime，ST）完成一次掃描測量所需的時間，也叫分析時間掃描時間和測量精度應(yīng)綜合考慮掃描時間與頻率掃描寬度、分辨帶寬、視頻濾波帶寬相關(guān)相位噪聲理想本振信號頻譜實際本振信號頻譜本振信號頻率短期穩(wěn)定度指標偏離本振頻率某一個頻偏處，相對于本振幅度下降的dBc數(shù)相噪由本振信號頻率或相位不穩(wěn)定引起本振越穩(wěn)定，分辨帶寬越窄，相噪越小絕對幅度（dBm）相對幅度（dB）相對頻率絕對頻率幅度測量精度動態(tài)范圍動態(tài)范圍可同時測量的最大與最小信號的幅值之比本底噪聲（NoiseFloor）來自頻譜儀內(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/噪聲電平可測最小信號電平的能力

信號電平1dB壓縮點1dB壓縮1dB壓縮點確定放大器的線性工作區(qū)1dB壓縮點輸入輸出最大輸入電平正常工作時輸入電平的最大限度由衰減器、第一級混頻器決定第5章頻域測量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相位噪聲測量5.5小結(jié)第5章頻域測量5.3傅里葉分析儀5.3.1FFT分析儀原理5.3.2FFT分析儀的實現(xiàn)第5章頻域測量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：模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號微處理器：用FFT算法計算頻譜FFT分析儀的特點基本特性FFT第n個節(jié)點對應(yīng)的頻率值為FFT計算結(jié)果的頻率范圍:結(jié)論：FFT是基帶變換，適合處理基帶信號FFT分析之前的數(shù)字頻帶搬移

窄帶帶通信號不適于直接用FFT計算頻譜模擬濾波取樣電路ADCsfFFT數(shù)字信號處理器數(shù)字濾波數(shù)字正弦波中頻信號基帶信號fLfHf（a）0fLfH-fLff（b）（c）00頻譜搬移ADC輸出的待測中頻帶限信號頻譜數(shù)字正弦波頻譜，fL選中頻帶限信號截止頻率數(shù)字濾波器輸出頻譜這個過程也叫數(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分析點數(shù)N

過低的fS會引起頻譜混疊、減小分析帶寬，導(dǎo)致信噪比下降；FFT的分析點數(shù)不能無限增大解決方案：（1）抽取數(shù)字信號以降低數(shù)據(jù)率（2）對抽取后數(shù)據(jù)數(shù)字濾波頻譜泄漏及其處理FFT采用有限長的時間記錄進行付氏變換，在總體上不斷重復(fù)，以代表對實際無限長序列的積分有限長處理，必然要截斷頻譜泄漏解決辦法：加窗處理，減小頻譜泄漏窗函數(shù)：漢寧窗、凱塞窗、矩形窗FFT分析儀的性能指標頻率特性頻率分辨力：取決于采樣頻率和采樣點數(shù)，Δf=fS/N頻率范圍：由采樣頻率fS決定幅度特性動態(tài)范圍：取決于ADC位數(shù)、運算字長或精度靈敏度：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：幅度誤差來源包括計算處理誤差、頻譜混疊誤差、頻譜泄漏誤差等多種系統(tǒng)誤差，以及每次單個記錄分析所含的統(tǒng)計誤差分析速度取決于N點FFT的運算時間、平均處理時間及結(jié)果處理時間。

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分析儀的實現(xiàn)1.硬件實現(xiàn)可選方案：ASIC、FPGA、DSP選擇準則：可編程性、集成度、開發(fā)周期、性能、功耗可編程性集成度開發(fā)周期性能功耗ASIC低較低短最佳中FPGA較高高最長兩者相當?shù)虳SP最高高較長高選用哪種方案實現(xiàn)頻譜分析？

ASIC：提供有限的可編程性和集成水平，通?？蔀槟稠椆潭üδ芴峁┳罴呀鉀Q方案；

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

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實現(xiàn)FFT，而使用FPGA實現(xiàn)數(shù)字濾波、抽取等其他數(shù)字信號處理2.軟件實現(xiàn)

匯編語言，如DSP匯編語言高級語言，如CVI提供FFT函數(shù)第5章頻域測量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相位噪聲測量5.5小結(jié)相位噪聲表征信號短期穩(wěn)定度，反映頻譜純度時域中表現(xiàn)為波形過零點抖動，不易辨別頻域中表現(xiàn)為載波的邊帶，較易測量單邊帶相位噪（SSB）：源信號頻譜中，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本振信號測量載波電平幅度AC測量頻偏foff處的相位噪聲幅度APN

頻譜儀測量相位噪聲分兩步：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