頻域測量(part2)課件

第八章part28.3頻譜分析儀的概述8.3.1信號的時域與頻域分析信號的時域和頻域特性在數(shù)學(xué)上可表示為一對傅里葉變換關(guān)系：圖8.25時域與頻域觀測之間的關(guān)系（8.11）（8.12）示波器和頻譜儀是從不同角度觀測同一個電信號，各有不同的特點。示波器從時域上容易區(qū)分電信號的相位關(guān)系，如圖8.26中(a)是基波與二次諧波起始峰值對齊的合成波形（線性相加）；(b)是基波與二次諧波起始相位相同合成的波形，兩者合成波形相差很大，在示波器上可以明顯地看出來。而在頻譜儀上仍是兩個頻率分量，看不出差異。但是，如果合成電路（如放大器）有非線性失真，即基波和二次諧波信號不能線性相加，兩者則有交互作用，像混頻器一樣會產(chǎn)生新的頻率分量，這在示波器上難以覺察到，而在頻譜儀上則會明顯看到由于非線性失真帶來的新的頻譜分量?？梢?，示波器和頻譜儀有各自的特點，并起到互為補(bǔ)充的作用。圖8.26不同相位合成的波形(a)(b)8.3.2頻譜儀的主要用途現(xiàn)代頻譜儀有著極寬的測量范圍，觀測信號頻率可高達(dá)幾十GHz，幅度跨度超過140dB。故使頻譜儀有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用場合，以至被稱為射頻萬用表，成為一種基本的測量工具。目前，頻譜儀的主要應(yīng)用于如下一些方面：1.正弦信號的頻譜純度2.調(diào)制信號的頻譜3.非正弦波（如脈沖信號、音頻、視頻信號）的頻譜4.通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)質(zhì)量5.激勵源響應(yīng)的測量6.放大器的性能測試7.噪聲頻譜的分析8.電磁干擾的測量頻譜分析儀的基本原理頻譜分析儀是使用不同方法在頻域內(nèi)對信號的電壓、功率、頻率等參數(shù)進(jìn)行測量并顯示的儀器。一般有FFT分析（實時分析）法、非實時分析法兩種實現(xiàn)方法。FFT分析法：在特定時段中對時域數(shù)字信號進(jìn)行FFT變換，得到頻域信息并獲取相對于頻率的幅度、相位信息?？沙浞掷脭?shù)字技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，非常適于非周期信號和持續(xù)時間很短的瞬態(tài)信號的頻譜測量。頻譜分析儀的分類

模擬式頻譜儀與數(shù)字式頻譜儀模擬式頻譜儀：以掃描式為基礎(chǔ)構(gòu)成，采用濾波器或混頻器將被分析信號中各頻率分量逐一分離。所有早期的頻譜儀幾乎都屬于模擬濾波式或超外差結(jié)構(gòu)，并被沿用至今數(shù)字式頻譜儀：非掃描式，以數(shù)字濾波器或FFT變換為基礎(chǔ)構(gòu)成。精度高、性能靈活，但受到數(shù)字系統(tǒng)工作頻率的限制。目前單純的數(shù)字式頻譜儀一般用于低頻段的實時分析，尚達(dá)不到寬頻帶高精度頻譜分析頻譜分析儀的分類

實時頻譜儀和非實時頻譜儀實時分析應(yīng)達(dá)到的速度與被分析信號的帶寬及所要求的頻率分辨率有關(guān)。一般認(rèn)為，實時分析是指在長度為T的時段內(nèi)，完成頻率分辨率達(dá)到1/T的譜分析；或者待分析信號的帶寬小于儀器能夠同時分析的最大帶寬。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，這樣的分析就是實時的；如果待分析的信號帶寬超過這個頻率范圍，則是非實時分析。8.3.3頻譜儀的分類模擬式

實時----并行濾波法順序濾波法非實時可調(diào)濾波法掃頻外差法數(shù)字式數(shù)字濾波法快速傅里葉變換（FFT）計算法

檔級濾波式頻譜儀

也叫順序濾波頻譜儀，由多個通帶互相銜接的帶通濾波器和共用檢波器構(gòu)成。用多個頻率固定且相鄰的窄帶帶通濾波器陣列來區(qū)分被測信號的各種頻率成分，因此得以全面記錄被測信號。

這種方法簡單易行，但在頻帶較寬或較高頻段的情況下需要大量濾波器，儀器體積過大；由于通帶窄，分辨力和靈敏度都不是很高。一般用于低頻段的音頻測試等場合。并行濾波式頻譜儀

與檔級濾波式的區(qū)別在于每個濾波器之后都有各自的檢波器，無需電子開關(guān)切換及檢波建立時間，因此速度快，能夠滿足實時分析的需要。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。掃頻濾波式頻譜儀

實質(zhì)是一個中心頻率在整個寬帶頻率范圍內(nèi)可調(diào)諧的窄帶濾波器。當(dāng)它的諧振頻率改變時，濾波器就分離出特定的頻率分量。

掃頻濾波式頻譜儀與檔級濾波式一樣，是一種非實時頻譜測量。結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉。缺點是電調(diào)諧濾波器損耗大、調(diào)諧范圍窄、頻率特性不均勻、分辨率差，目前這種方法只適用于窄帶頻譜分析。電路：

圖8.27并行濾波頻譜儀方案圖8.28順序濾波頻譜儀方案圖8.29可調(diào)濾波頻譜儀方案圖8.30外差法頻譜儀方案數(shù)字濾波式頻譜儀

數(shù)字濾波式頻譜儀在現(xiàn)代頻譜分析儀中占有重要地位。數(shù)字濾波器的形狀因子較小，因而提高了頻譜儀的頻率分辨率；具有數(shù)字信號處理的高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和可編程性等普遍優(yōu)點。

利用數(shù)字濾波器可以實現(xiàn)頻分或時分復(fù)用，因此僅用一個數(shù)字濾波器就可以實現(xiàn)與并行濾波式等效的實時頻譜儀。用單個數(shù)字濾波器代替多個模擬濾波器之后，濾波器的中心頻率由時基電路控制使之順序改變。②快速傅里葉（FFT）分析法：是一種軟件計算法?，F(xiàn)已有專門的FFT(快速傅里葉)計算器，將它與數(shù)據(jù)采集和顯示電路相配合，則可組成頻譜儀，如圖8.32所示。通常采用DSP（DigitalSignalProcessor）數(shù)字信號處理器來完成FFT的頻譜分析功能。在速度上明顯超過傳統(tǒng)的模擬式掃描頻譜儀，能夠進(jìn)行實時分析。應(yīng)當(dāng)指出，通常應(yīng)用的大多是外差式模擬頻譜儀。較好的現(xiàn)代頻譜儀則采用模擬與數(shù)字混合的方案。純數(shù)字式FFT頻譜儀目前主要用于低頻段，但隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字式頻譜儀有著很好的發(fā)展前景。圖8.32快速傅里葉變換式頻譜儀方案外差式頻譜儀的頻率變換原理與超外差式收音機(jī)相同：利用無線電接收機(jī)中普遍使用的自動調(diào)諧方式，通過改變掃頻本振的頻率來捕獲待測信號的不同頻率分量。也稱掃頻外差式頻譜儀。掃頻外差式方案是實施頻譜分析的傳統(tǒng)途徑，在高頻段占據(jù)優(yōu)勢地位。

8.4超外差式頻譜分析儀基礎(chǔ)知識：超外差接收機(jī)（收音機(jī)、電視機(jī)、通信、雷達(dá)等接收機(jī)）本地振蕩器何謂？外差：早期電臺同發(fā)fs、fL超外差：fL移入接收機(jī)本振：fL成了本地振蕩器fs混頻器中頻放大器檢波器放大器高頻調(diào)諧電路fL決定選擇性8.4.2實例1：BP-1型頻譜儀是國產(chǎn)的早期產(chǎn)品，性能指標(biāo)不高，用它講解原理比較簡明易懂。變頻器M0(+)2.3~5.3MHz100Hz～3MHz3MHz～6MHz3MHZ～30MHz被測信號100Hz～30MHz(設(shè)fs=10MHz1KHz標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波)fs10MHz第一混頻M1(–)第二混頻M2(–)第三混頻M3(–)窄帶濾波器檢波對數(shù)放大垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)第一本振第二本振第三本振掃描發(fā)生器水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)3～6MHz5MHz700kHz60kHz60kHzWyABCD15MHz4.3MHz6,30,150Hz760±15kHzWx0.2~0.3S圖8.35BP-1頻譜儀原理框圖K2K11122從圖中可以看到以下特點：1.多級變頻從框圖可以看出頻譜儀主要電路是一臺超外差接收機(jī)。為了提高分辨頻譜能力，則要提高接收機(jī)的選擇性，而決定選擇性的通頻帶：（8.13）諧振回路的Q值提高較困難，故欲使減小，主要措施是降低信號頻率，因此要通過多次變頻將被測信號的頻譜搬移到較低的中頻上，這樣窄帶濾波器才容易實現(xiàn)?，F(xiàn)以被測信號為10MHz的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波來說明其工作過程。第三本振是掃頻的，它將三根譜線依次地移入窄帶濾波器（即第三中頻放大器），它的帶寬有6、30、150Hz三檔可選。ttttuAuBuCuD000000004.31kHz1kHz1kHz1kHz10MHz5MHz700kHz60kHzffff(MHz)(MHz)(KHz)(KHz)15105760z|A||A||A||A|圖8.36BP-1各點波形圖**8.5頻譜儀的主要技術(shù)特性(自學(xué))由于頻譜儀主要組成部分是超外差接收機(jī)，因此其主要技術(shù)特性類似接收機(jī)，即選擇性、靈敏度、動態(tài)范圍等技術(shù)參數(shù)。主要技術(shù)指標(biāo)1．頻率范圍：是指能達(dá)到頻譜分析儀規(guī)定性能的工作頻率區(qū)間。2．掃頻寬度：也稱分析寬度，是指頻譜分析儀在一次掃描分析過程中所顯示的頻率范圍，也就是本機(jī)振蕩器的掃頻寬度。3．掃描時間：指掃描一次整個頻率量程并完成測量所需要的時間，也稱分析時間。一般希望測量越快越好，即掃描時間越短越好，但也不可能任意地縮短，必須兼顧相關(guān)因素的影響，適當(dāng)設(shè)置。4．測量范圍：是指在任何環(huán)境下可以測量的最大信號與最小信號的比值。5．靈敏度：是指頻譜分析儀測量微弱信號的能力，定義為顯示幅度為滿刻度時，輸入信號的最小電平值。6．分辨率：是指頻譜分析儀能把靠得很近的兩個頻譜分量分辨出來的能力。由于屏幕顯示的譜線實際上是窄帶濾波器的動態(tài)幅頻特性，因而頻譜分析儀的分辨率主要取決于窄帶濾波器的通頻帶寬度，因此定義窄帶濾波器幅頻特性的3dB帶寬為頻譜儀的分辨率.7．動態(tài)范圍：頻譜分析儀能以給定精度測量、分析輸入端同時出現(xiàn)的兩個信號的最大功率比（用dB表示）。它實際上表示頻譜分析儀顯示大信號和小信號的頻譜的能力。8.5.4典型產(chǎn)品簡介表8.3給出了幾種型號頻譜儀的技術(shù)性能參數(shù)。表8.3幾種型號頻譜儀的技術(shù)性能38萬元型號頻率范圍分辯力帶寬靈敏度動態(tài)范圍頻率準(zhǔn)確度幅度準(zhǔn)確度HP8593E9kHz～26.5GHz30Hz～30MHz-117dBm103dB1.2kHz～10GHz±3dBAgilentE4440A3Hz～26.5GHz1Hz～2MHz-145dBm114Db1kHz～10GHz±3DbR3271A100Hz～26.5GHz10Hz～3MHz-123dBm100dB210Hz～10GHz±4dBFSMS100Hz～26.5GHz10Hz～3MHz-135dBm100dB210Hz～10GHz±2.5dBTEK2784100Hz～40GHz3Hz～3MHz-125dBm100dB145Hz～20GHz±5dBAV403150kHz～22GHz1kHz～3MHz-107dBm71dB20MHz～10GHz±3dB8.6頻譜儀的應(yīng)用頻譜分析儀是一種綜合性的、多功能的信號特性測試儀器，廣泛地用于各學(xué)科，被譽(yù)為“射頻萬用表”。由于頻譜儀具有靈敏度高、頻帶寬等特點，在射頻及微波頻率下使用特別得心應(yīng)手。例如，頻譜儀一般可測量到微伏級微弱信號，而一般示波器只能測到毫伏級，一般頻率計只能測到幾十毫伏信號。頻譜儀頻率范圍可從幾kHz到幾十GHz，而示波器頻帶高于幾百MHz則很昂貴了。尤其是對信號的失真及調(diào)制信號的測試更顯示其優(yōu)越性，例如，信號5%的失真在示波器難以覺察，而在頻譜儀上極小的失真都能看出來。本節(jié)簡要地介紹頻譜儀的一些典型應(yīng)用原理和方法。8.6.1頻譜純度(寄生頻率分量和噪聲)的測定理想的正弦信號由它的幅度、頻率、相位這三個參數(shù)來表征，在頻譜儀上為一根譜線，頻譜純度非常好。但實際的正弦信號還應(yīng)加上諧波含量、雜波含量、噪聲含量、寄生調(diào)制、頻率穩(wěn)定度、幅度穩(wěn)定度等寄生參數(shù)，因此實際正弦信號的頻譜可能有如圖8.46所示的圖像。當(dāng)頻譜儀采用寬帶線性掃頻時，可以方便地識別被測信號的基波譜線和各次諧波譜線。若縱坐標(biāo)選用對數(shù)刻度，調(diào)節(jié)頻譜儀的增益使基波譜線高度等于0dB，那么各次諧波譜線所對應(yīng)的縱軸刻度就是該次諧波的含量，例如．圖8.46中所示的二次諧波含量為-30dB，三次諧波含量為-40dB。8.6.2調(diào)幅信號的測量tf0FU0UMma的大小反映了調(diào)幅的深度，稱為調(diào)幅系數(shù)。單音調(diào)幅信號的頻譜包含三個頻率分量，一個是載波，另外兩個對稱地分布在載波兩側(cè)，稱為邊帶分量，邊帶分量的幅度正好是調(diào)制信號幅度的一半，邊帶分量與載波分量的頻率差正好是調(diào)制頻率。圖8.47已調(diào)幅信號的頻譜圖MARKERΔ1.0KHZ-26dB1/2UM1/2maU01.掃頻方法當(dāng)一個已調(diào)幅信號送入頻譜儀時，頻譜儀用掃頻方法將會得到如圖8.47所示的頻譜圖象。根據(jù)載波譜線與邊帶譜線之間的距離則可確定調(diào)制頻率。調(diào)整頻譜儀的增益，使載波譜線的高度為0dB，那么邊帶分量的幅度USi（dB）可以直接從邊帶譜線對應(yīng)的縱坐標(biāo)讀出，由此可求得調(diào)幅系數(shù)為（8.20）例如，fm=1kHz，ΔdB=26dB，則調(diào)制頻率為1kHz，調(diào)幅度。2.時域方法

當(dāng)掃頻寬度SPAN減到零（零跨度），把中心頻率調(diào)到被測調(diào)幅信號的載頻，此時頻譜儀實質(zhì)上是一臺調(diào)幅接收機(jī)，故熒光屏上顯示的圖象即是被測調(diào)幅信號檢波后的包絡(luò)(如圖8.48)。這時，頻譜儀就是一個頻率可選擇的示波器，帶寬等于最寬的分辨率帶寬。雖然其帶寬比示波器小得多，但頻譜儀可以對頻率高達(dá)325GHz的時域測量。這是示波器無法做到的。3.921GHz321.4MHz21.4MHz3MHz9kHz~29.5GHz第一變頻M1(+)第二變頻M2(–)第三變頻M3(–)窄帶濾波器檢波對數(shù)放大第一本振掃描發(fā)生器×ABCD3~6.8GHz中手調(diào)的某點頻30Hz~3MHz掃頻寬度SPAN減到零（零跨度）顯示屏結(jié)論：零跨度下的頻譜儀變成了一臺中心頻率可調(diào)的窄帶示波器。tf0FU0UPUvUM在頻譜儀上可以檢出調(diào)幅波，測出包絡(luò)的峰值Up和谷值Uv則可知調(diào)幅系數(shù)為（8.21）例如：調(diào)制頻率為100Hz，ma=10%的調(diào)幅信號用上述方法測量可得到兩種曲線，如圖8.48所示。由圖中得出：T＝10ms，X＝Uv／UP＝0.818，fm=1/T=100Hz，根據(jù)式8.21計算得到：

ma=(l－0.818)/(l＋0.818)＝10％。UPUv1．如何理解“實時”頻譜分析的含義？傳統(tǒng)的掃頻式頻譜儀為什么不能進(jìn)行實時頻譜分析？FFT分析儀為什么能夠進(jìn)行