測控技術(shù)第七章課件

第七章信號的頻域分析與測量－、引言

頻域和時域表明了動態(tài)信號的兩個觀察面，即這兩種觀察信號方法的角度不同。波形分析是以時間軸為坐標(biāo)表示動態(tài)信號的關(guān)系；頻譜分析是把動態(tài)信號變?yōu)橐灶l率軸為坐標(biāo)表示出來。時域表示較為形象和直觀，頻域表示動態(tài)信號則更為簡練，剖析問題更加深刻和方便。頻域的分析和測量包括兩類：一是分析信號的頻譜特性，另一是測量系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)）的頻域特性（又稱掃頻測量）。1、信號的頻譜分析概述

一個平穩(wěn)信號的非實時頻譜分析，采用了頻率掃描的工作方式，如下圖所示。

數(shù)字式濾波器及FFT技術(shù)在信號的頻譜分析中得到廣泛的應(yīng)用。

2、頻率特性的測量（掃頻測量）概述

在掃頻測量中，用一個頻率隨時間按一定規(guī)律，在一定頻率范圍內(nèi)掃動的掃頻信號代替以往使用的固定頻率信號，可以對被測網(wǎng)絡(luò)或信號頻譜進(jìn)行快速、定性或定量的動態(tài)測量，給出被測網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性和傳輸特性的實時測量結(jié)果。

1、頻譜分析儀的種類

頻譜分析儀種類繁多，可以從多種角度對它們進(jìn)行分類。例如，可分為模擬式和數(shù)字式、實時型和非實時型、單通道和多通道型、濾波法和計算法等。模擬式頻譜儀是以模擬濾波器為基礎(chǔ)構(gòu)成的；數(shù)字式頻譜儀是以數(shù)字濾波器或FFT為基礎(chǔ)構(gòu)成的。實時分析是指在長度為T的時間內(nèi)完成的頻率分辨率達(dá)到1/THz的譜分析，因此只能在一定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行實時分析。在該范圍內(nèi)，分析速度數(shù)據(jù)采集速度相匹配，不會發(fā)生數(shù)據(jù)“積壓”現(xiàn)象。如果要求分析的信號頻帶超過了這一頻率范圍，則分析成為非實時的，對于平穩(wěn)信號，其頻譜不隨時間變化，則無需實時分析。2、濾波式頻譜分析

（1）濾波式頻譜分析的基本組成和性能指標(biāo)

帶通濾波器主要考慮的性能指標(biāo)有帶寬、波形因子、響應(yīng)時間，動態(tài)特性等。帶寬——

通常用半功率帶寬即3dB帶寬BW3來表示濾波器的帶寬。

濾波器的帶寬反映了它能區(qū)分兩個靠得很近、同樣幅值、不同頻率信號的能力。帶寬越窄，頻率的分辨率越高。

波形因子——波形因子定義為濾波器特性曲線兩側(cè)衰減達(dá)60dB的帶寬BW60與3dB帶寬BW3之比，表示為SF=BW60

/BW3，它反映了頻譜儀能區(qū)分幅度相差很大（60dB）的兩個頻率分量的能力，它也被當(dāng)作選擇性指標(biāo)。

響應(yīng)時間和動態(tài)特性

——通常將達(dá)到穩(wěn)定幅度90％所需的時間稱為濾波器的響應(yīng)（建立）時間，記做TR，它與帶寬BW成反比。由于掃描式頻譜儀工作時總是處在掃描過程中，輸入至濾波器的信號是一個動態(tài)信號，濾波器不斷處于新信號的建立過程中，因而出現(xiàn)動態(tài)頻率特性曲線，且隨著掃速變化而變化，如圖所示。

當(dāng)掃速一定時，濾波器的動態(tài)分辨力帶寬BWd與靜態(tài)分辨力帶寬BWs的關(guān)系曲線如圖所示。由圖可見，存在一個BWs值，對應(yīng)該掃速下的動態(tài)分辨力帶寬BWd最小。這一BWd值稱為最佳動態(tài)分辨力，記作BWod，與之相應(yīng)的靜態(tài)分辨力為BWos。理論上，兩者之間關(guān)系為

頻譜儀中采用有效值檢波，檢波包含了平方檢波、平均和開方的處理過程。平均時常數(shù)TA的大小，對頻譜分析結(jié)果有較大影響，尤其是分析瞬態(tài)信號或非平穩(wěn)信號時。在分析周期信號和平穩(wěn)噪聲信號時，應(yīng)使RC常數(shù)與帶通濾波器的中心頻率f0和帶寬BW相適應(yīng)，TA可表達(dá)為還可以根據(jù)要求的誤差范圍，來選擇平均時常數(shù)的長度。對于平穩(wěn)隨機(jī)信號，經(jīng)濾波器和檢波器后，測得值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為

RSA6100A系列高性能實時頻譜分析儀性能參數(shù)革命性的DPX?頻譜處理技術(shù)，每秒執(zhí)行>48,000次頻譜測量，可分析最短至24μs的瞬變基于發(fā)生頻度的顏色等級顯示觸發(fā)標(biāo)配可變帶寬中頻功率觸發(fā)、外部觸發(fā)和線路觸發(fā)40MHz和110MHz頻率模板觸發(fā)，檢測頻域中的任何變化捕獲6.2GHz和14GHz兩種型號高達(dá)110MHz的捕獲帶寬，>73dBc的動態(tài)范圍3GPP信號上79dBcACLR測量功能(已校正噪聲)高達(dá)1GB的采集內(nèi)存分析全面的時間相關(guān)多域顯示，把頻率、相位、幅度和調(diào)制隨時間變化問題關(guān)聯(lián)起來基于Windows的用戶界面，10.4英寸觸摸屏、小鍵盤、鼠標(biāo)和鍵盤輸入標(biāo)配USB,1GbLAN,GPIB和DVD/RWTEKReal-TimeSpectrumAnalyzerRSA3408?RSA3303A?RSA3308A?WCA230A?WCA280A

RSA3408?RSA3303A?RSA3308A?WCA230A?WCA280A

TriggerTektronixExclusiveFrequencyMaskTriggerMakesEvent-basedCaptureofTransientRFSignalsEasybyTriggeringonAnyChangeintheFrequencyDomainCaptureAllInputSignalsupto36

MHz*1SpansareSeamlesslyCapturedIntoMemoryLongRecordLengthEnablesCompleteAnalysisOverTimeWithoutMakingMultipleAcquisitionsInterfaceswithTekConnect?ProbesforRFandBasebandProbingAgilentPSA系列

E4448A頻譜分析儀E4448A特性動態(tài)范圍-154dBm顯示平均噪聲級（DANL）+18dBm三階互調(diào)（TOI）（+21dBm典型）-116dBc/Hz相位噪聲（10kHz偏置）（-118dBc/Hz典型）精確度±0.62dB絕對振幅精度(±0.24dB典型)±0.38dB頻率響應(yīng)(±0.11dB典型)±0.07dB對數(shù)放大線性度速度快速低電平寄生搜索<30ms快速ACP測量50測量/秒本地更新率，45測量/秒遠(yuǎn)地測量標(biāo)準(zhǔn)特性：具有自動量程功能的全數(shù)字IF相噪優(yōu)化全套檢波器套件160個分辨率帶寬設(shè)置（10%步進(jìn))2dB步進(jìn)衰減器FFT及掃頻測量模式門通選掃頻全套單鍵功率測量用內(nèi)置的CISPR和MIL標(biāo)準(zhǔn)預(yù)兼容EMI檢波器和帶寬進(jìn)行EMI測量可選特性:簡便易用的內(nèi)置PSA系列測量專用件

調(diào)制分析及鏈接到89601A矢量信號分析軟件使頻率覆蓋至325GHz的外部組合

內(nèi)置前置放大器(選項1DS:100kHz-3GHz;選項110:10MHz-50GHz)E4407B-COMESA-E通訊測試分析儀特性0.4dB的總體幅值精度1Hz至5MHz的分辨率帶寬（RBW：分辨率帶寬）16dBm第三階截獲（TOI）-167dBm的顯示平均噪聲電平（DANL）精確頻率參考10MHz的解調(diào)帶寬GSM/GPRS/EDGE、cdmaOne及靈活的調(diào)制分析測量特性

同安捷倫廣受歡迎的89601A矢量信號分析軟件結(jié)合，可得到完整的靈活解調(diào)分析和深度解決問題的工具

支持噪聲系數(shù)測量特性的集成測量

支持相位噪聲測量特性的集成測量

調(diào)制分析特性

CATV服務(wù)與安裝特性

程序代碼對HP8566/68的兼容性

程序代碼對8590系列頻譜分析儀的兼容性

免費(fèi)的IntuiLinkPC軟件，用于屏幕顯示和數(shù)據(jù)傳輸

BenchLink頻譜分析儀連接軟件

全球支持易于選擇快速交付SCPI編程及IVICOM驅(qū)動程序支持

設(shè)被測信號為：

x(t)=sinω1t+sin2ω1t+sin3ω1t（3）順序式頻譜儀與并行濾波式相比，順序濾波式頻譜節(jié)省了大量的檢波電路，但必須考慮檢波器的時常數(shù)和記錄儀的動態(tài)特性。(5)外差式頻譜儀

外差式頻譜儀由于進(jìn)行掃描分析，是一種順序分析法，信號中的各頻率分量不是同時被測量的，因而不能提供實時分析，只適用于周期信號或平穩(wěn)噪聲的分析，外差式頻譜儀具有頻率范圍寬、靈敏度高、頻率分辨力可變等優(yōu)點，是頻譜儀中數(shù)量最多的一種，從幾十Hz到325GHz范圍內(nèi)都有產(chǎn)品，高頻頻譜儀幾乎全部是外差式的。目前常用的外差掃頻式頻譜儀有全景式和掃中頻式兩種，前者可在一次掃頻過程中觀察信號整個頻率范圍的頻譜；后者一次掃描過程只能觀察某一較窄頻段的頻譜，但可以實現(xiàn)較高分辨力的分析。

（6）數(shù)字濾波式實時頻譜儀

利用數(shù)字濾波器可以實現(xiàn)頻分復(fù)用和時分復(fù)用，因而僅用一個數(shù)字濾波器，即可構(gòu)成一個與并行濾波法等效的實時頻譜分析儀。方案如圖所示。

數(shù)字濾波器工作的時間過程，從微觀上看是時分的，而從整體上看各個頻率濾波是“同時”進(jìn)行的，因而分析過程是實時的，數(shù)字系統(tǒng)的工作速度決定了等效通道的多少。

3、計算法頻譜分析

（1）計算法頻譜儀的基本構(gòu)成

計算法是采用快速傅立葉變換（FFT）和數(shù)字濾波等數(shù)字信號處理技術(shù)，通過對采集的信號序列進(jìn)行頻譜計算，得到信號的頻譜分析的，它的基礎(chǔ)是FFT計算，計算法頻譜分析儀的構(gòu)成如圖所示。數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分是由抗混疊低通濾波器、采樣保持（S/H）和ADC幾個部分組成。譜泄漏——

若截取長度T不與信號周期成整數(shù)倍關(guān)系，則周期信號的基頻和各次諧波不在n/T

頻率上，卷積后，各頻率分量將泄漏到其它譜線位置上，造成譜泄漏。因此對周期信號應(yīng)采用同步采集，即使一個樣本長度T內(nèi)含整數(shù)個信號周期。對于非周期信號，它的頻譜在頻率在軸上連續(xù)取值，因截斷帶來的泄漏現(xiàn)象不可避免，只能在進(jìn)行頻譜計算之前對采樣序列進(jìn)行窗函數(shù)加載，使泄漏現(xiàn)象得到改善。數(shù)字信號處理（DSP）

DSP部分的核心是FFF運(yùn)算，通過它進(jìn)行包括頻譜分析在內(nèi)的各種運(yùn)算，獲得信號的復(fù)數(shù)譜，它包含了振幅譜和相位譜的信息。為了減少噪聲對信號的影響，DSP中還采用了平滑和平均，以保證頻譜分析質(zhì)量。平滑——

平滑通常采用低通濾波器來實現(xiàn)，濾除高頻干擾，可使信號被平滑。平均——

在計算頻譜時，通常是將多個頻譜做總體平均，用來減少平穩(wěn)隨機(jī)過程信號頻譜的統(tǒng)計誤差，使譜質(zhì)量大為提高。通常，F(xiàn)FT分析儀在給定指標(biāo)時，也指明是對多少次的平均而言。

頻率分辨力是頻譜儀的重要指標(biāo)。在濾波法中，對于兩個等幅的，頻率為f1和f2的正弦信號，將谷點比峰點下降3dB時，兩峰的頻率間隔作為濾波器的分辨力帶寬。

在計算法中若也用這個頻率間隔作為頻率分辨力值Δf=|f1-f2

|，則計算頻譜儀的分辨力近似為可見，可以通過增加樣點數(shù)N或增加采樣時間T來提高頻率分辨率。計算法譜分析的基本步驟如下：·

選定頻率范圍，并由此設(shè)定抗混疊低通濾波器的帶寬；·

選擇采樣頻率fs

>2.56fmax，如果抗混疊低通濾波器的截止特性不好，則應(yīng)適當(dāng)提高采樣頻率以補(bǔ)償；·根據(jù)頻率分辨力的要求，選定點數(shù)N，使在被分析信號序列的長度內(nèi)包含兩個以上的基頻周期；·設(shè)定平均方式和平均參數(shù)，選擇窗函數(shù)類型；·最后對所得到的離散譜做出正確的解釋。（2）FFT分析儀

采用數(shù)字中頻的外差式頻譜儀

這種頻譜儀融合了外差掃描與數(shù)字處理、實時分析技術(shù)于一體，使頻譜分析儀的性能得到很大提高。

數(shù)字中頻由如下兩部分組成：(1)采用數(shù)字帶通濾波器取代模擬中頻濾波器數(shù)字濾波器可做成很窄的分辨力帶寬和很優(yōu)良的波形因子，可以使掃速提高，這就從根本上改善了頻譜分析的質(zhì)量。(2)采用FFT實時分析，提高了分辨力和分析速度。

FFT過程可視為一組濾波器同時工作，這是一種實時分析技術(shù)，速度比單個濾波器進(jìn)行掃描式分析快了數(shù)百倍。

由于中頻采用了數(shù)字技術(shù)，可采用數(shù)字功率測量來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的檢波，這時對于不同類型的信號，都能進(jìn)行準(zhǔn)確的功率測量。

4、頻譜分析儀的技術(shù)指標(biāo)(1)頻率特性

頻率范圍——能夠分析信號的頻率下限至上限的頻段。頻率分辨力——能夠區(qū)分譜線間隔的最小值。

(2)幅度特性

動態(tài)范圍——表征頻譜儀同時顯示大信號和小信號的能力，它是指顯示信號中最大與最小譜值的差，以dB表示。靈敏度——最小可分析的信號電平，表征頻譜儀測量微小信號的能力。

幅度精度(或誤差)——所測得的譜值的幅度讀數(shù)精度。

（3）分析速度與掃頻速度

分析速度——指完成一次頻譜分析所需要的時間。掃頻速度——掃頻寬度與分析時間之比，與儀器的動態(tài)分辨力密切相關(guān)。

5、頻譜分析儀的發(fā)展趨勢

實時化、數(shù)字化成為趨勢。利用數(shù)字濾波器和FFT取代模擬濾波器，用數(shù)字計算代替檢波，使頻率分辨力和靈敏度大為提高，并提高了精度、擴(kuò)大了動態(tài)范圍、波形適用性強(qiáng)。在現(xiàn)代頻譜儀中采用了高性能的數(shù)字信號處理（DSP）芯片，使分析速度、精度和分辨力等指標(biāo)不斷提高。

6、頻譜分析儀的應(yīng)用

（1）用頻譜儀測量失真度失真的概念

幅度失真——系統(tǒng)對不同頻率的信號的輸出幅度不同，產(chǎn)生幅度失真；

相位失真——系統(tǒng)對不同頻率信號相移的非線性，產(chǎn)生相位失真。非線性失真——電路中器件的非線性產(chǎn)生的失真，又稱諧波失真。非線性失真不同于幅度失真和相位失真，它使輸出信號產(chǎn)生了輸入信號中沒有的頻率成分。

非線性失真的程度用非線性失真系數(shù)r表示，其定義為信號諧波總功率與基波功率之比的算術(shù)根，即非線性失真系數(shù)簡稱為失真度，通常用百分比表示。測量非線性失真的方法主要有兩種：頻譜分析法和基波抑制法。用頻譜儀測量失真度用頻譜儀的測量調(diào)制度

用頻譜儀測量調(diào)幅度：調(diào)幅系數(shù)

ma=Um/Uc,Uc=0dB用頻譜儀測量調(diào)頻系數(shù)：調(diào)頻波的瞬時角頻率為

調(diào)頻系數(shù)：mf=Δω/ωm

用頻譜儀測量調(diào)頻波時是借助于貝賽爾函數(shù)的計算來確定調(diào)頻系數(shù)mf和頻偏Δf的。三、系統(tǒng)的頻率特性測量1、概述如圖是利用掃頻信號發(fā)生器和示波器測量頻率特性的原理方框圖。由掃頻信號發(fā)生器、示波器、檢波器構(gòu)成的專門用來測量頻率特性的儀器稱為頻率特性測試儀。頻率特性測試儀通常又稱作掃頻儀。

對于掃頻儀來說，掃頻信號的中心頻率應(yīng)當(dāng)是被測網(wǎng)絡(luò)通頻帶的中心頻率，掃頻寬度應(yīng)略大于被測網(wǎng)絡(luò)帶寬。為此要求掃頻振蕩器的中心頻率及掃頻寬度均可獨立調(diào)節(jié)。此外，若被測網(wǎng)絡(luò)的通頻帶很窄，那么它對快速瞬變過程將不能做出快速的反應(yīng)，這時掃描信號的頻率應(yīng)足夠低，否則顯示的頻率將產(chǎn)生較大的失真。多數(shù)掃頻儀本身都帶有掃頻振蕩器。按照掃頻振蕩器的類型，可將掃頻儀分為變?nèi)莨軖哳l儀、磁調(diào)制掃頻儀等。有的掃頻儀本身不帶掃頻振蕩器，它借助于掃頻信號發(fā)生器測量網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，這種掃頻儀稱為通用掃頻儀。2、光點掃描式通用掃頻儀

通用掃頻儀本身沒有掃頻振蕩器，它能