電子測量技術(shù)

電子丈量技術(shù)西南交通大學電氣工程學院孫永奎:yksun@6頻域丈量技術(shù)6.1概述6.2頻譜分析儀6.1概述頻域和時域的關(guān)系頻譜分析常用頻域測試儀器6.1.1頻域和時域的關(guān)系時域丈量頻域丈量時間頻率振幅頻域與時域6.1.2頻譜分析在頻域中分析信號的頻率分量的情況。經(jīng)過對信號進展傅立葉變換，將信號表示成一個基波分量和許多諧波分量之和的方式，確定信號的頻譜。頻譜密度由無窮個沖激函數(shù)組成離散性：頻譜是離散的，由無窮多個沖激函數(shù)組成；諧波性：譜線只在基波頻率的整數(shù)倍上出現(xiàn)，即譜線代表的是基涉及其高次諧波分量的幅度或相位信息；收斂性：各次諧波的幅度隨著諧波次數(shù)的增大而逐漸減小。1.周期信號的頻譜特性頻譜密度函數(shù)F(jω)是ω的延續(xù)函數(shù)當f(t)為實函數(shù)時，有F(jω)=F*(-jω)當f(t)為虛函數(shù)時，有F(jω)=-F*(-jω)無論f(t)為實函數(shù)或虛函數(shù)，幅度譜|F(jω)|關(guān)于縱軸對稱，相位譜ej(ω)關(guān)于原點對稱2.非周期信號的頻譜特性脈沖寬度是時域概念指在一個周期內(nèi)脈沖波形的兩個零點之間的時間間隔；頻帶寬度〔帶寬〕是頻域概念在周期信號頻譜中，從零頻率到需求思索的最高次諧波頻率之間的頻段即為該信號的有效占有帶寬；實踐運用中，常把零頻到頻譜包絡(luò)線第一個零點間的頻段作為頻帶寬帶3.脈沖寬度和頻帶寬度信號f(t)的能量定義為4.信號的能量譜令能量密度譜，簡稱能量譜或能譜，表示單位頻帶內(nèi)所含能量。任何帶寬內(nèi)的信號能量均與能量譜曲線下相應(yīng)的面積成正比5.信號的功率譜信號f(t)的功率定義為令，那么有功率密度譜，簡稱功率譜，表示單位頻帶內(nèi)單位頻帶內(nèi)的功率6.信號的頻譜分析技術(shù)頻譜分析以付里葉分析為實際根底，可對不同頻段的信號進展線性或非線性分析對信號本身的頻率特性分析對線性系統(tǒng)非線性失真的丈量7.頻譜分析儀的根本原理FFT分析〔實時分析〕法在特定時段中對時域數(shù)字信號進展FFT變換，得到頻域信息并獲取相對于頻率的幅度、相位信息7.頻譜分析儀的根本原理〔續(xù)〕離散時域信號的頻譜特性時域周期非周期延續(xù)離散頻域周期非周期延續(xù)離散付氏變換7.頻譜分析儀的根本原理〔續(xù)〕非實時分析法掃頻式分析差頻式分析〔外差式分析〕8.頻譜分析儀的分類按分析處置方法分類：模擬式頻譜儀、數(shù)字式頻譜儀、模擬/數(shù)字混合式頻譜儀按根本任務(wù)原理分類：掃描式頻譜儀、非掃描式頻譜儀按處置的實時性分類：實時頻譜儀、非實時頻譜儀；按頻率軸刻度分類：恒帶寬分析式頻譜儀、恒百分比帶寬分析式頻譜儀按輸入通道數(shù)目分類：單通道、多通道頻譜儀；按任務(wù)頻帶分類：高頻、射頻、低頻等頻譜儀8.頻譜分析儀的分類〔續(xù)〕模擬式頻譜儀與數(shù)字式頻譜儀模擬式頻譜儀：以掃描式為根底構(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別。一切早期的頻譜儀幾乎都屬于模擬濾波式或超外差構(gòu)造，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變換為根底構(gòu)成。精度高、性能靈敏，但遭到數(shù)字系統(tǒng)任務(wù)頻率的限制。目前單純的數(shù)字式頻譜儀普通用于低頻段的實時分析，尚達不到寬頻帶高精度頻譜分析8.頻譜分析儀的分類〔續(xù)〕實時頻譜儀和非實時頻譜儀普通以為，實時分析是指在長度為T的時段內(nèi)，完成頻率分辨率到達1/T的譜分析；或者待分析信號的帶寬小于儀器可以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)生積壓景象，這樣的分析就是實時的；假設(shè)待分析的信號帶寬超越這個頻率范圍，那么是非實時分析。8.頻譜分析儀的分類〔續(xù)〕恒帶寬與恒百分比帶寬分析式頻譜儀恒帶寬分析式頻譜儀：頻率軸為線性刻度，信號的基頻分量和各次諧波分量在橫軸上等間距陳列，適用于周期信號和波形失真的分析。恒百分比帶寬分析式頻譜儀：頻率軸采用對數(shù)刻度，頻率范圍覆蓋較寬，能兼顧高、低頻段的頻率分辨率，適用于噪聲類廣譜隨機信號的分析。6.1.3常用頻域測試儀器1.頻率特性測試儀(掃頻儀)2.頻譜分析儀3.網(wǎng)絡(luò)分析儀6.2頻譜分析儀頻譜分析儀的種類外差式頻譜分析儀頻譜分析儀的主要性能目的頻譜分析儀實例6.2.1頻譜分析儀的種類按信號處置方式的不同模擬式頻譜分析儀

數(shù)字式頻譜分析儀模擬數(shù)字混合式頻譜分析儀

模擬式頻譜分析儀

以模擬濾波器為根底，用濾波器來實現(xiàn)信號中個頻率成分的分別，分別出的頻率分量經(jīng)檢波器檢波成直流后，由顯示器顯示出來。并行濾波式頻譜分析儀順序濾波式頻譜分析儀掃描式頻譜分析儀外差式頻譜分析儀〔1〕并行濾波式頻譜分析儀〔2〕順序濾波式頻譜分析儀〔3〕掃描式頻譜分析儀〔4〕外差式頻譜分析儀數(shù)字式頻譜分析儀數(shù)字濾波式頻譜分析儀快速傅立葉變換〔FFT〕頻譜分析儀以數(shù)字方式對信號進展頻譜分析，精度高，動態(tài)范圍寬，任務(wù)頻率不高?！?〕數(shù)字濾波式頻譜分析儀〔2〕FFT頻譜分析儀模擬數(shù)字混合式頻譜分析儀

將外差技術(shù)和數(shù)字技術(shù)結(jié)合進展頻譜分析，頻率范圍廣，分辨力高。時間緊縮式頻譜分析儀采用數(shù)字中頻的外差式頻譜分析儀6.2.2外差式頻譜分析儀任務(wù)頻率范圍寬，靈敏度高任務(wù)原理

采用外差技術(shù)來提取信號的頻率分量，使信號各頻率分量依次進入中頻放大器而被提取出來進展頻譜分析。任務(wù)原理

提高性能的措施

多次變頻以獲得較高靈敏度和分辨力采用鎖相頻率合成技術(shù)提高本地振蕩器的頻率穩(wěn)定度6.2.3頻譜分析儀的主要性能目的頻率分辨力

頻率分辨力是反映頻譜分析儀頻率特性的主要性能目的。指頻譜分析儀可以分辨的最小譜線間隔，表征頻譜分析儀可以區(qū)分兩個頻率相鄰信號的才干。頻率分辨力是由頻譜分析儀中窄帶濾波器的帶寬〔3dB帶寬〕決議。其數(shù)值越小，頻率分辨力越強。6.2.3頻譜分析儀的主要性能目的頻率分辨力

6.2.3頻譜分析儀的主要性能目的頻率分辨力

頻率分辨力和本地振蕩器的掃頻速度有關(guān)。這是由與頻譜分析儀的窄帶濾波器的幅頻特性曲線與掃頻速度有關(guān)。當掃頻速度為零時，窄帶濾波器的幅頻特性曲線的3dB帶寬稱為靜態(tài)分辨力。當掃頻速度不為零時，窄帶濾波器的幅頻特性曲線的3dB帶寬稱為動態(tài)分辨力。靈敏度與動態(tài)范圍

靈敏度指在給定分辨帶寬、顯示方式和其他影響要素的條件下，頻譜分析儀能丈量最小信號電平的才干。是反映頻譜分析儀幅度特性的兩個主要的性能目的。頻譜分析儀的靈敏度主要取決于儀器內(nèi)部的噪聲電平。普通情況下，最小信號電平通常應(yīng)高于噪聲電平10dB。靈敏度與動態(tài)范圍

動態(tài)范圍指頻譜分析儀可以同時丈量的最大信號電平與最小信號電平之差。是反映頻譜分析儀幅度特性的兩個主要的性能目的。最大信號電平由頻譜分析儀的最正確輸入電平?jīng)Q議；最小信號電平由頻譜儀的靈敏度決議。靈敏度與動態(tài)范圍

掃頻寬度、分析時間與掃頻速度

掃頻寬度是指頻譜分析儀在一次頻譜分析過程中顯示的頻率范圍，即與顯示屏程度軸起止點相對應(yīng)的頻率之差。是反映頻譜分析儀掃頻特性的三個主要的性能目的。掃頻寬度普通可以調(diào)理。調(diào)寬掃頻寬度，便于察看信號頻譜的全貌；調(diào)窄掃頻寬度，便于分析信號頻譜的細節(jié)。掃頻寬度、分析時間與掃頻速度

分析時間是指完成一次掃頻過程所需求的時間，也即從頻譜分析儀顯示屏程度軸最左端到最右端掃頻一次所需求的時間。是反映頻譜分析儀掃頻特性的三個主要的性能目的。分析時間主要受分辨帶寬濾波器的限制。掃頻寬度、分析時間與掃頻速度

掃頻速度是指掃頻寬度與分析時間之比。是反映頻譜分析儀掃頻特性的三個主要的性能目的。掃頻速度的大小對頻譜分析儀的頻率分辨力有較大影響，應(yīng)合理選擇。掃頻速度靜態(tài)分辨力6.2.4頻譜分析儀實例性能目的與面板引見

MS2711B型頻譜分析儀安立〔Anritsu〕公司①方式鍵〔MODE〕用于選擇丈量方式〔頻譜分析、功率監(jiān)視、跟蹤發(fā)生器、快速調(diào)諧跟蹤發(fā)生器〕激活與頻率有關(guān)的功能菜單〔設(shè)置中心頻率、掃頻寬度、起始頻率和終止頻率等②頻率/掃頻寬度鍵〔FREQ/SPAN〕激活與幅度有關(guān)的功能菜單〔設(shè)置參考電平、幅度范圍等〕③幅度鍵〔AMPLITUDE〕激活與帶寬和掃頻有關(guān)的功能菜單〔設(shè)置頻率分辨力等〕④帶寬/掃頻鍵〔BW/SWEEP〕頻譜測試

第一步：翻開電源

第二步：接入被測信號〔-10dBm,900MHz〕第三步：設(shè)置中心頻率〔FREQ/SPAN,900MHz〕第四步：設(shè)置掃頻寬度〔FREQ/SPAN,20MHz〕頻譜測試

第一步：翻開電源

第二步：接入被測信號〔-10dBm,900MHz〕第三步：設(shè)置中心頻率〔FREQ/SPAN,900MHz〕第四步：設(shè)置掃頻寬度〔FREQ/SPAN,20MHz〕第五步：設(shè)置幅度顯示〔AMPLITUDE,參考電平-10dBm,10dB/格〕頻譜測試

第一步：翻開電源