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1、第八章频域测量第1页，共61页，编辑于2022年，星期三前言：前言：基础知识复习基础知识复习1.频率与波长：频率与波长：毫米波毫米波厘米波厘米波分米波分米波米波米波 f f101mm101mm101cm101cm1m10cm1m10cm101m101m c c30300GH30300GHz z330GHz330GHz0.33GHz0.33GHz30300MHz30300MHzf f=2.集总参数和分布参数：集总参数和分布参数：高频（高频（30300MHz）以下波段）以下波段，即波长大于，即波长大于1m的情况的情况 这时元器件为集总参数（元件尺寸这时元器件为集总参数（元件尺寸波长）波长）参数集中
2、在参数集中在R、L、C等元件中，认为与导线无关。等元件中，认为与导线无关。微波（微波（300MHz300GHz），），即波长小于即波长小于1m的情况的情况 这时元器件为分布参数（元件尺寸这时元器件为分布参数（元件尺寸 波长）波长）参数分布在腔体、窗口、微带线等微波器件中，与路径有关。参数分布在腔体、窗口、微带线等微波器件中，与路径有关。第2页，共61页，编辑于2022年，星期三3.本课主要介绍本课主要介绍扫频仪扫频仪(频率特性分析仪频率特性分析仪)的原理与应用的原理与应用 微波网络特性和微波网络特性和网络分析仪网络分析仪的工作原理的工作原理线性系统频率特性线性系统频率特性 频谱仪频谱仪(频谱分
3、析仪频谱分析仪)的用途、原理与分类的用途、原理与分类 扫频外差式频谱仪扫频外差式频谱仪的原理、特性和应用的原理、特性和应用信号的频谱分析信号的频谱分析 在微波（在微波（300MHz300GHz）主要用）主要用网络分析仪，本课不讲网络分析仪，本课不讲。但这种划分不是绝对的，实际上有些扫频仪可能工作到更高的但这种划分不是绝对的，实际上有些扫频仪可能工作到更高的频率，而有些网络分析仪可能工作到更低的工作频率。应当指频率，而有些网络分析仪可能工作到更低的工作频率。应当指出，这里讲的出，这里讲的“网络网络”是指由器件、元件组成的电子网络。当年是指由器件、元件组成的电子网络。当年提出提出“网络分析仪网络分
4、析仪”这一名字时，还没有计算机网络等现代网络这一名字时，还没有计算机网络等现代网络的概念。的概念。第3页，共61页，编辑于2022年，星期三8.1 线性系统幅频特性的测量线性系统幅频特性的测量 正弦稳态下的正弦稳态下的系统函数系统函数或或传输函数传输函数 就反映了该系统激励就反映了该系统激励与响应的关系与响应的关系 式中，式中，也可写成也可写成，就是下面要测量的，就是下面要测量的幅频特性幅频特性。是相频特性本节不讨论。是相频特性本节不讨论。第4页，共61页，编辑于2022年，星期三8.1.1 静态频率特性测量静态频率特性测量-点频法点频法 点频法就是点频法就是“逐点逐点”测量幅频特性的方法，注
5、意测量幅频特性的方法，注意明确被测电路和明确被测电路和选用相应仪器选用相应仪器。f0K(f)f特点特点：所测出的幅频特性是我们需要的：所测出的幅频特性是我们需要的电路系统在稳态情况下电路系统在稳态情况下的静态特性曲线的静态特性曲线。但由于要逐点测量，操作繁琐费时，并且由。但由于要逐点测量，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连续，可能遗漏掉某些特性突变点。这种方法于频率离散而不连续，可能遗漏掉某些特性突变点。这种方法一般只用于实验室测试研究；若用于生产线则效率太低了。一般只用于实验室测试研究；若用于生产线则效率太低了。如果能够在测试过程中，使信号源输出信号频率能自动地从低如果能够在测试过程中，使
6、信号源输出信号频率能自动地从低到高连续变化并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到高连续变化并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，就可自动地描绘出幅频特性曲线。到示波器上显示，就可自动地描绘出幅频特性曲线。第5页，共61页，编辑于2022年，星期三8.1.2 动态频率特性测量动态频率特性测量扫频法扫频法 1.扫频法的工作原理扫频法的工作原理 扫频法扫频法可以实现频率特性的可以实现频率特性的自动测绘自动测绘，而且不会像点频法那样，而且不会像点频法那样遗漏掉某些细节的问题。更值得注意的是，扫频法是在一定扫遗漏掉某些细节的问题。更值得注意的是，扫频法是在一定扫描速度下获得被测
7、电路的描速度下获得被测电路的动态频率特性动态频率特性，这比较符合被测电路，这比较符合被测电路的实际应用情况。的实际应用情况。扫频仪扫频仪=扫源扫源+示波器示波器第6页，共61页，编辑于2022年，星期三2.动态频率特性动态频率特性 随着扫描速度的提高，频率特性将扫频方向偏移，如图随着扫描速度的提高，频率特性将扫频方向偏移，如图8.3所示。所示。图中图中为静态特性，为静态特性，、为依次提高扫速时的动态特性曲线。为依次提高扫速时的动态特性曲线。可以看出可以看出动态频率特性动态频率特性有以下特点：有以下特点：(1)顶部最大值下降顶部最大值下降；(2)特性曲线被展宽特性曲线被展宽；(3)扫速愈高，偏移
8、愈严重扫速愈高，偏移愈严重。图图8.3 8.3 动态特性曲线动态特性曲线 其原因是由于通常与频率特性其原因是由于通常与频率特性有关的电路，实际上是由动态有关的电路，实际上是由动态元件元件L、C等元件组成的等元件组成的(如调如调谐电路谐电路)，信号在其上建立或消，信号在其上建立或消失都需要一定的时间，扫频速失都需要一定的时间，扫频速度太快时，信号在其上来不及度太快时，信号在其上来不及建立或消失，故谐振曲线出现建立或消失，故谐振曲线出现滞后且展宽，出现了滞后且展宽，出现了“失敏失敏”或或“钝化钝化”现象。现象。第7页，共61页，编辑于2022年，星期三8.1.3 扫频仪举例扫频仪举例BT-3型频率
9、特性测试仪型频率特性测试仪 BT-3型扫频仪主要用来测试宽带放大器、雷达接收机的中频放型扫频仪主要用来测试宽带放大器、雷达接收机的中频放大器、电视接收机的视频率特性及鉴频器特性，是一种较为典大器、电视接收机的视频率特性及鉴频器特性，是一种较为典型的频率特性测试仪，其框图如图型的频率特性测试仪，其框图如图8.4所示。所示。1.BT-3扫频仪的主要技术性能：扫频仪的主要技术性能：(1)中心频率：在中心频率：在1MHz300MHz内可任意调节，分内可任意调节，分1MHz75 MHz、75MHz150MHz、150MHz300MHz三个波段三个波段；(2)扫频频偏：扫频频偏：最大频偏最大频偏7.5MH
10、z；(3)扫频信号输出：输出电压扫频信号输出：输出电压0.1V（有效值），输出阻抗（有效值），输出阻抗75；(4)寄生调幅系数：最大频偏时寄生调幅系数：最大频偏时7.5%；(5)调频非线系数：最大频偏时调频非线系数：最大频偏时20%；(6)频标信号：频标信号：1MHz、10MHz和外接频标三种。和外接频标三种。第8页，共61页，编辑于2022年，星期三BT3C-A型型频率特性测试仪频率特性测试仪扫频信号输出端检波探头第9页，共61页，编辑于2022年，星期三第10页，共61页，编辑于2022年，星期三2.中心频率和扫频范围中心频率和扫频范围 本扫频仪工作时是以本扫频仪工作时是以某中心频率某中心
11、频率为中心进行为中心进行扫频扫频的。的。现以第现以第波段为例说其工作情况，中心频率是人工手调振荡回波段为例说其工作情况，中心频率是人工手调振荡回路中的可变电容路中的可变电容C，例如图中调到，例如图中调到100MHz。扫频是扫描电流。扫频是扫描电流IM作用于调制线圈作用于调制线圈LC使振荡频率在使振荡频率在100MHz中心频率的基础上产中心频率的基础上产生生7.5MHz 的频偏的频偏，即扫频范围最大只有，即扫频范围最大只有15MHz。100MHz100MHz75MHz75MHz150MHz150MHzf fo o f fL LC CI IMMI IMMC C92.5MHz92.5MHz107.5
12、MHz107.5MHz第11页，共61页，编辑于2022年，星期三3.频标产生的原理频标产生的原理 图图8.4框图右侧给出了频标产生电路的组成，现以框图右侧给出了频标产生电路的组成，现以1MHz频标为频标为例进行说明。例进行说明。图图8.6 8.6 频标的形成过程频标的形成过程100.02MHz100.02MHz99.98MHz99.98MHz1MHz1MHz振荡信号振荡信号的的100100次谐波次谐波100MHz100MHz图图8.7 8.7 加有频标的波形加有频标的波形(b)(b)(a)(a)第12页，共61页，编辑于2022年，星期三4.扫描信号与回扫处理扫描信号与回扫处理 本仪器为简化
13、设计，节约成本，是本仪器为简化设计，节约成本，是利用利用50Hz市电降压后用来做市电降压后用来做扫描信号的扫描信号的。本仪器是采用在回扫期间令振荡停振的办法（原。本仪器是采用在回扫期间令振荡停振的办法（原理框图中的理框图中的“截止脉冲形成电路截止脉冲形成电路”即是加扫频振荡器的停振信号）即是加扫频振荡器的停振信号）第13页，共61页，编辑于2022年，星期三最后，介绍几种典型扫频仪的技术参数供参考最后，介绍几种典型扫频仪的技术参数供参考(见表见表8.1)。表表8.1 几种典型扫频仪的技术参数几种典型扫频仪的技术参数 型号频率范围扫频范围不平坦度BT3C-VHF1300MHz 20MHz 0.2
14、5dBNW1251A1300MHz 1MHz 0.3dBNW1256D11000MHz全扫、窄扫/、单频 0.35dBNW12322Hz 2MHz20Hz 20kHz、2kHz 2MHz5%第14页，共61页，编辑于2022年，星期三 8.28.2 微波网络分析仪（简介）微波网络分析仪（简介）微波网络，是对实际的微波网络，是对实际的物理实体物理实体所进行的所进行的数学抽象数学抽象。虽然不能。虽然不能研究元件内部各点的场强，但微波元件的作用是通过它对研究元件内部各点的场强，但微波元件的作用是通过它对微波微波信号的传输特性来表征的信号的传输特性来表征的，而这一传输特性可用网络来表示，而这一传输特性
15、可用网络来表示（见图）。因此，当网络输入端的电压、电流及输出端的电压、（见图）。因此，当网络输入端的电压、电流及输出端的电压、电流之间的相互关系已知时，微波元件的特性也就完全确定了。电流之间的相互关系已知时，微波元件的特性也就完全确定了。双端口网络双端口网络外部特性参数外部特性参数有多种，应用最多的是有多种，应用最多的是散射参数散射参数S。微波网络分析仪微波网络分析仪主要用来测试网络的主要用来测试网络的S参数。参数。分为分为：标量网络分析仪标量网络分析仪：只对：只对S参数的幅值进行测量。参数的幅值进行测量。矢量网络分析仪矢量网络分析仪：具有定量测试矢量（幅值、相位）的能力。：具有定量测试矢量（
16、幅值、相位）的能力。第15页，共61页，编辑于2022年，星期三8.3 频谱分析仪的概述频谱分析仪的概述8.3.1 信号的时域与频域分析信号的时域与频域分析 信号的时域和频域特性在数学上可表示为一对傅里叶变换关系：信号的时域和频域特性在数学上可表示为一对傅里叶变换关系：图图8.25 8.25 时域与频域观测之间的关系时域与频域观测之间的关系（8.11）（8.12）第16页，共61页，编辑于2022年，星期三示波器和频谱仪是从不同角度观测同一个电信号，各有不同的示波器和频谱仪是从不同角度观测同一个电信号，各有不同的特点。特点。示波器从时域上容易区分电信号的相位关系示波器从时域上容易区分电信号的相
17、位关系，如图，如图8.26中中(a)是基波与二次谐波起始峰值对齐的合成波形（线性相加）；是基波与二次谐波起始峰值对齐的合成波形（线性相加）；(b)是基波与二次谐波起始相位相同合成的波形，两者合成波形是基波与二次谐波起始相位相同合成的波形，两者合成波形相差很大，在示波器上可以明显地看出来。而在频谱仪上仍是相差很大，在示波器上可以明显地看出来。而在频谱仪上仍是两个频率分量，看不出差异。但是，如果合成电路（如放大器）两个频率分量，看不出差异。但是，如果合成电路（如放大器）有非线性失真，即基波和二次谐波信号不能线性相加，两者则有非线性失真，即基波和二次谐波信号不能线性相加，两者则有交互作用，像混频器一
18、样会产生新的频率分量，这在示波器有交互作用，像混频器一样会产生新的频率分量，这在示波器上难以觉察到，而在上难以觉察到，而在频谱仪上则会明显看到由于非线性失真带频谱仪上则会明显看到由于非线性失真带来的新的频谱分量来的新的频谱分量。可见，示波器和频谱仪有各自的特点，并。可见，示波器和频谱仪有各自的特点，并起到互为补充的作用。起到互为补充的作用。图图8.26 8.26 不同相位合成的波形不同相位合成的波形(a)(b)第17页，共61页，编辑于2022年，星期三8.3.2 频谱仪的主要用途频谱仪的主要用途现代频谱仪有着极宽的测量范围，观测信号频率可高达几十现代频谱仪有着极宽的测量范围，观测信号频率可高
19、达几十GHz，幅度跨度超过，幅度跨度超过140dB。故使频谱仪有着相当广泛的应用场合，以至被称为故使频谱仪有着相当广泛的应用场合，以至被称为射频万用表射频万用表，成为一种基本的测量工具。目前，频谱仪的主要应用于如下一成为一种基本的测量工具。目前，频谱仪的主要应用于如下一些方面：些方面：1.正弦信号的频谱纯度正弦信号的频谱纯度 2.调制信号的频谱调制信号的频谱 3.非正弦波（如脉冲信号、音频、视频信号）的频谱非正弦波（如脉冲信号、音频、视频信号）的频谱 4.通信系统的发射机质量通信系统的发射机质量 5.激励源响应的测量激励源响应的测量 6.放大器的性能测试放大器的性能测试 7.噪声频谱的分析噪声
20、频谱的分析 8.电磁干扰的测量电磁干扰的测量 第18页，共61页，编辑于2022年，星期三音频信号与频谱示教音频信号与频谱示教第19页，共61页，编辑于2022年，星期三8.3.3 频谱仪的分类频谱仪的分类 频谱仪从工作原理上可分为模拟式与数字式两大类。模拟式频频谱仪从工作原理上可分为模拟式与数字式两大类。模拟式频谱仪是以模拟滤波器为基础的；数字式频谱仪是以数字滤波器谱仪是以模拟滤波器为基础的；数字式频谱仪是以数字滤波器或快速傅里叶变换为基础的。分类如下：或快速傅里叶变换为基础的。分类如下：模拟式模拟式 实时实时-并行滤波法并行滤波法 顺序滤波法顺序滤波法 非实时非实时 可调滤波法可调滤波法
21、扫频外差法扫频外差法数字式数字式数字滤波法数字滤波法快速傅里叶变换（快速傅里叶变换（FFTFFT）计算法）计算法 第20页，共61页，编辑于2022年，星期三8.3.4 频谱仪的工作原理频谱仪的工作原理 1.模拟式频谱仪模拟式频谱仪 思路思路：我们一起来设计频谱仪我们一起来设计频谱仪 f0f0+Fff0+Ffff移动滤波器移动滤波器滤波器不动滤波器不动上面移动频谱上面移动频谱方案一：并联滤波法方案一：并联滤波法方案二：移动滤波法方案二：移动滤波法方案三：扫频外差法方案三：扫频外差法逆向思维设计思想成功的典范逆向思维设计思想成功的典范：改变滤波器来找频谱是以改变滤波器来找频谱是以百变对应万变百变
22、对应万变，难度自然大，而，难度自然大，而扫频扫频外差法外差法是将频谱逐个移进不变的滤波器是以是将频谱逐个移进不变的滤波器是以不变对应万变不变对应万变。第21页，共61页，编辑于2022年，星期三电路：电路：图图8.27 8.27 并行滤波频谱仪方案并行滤波频谱仪方案 图图8.28 8.28 顺序滤波频谱仪方案顺序滤波频谱仪方案图图8.29 8.29 可调滤波频谱仪方案可调滤波频谱仪方案图图8.30 8.30 外差法频谱仪方案外差法频谱仪方案第22页，共61页，编辑于2022年，星期三2.数字式频谱仪数字式频谱仪 数字滤波法：是仿照模拟频谱仪，用数字滤波器代替模拟滤数字滤波法：是仿照模拟频谱仪，
23、用数字滤波器代替模拟滤 波器，如图波器，如图8.318.31所示。图中，所示。图中，数字滤波器的中心频率可由控数字滤波器的中心频率可由控 制制/时基电路使之顺序改变时基电路使之顺序改变。所谓数字滤波，其主要功能是对数字信号进行过滤处理。由于所谓数字滤波，其主要功能是对数字信号进行过滤处理。由于输入输入/输出都是数字序列，所以数字滤波器突实际上是一个序输出都是数字序列，所以数字滤波器突实际上是一个序列运算加工过程。与模拟滤波器相比它具有滤波特性好、可靠列运算加工过程。与模拟滤波器相比它具有滤波特性好、可靠性高、体积小、重量轻、便于大规模生产等优点。但是，目前性高、体积小、重量轻、便于大规模生产等
24、优点。但是，目前数字系统速度还不够高数字系统速度还不够高，故在使用上还有局限性。，故在使用上还有局限性。图图8.31 数字滤波式频谱仪方案数字滤波式频谱仪方案 第23页，共61页，编辑于2022年，星期三 快速傅里叶（快速傅里叶（FFT）分析法：）分析法：是一种软件计算法。是一种软件计算法。现已有专门的现已有专门的FFT(快速傅里叶快速傅里叶)计算器，将它与数据采集和显示计算器，将它与数据采集和显示电路相配合，则可组成频谱仪，如图电路相配合，则可组成频谱仪，如图8.32所示。所示。通常采用通常采用DSP（Digital Signal Processor）数字信号处理器来）数字信号处理器来完成完
25、成FFT的频谱分析功能。在速度上明显超过传统的模拟式扫的频谱分析功能。在速度上明显超过传统的模拟式扫描频谱仪，能够进行实时分析。描频谱仪，能够进行实时分析。应当指出，通常应用的大多是外差式模拟频谱仪。应当指出，通常应用的大多是外差式模拟频谱仪。较好的现代较好的现代频谱仪则采用模拟与数字混合的方案频谱仪则采用模拟与数字混合的方案。纯数字式纯数字式FFT频谱仪目频谱仪目前主要用于低频段前主要用于低频段，但随着数字技术的进步，数字式频谱仪有，但随着数字技术的进步，数字式频谱仪有着很好的发展前景。着很好的发展前景。图图8.32 快速傅里叶变换式频谱仪方案快速傅里叶变换式频谱仪方案 第24页，共61页，
26、编辑于2022年，星期三8.4 超外差式频谱分析仪超外差式频谱分析仪 基础知识：超外差接收机（收音机、电视机、通信、雷达等接基础知识：超外差接收机（收音机、电视机、通信、雷达等接收机）收机）本本 地地振荡器振荡器何谓？何谓？外差：早期电台同发外差：早期电台同发f fs s、f fL L超外差：超外差：f fL L移入接收机移入接收机本振：本振：f fL L成了本地振荡器成了本地振荡器f fs s混混 频频 器器中中 频频放大器放大器检检波波器器放大器放大器高高 频频调调谐谐电电路路f fL L决定选择性决定选择性第25页，共61页，编辑于2022年，星期三8.4.1 工作原理工作原理 现以一个
27、具体的例子来说明扫频外差频谱仪的工作原理。现以一个具体的例子来说明扫频外差频谱仪的工作原理。699699t tf f0 0-F Ff f0 0700700f f0 0+F F701701f f0 0F F图图8.33 8.33 调幅波及其频谱图调幅波及其频谱图混频器混频器窄窄 带带滤波器滤波器检波器检波器放大器放大器对对 数数扫扫 频频本本 振振锯锯 齿齿电压波电压波 15Hz15Hzf fI I=60KHz=60KHz频谱仪频谱仪=超外差接收机超外差接收机+示波器示波器外差式频谱仪的原理外差式频谱仪的原理可以简述为：可以简述为：扫频的本振与信号混频后，扫频的本振与信号混频后，使信号的各频谱分
28、量依次地移入窄带滤波器，检波放大后与扫使信号的各频谱分量依次地移入窄带滤波器，检波放大后与扫描时基线同步显示出来描时基线同步显示出来。其要点是。其要点是移频滤波移频滤波。第26页，共61页，编辑于2022年，星期三8.4.2 实例实例1：BP-1型频谱仪型频谱仪 是国产的早期产品，性能指标不高，用它讲解原理比较简明易懂。是国产的早期产品，性能指标不高，用它讲解原理比较简明易懂。变频器变频器MM0 0(+)(+)2.35.3MHz2.35.3MHz100Hz100Hz3MHz3MHz3MHz3MHz6MHz6MHz3MHZ3MHZ30MHz30MHz被测信号被测信号100Hz100Hz30MHz
29、30MHz(设设f fs s=10MHz 1KHz=10MHz 1KHz标准调幅波标准调幅波)f fs s10MHz10MHz第一混频第一混频MM1 1()()第二混频第二混频MM2 2()()第三混频第三混频MM3 3()()窄窄 带带滤波器滤波器检检 波波对数放大对数放大垂直偏垂直偏转系统转系统第一本第一本振振第二本第二本振振第三本第三本振振扫扫 描描发生器发生器水平偏水平偏转系统转系统3 36MHz6MHz5MH5MHz z700kH700kHz z60kHz60kHz60kHz60kHzWWy yA AB BC CD D15MHz15MHz4.3MHz4.3MHz6,30,150Hz6
30、,30,150Hz76015kHz76015kHzWWx x0.20.3S0.20.3S图图8.35 BP-1 8.35 BP-1 频谱仪原理框图频谱仪原理框图K K2 2K K1 11 11 12 22 2第27页，共61页，编辑于2022年，星期三从图中可以看到以下特点：从图中可以看到以下特点：1.多级变频多级变频 从框图可以看出频谱仪主要电路是一台超外差接收机。为了提从框图可以看出频谱仪主要电路是一台超外差接收机。为了提高分辨频谱能力，则要提高接收机的选择性，而决定选择性的高分辨频谱能力，则要提高接收机的选择性，而决定选择性的通频带：通频带：（8.13）谐振回路的谐振回路的Q值提高较困难
31、，故欲使值提高较困难，故欲使 减小，主要措施是减小，主要措施是降低信号频率降低信号频率，因此要通过多次变频将被测信号的频谱搬移，因此要通过多次变频将被测信号的频谱搬移到较低的中频上，这样窄带滤波器才容易实现。到较低的中频上，这样窄带滤波器才容易实现。第28页，共61页，编辑于2022年，星期三现以被测信号为现以被测信号为10MHz的标准调幅波的标准调幅波来说明其工作过程。第三来说明其工作过程。第三本振是扫频的，它将三根谱线依次地移入窄带滤波器（即第三本振是扫频的，它将三根谱线依次地移入窄带滤波器（即第三中频放大器），它的带宽有中频放大器），它的带宽有6、30、150Hz三档可选。三档可选。t
32、tt tt tt tu uA Au uB Bu uC Cu uDD0 00 00 00 00 00 00 00 04.34.31kHz1kHz1kHz1kHz1kHz1kHz1kHz1kHz10MHz10MHz5MHz5MHz700kHz700kHz60kHz60kHzf ff ff ff f(MHz)(MHz)(MHz)(MHz)(KHz)(KHz)(KHz)(KHz)151510105 5760760151570700 06060606030Hz30Hz|A|A|A|A|A|A|A|A|图图8.36 BP-18.36 BP-1各点波形图各点波形图第29页，共61页，编辑于2022年，星期三
33、2.多级放大多级放大 在多级变频的同时，实际上信号也是经各级中频放大的，其主在多级变频的同时，实际上信号也是经各级中频放大的，其主要目的是要提高频谱仪的灵敏度，以便能测量微弱信号的频谱。要目的是要提高频谱仪的灵敏度，以便能测量微弱信号的频谱。BP-1的的灵敏度是：灵敏度是：1mV20mV。3.对数放大对数放大 检波后的视频放大器通常串入对数放大器，其目的是检波后的视频放大器通常串入对数放大器，其目的是防止被测防止被测信号较强时使放大器信号较强时使放大器饱和饱和，提高抗，提高抗过载过载能力能力，使频谱仪输入信，使频谱仪输入信号具有较大的动态范围，可以同时显示大小信号的频谱。号具有较大的动态范围，
34、可以同时显示大小信号的频谱。4.磁偏转光栅显示磁偏转光栅显示 BP-1型频谱仪没有采用静电偏转型频谱仪没有采用静电偏转式示波管，而是采用黑白电视机式示波管，而是采用黑白电视机中的磁偏转光栅显示中的磁偏转光栅显示9寸显像管，寸显像管，以获得较大显示屏幕。以获得较大显示屏幕。U Ui iU Uo o饱和（过载）饱和（过载）第30页，共61页，编辑于2022年，星期三应当指出，应当指出，BP-1型频谱仪是早期的产品，为了易于扫频和获得型频谱仪是早期的产品，为了易于扫频和获得较高的分辨率，设计在第三本振进行扫频，通常称为较高的分辨率，设计在第三本振进行扫频，通常称为“扫中式扫中式”。若在第一本振进行扫
35、频，可以在更宽的频率范围内看到更多的若在第一本振进行扫频，可以在更宽的频率范围内看到更多的信号频谱，通常称为信号频谱，通常称为“全景式全景式”。早期全景式频谱仪。早期全景式频谱仪(例如例如BP-12型频谱仪型频谱仪)为了看全景频谱分布，而看不清楚各频谱内的谱线结为了看全景频谱分布，而看不清楚各频谱内的谱线结构。但是现代频谱仪，由于电子技术的进步，大多采用构。但是现代频谱仪，由于电子技术的进步，大多采用“全景式全景式”方案，而分辨率可以做得很高。方案，而分辨率可以做得很高。以上通过以上通过BP-1型频谱仪介绍了频谱仪的组成原理，它和现代频型频谱仪介绍了频谱仪的组成原理，它和现代频谱仪相比在组成原
36、理上类似，只不过现代频谱仪在具体电路技谱仪相比在组成原理上类似，只不过现代频谱仪在具体电路技术上更先进一些。例如，本振电路都采用了锁相技术或频率合术上更先进一些。例如，本振电路都采用了锁相技术或频率合成技术，大大提高了本振频率稳度指标，同时中频滤波器的通成技术，大大提高了本振频率稳度指标，同时中频滤波器的通带也可以做得很窄，使频谱仪的性能大为改善。带也可以做得很窄，使频谱仪的性能大为改善。第31页，共61页，编辑于2022年，星期三 8.4.3 实例实例2：AV4032系列频谱仪系列频谱仪 它是一台由微处理器控制的外差式频谱仪。从电路原理上讲它它是一台由微处理器控制的外差式频谱仪。从电路原理上
37、讲它是一种采用了是一种采用了三次变频三次变频技术的超外差接收机，频率范围技术的超外差接收机，频率范围9kHz26.5GHz，本振采用了跟踪锁频技术。，本振采用了跟踪锁频技术。谐谐波混频波混频基基波混频波混频预选器预选器图图8.37 8.37 频谱仪原理框图频谱仪原理框图9kHz2.95GHz2.726.5GHz3.9214GHzf1LO=36.8GHzf2LO=Nf1LO21.4MHz321.4MHz321.4MHz第32页，共61页，编辑于2022年，星期三下面对框图中几个主要电路进行说明。下面对框图中几个主要电路进行说明。1.输入衰减器输入衰减器 这是一个这是一个070dB，以，以10dB
38、步进的程控衰减器。主要用途是步进的程控衰减器。主要用途是扩大频谱仪的幅度测量范围，使幅度测量上限扩展到扩大频谱仪的幅度测量范围，使幅度测量上限扩展到+30dBm。它不但用于防止第一变频器过载，而且用于优化混频器电平以它不但用于防止第一变频器过载，而且用于优化混频器电平以实现最大的测量动态范围。该衰减器的默认状态设置是实现最大的测量动态范围。该衰减器的默认状态设置是10dB，用于改善频谱仪和被测源之间的匹配。用于改善频谱仪和被测源之间的匹配。2.低通滤波器低通滤波器-为抑制镜频干扰为抑制镜频干扰 f fs sf fL Lf fI If ff fs sf fI I镜频干扰镜频干扰混频混频中放中放本
39、振本振f fL Lf fI If fs s低通低通低通低通第33页，共61页，编辑于2022年，星期三本机本机低波段频率范围为低波段频率范围为9kHz2.95GHz，第一中频，第一中频F1IF=3.9214GHz，加入低通滤波器可以有效抑制镜像频率干扰加入低通滤波器可以有效抑制镜像频率干扰。图图8.38 8.38 加入低通滤波器可以有效抑制镜像的原理加入低通滤波器可以有效抑制镜像的原理从图中可以看出，若在第从图中可以看出，若在第一变频器前没有加入低通一变频器前没有加入低通滤波器，高波段的信号中滤波器，高波段的信号中与低波段镜像对应的频谱与低波段镜像对应的频谱分量，也能与第一本振混分量，也能与第
40、一本振混频进入第一中放，成为镜频进入第一中放，成为镜像干扰。像干扰。第34页，共61页，编辑于2022年，星期三3.预选器预选器YTF（YIG tuned filter 钇铁柘榴石调谐滤波器）钇铁柘榴石调谐滤波器）类似超外差接收机类似超外差接收机高频调谐电路（高频调谐电路（双联电容双联电容）作用，作用，也是为抑制干扰也是为抑制干扰。预选器预选器YTFYTF扫扫频频本本振振YTOYTO谐谐 波波混频器混频器N Nf f1LO1LO步进扫描步进扫描随随本本振振扫扫描描同同步步预预选选，每每次次只只出出一一个中频个中频F F2IF2IF=312.4MHz=312.4MHz高波段高波段2.726.5G
41、Hz2.726.5GHz预选器的引入将极大地抑制镜像和多重响应，带外抑制可达到预选器的引入将极大地抑制镜像和多重响应，带外抑制可达到70dB90dB。同时也可改善二次谐波失真和频率间隔较宽的。同时也可改善二次谐波失真和频率间隔较宽的三阶交调失真的动态范围。三阶交调失真的动态范围。第35页，共61页，编辑于2022年，星期三4.调谐方程和频率参数调谐方程和频率参数 低波段低波段：信号频率：信号频率FRF=9kHz2.95GHz F1LO+FRF=F1IF=3.9214GHz（教材堪误，这里是用（教材堪误，这里是用上上变频变频，得高中频），得高中频）F1IF-F2IF=F2IF=321.4MHz
42、高波段高波段：信号频率：信号频率FRF=2.7GHz26.5GHz N*F1LO-FRF=F2IF=321.4MHz 式中：式中：N为谐波混频次数；为谐波混频次数；F1LO为第一本振频率；为第一本振频率；F2LO为第二为第二本振频率。本振频率。第三中频第三中频：F3IF=21.4MHz 该仪器具有自校准、自适应、自诊断、自动搜索、自动跟踪、该仪器具有自校准、自适应、自诊断、自动搜索、自动跟踪、最大保持、峰值检测、快速傅里叶变换（最大保持、峰值检测、快速傅里叶变换（FFT）、存储）、存储/调用、调用、带宽测试、交调测试等一百多种功能。还备有存储卡，可以方带宽测试、交调测试等一百多种功能。还备有存
43、储卡，可以方便地存储或调用测试数据及测试程序。便地存储或调用测试数据及测试程序。第36页，共61页，编辑于2022年，星期三为了充分达到为了充分达到一机多用一机多用，该系列频谱仪可以加上，该系列频谱仪可以加上准峰值检波选准峰值检波选项进行电磁兼容项进行电磁兼容（EMC）性测试；加上）性测试；加上跟踪信号发生器选项跟踪信号发生器选项进进行网络测试；加上行网络测试；加上外混频和扩频选项外混频和扩频选项实现上限为实现上限为110GHz的扩的扩频测量；还可进行频测量；还可进行有线电视（有线电视（CATV）测试、数字移动通信）测试、数字移动通信（GSM900）测试、无绳电话（）测试、无绳电话（CT2）测
44、试等）测试等。应当指出，应当指出，现代频谱仪将外差式和现代频谱仪将外差式和FFT两种技术结合起来两种技术结合起来，前，前端仍然采用传统的外差式结构，而中频处理部分采用数字结构，端仍然采用传统的外差式结构，而中频处理部分采用数字结构，中频信号由中频信号由A/D量化，量化，FFT则由通用微处理器或则由通用微处理器或DSP实现。这实现。这种方案充分利用了外差式频谱仪的频率范围和种方案充分利用了外差式频谱仪的频率范围和FFT优秀的频率优秀的频率分辨率，使得在很高的频率上进行极窄带宽的频谱分析成为可分辨率，使得在很高的频率上进行极窄带宽的频谱分析成为可能，整机性能大大提高。例如，能，整机性能大大提高。例
45、如，Agilent E4440A型频谱仪，频型频谱仪，频率范围率范围f=3Hz26.5GHz，分辨带宽可做到，分辨带宽可做到1Hz。第37页，共61页，编辑于2022年，星期三8.5 频谱仪的主要技术特性频谱仪的主要技术特性 本节不打算罗列频谱仪的所有技术特性，而仅就几项主要技术本节不打算罗列频谱仪的所有技术特性，而仅就几项主要技术特性来说明其含义，及它们之间的相互关系。由于特性来说明其含义，及它们之间的相互关系。由于频谱仪主要频谱仪主要组成部分是超外差接收机组成部分是超外差接收机，因此其主要技术特性类似接收机，因此其主要技术特性类似接收机，即即选择性、灵敏度、动态范围等技术参数选择性、灵敏度
46、、动态范围等技术参数。8.5.1 选择性选择性 接收机的接收机的选择性选择性是表示是表示选择有用信号的能力选择有用信号的能力。在。在频谱仪中则表频谱仪中则表明选择信号频谱的能力明选择信号频谱的能力，习惯上用频谱分辨率来表示选择性的，习惯上用频谱分辨率来表示选择性的优劣。顾名思义，频谱分辨率是指能把靠得最近的优劣。顾名思义，频谱分辨率是指能把靠得最近的相邻两个频相邻两个频谱分量（两条相邻谱线）分辨出来的能力谱分量（两条相邻谱线）分辨出来的能力。从上节介绍的频谱。从上节介绍的频谱仪工作原理知道，分辨率高低主要仪工作原理知道，分辨率高低主要取决于窄带中频滤波器的带取决于窄带中频滤波器的带宽宽。但要深
47、入一步建立分辨率的概念和了解影响因素，还需进。但要深入一步建立分辨率的概念和了解影响因素，还需进一步进行分析讨论。一步进行分析讨论。第38页，共61页，编辑于2022年，星期三1.分辨率的定义分辨率的定义 首先，明确一下在频谱仪显示屏上首先，明确一下在频谱仪显示屏上看到的频谱图看到的频谱图是被测信号的是被测信号的谱线谱线，还是中频窄带滤波器的幅频特性的图形，还是中频窄带滤波器的幅频特性的图形？例：例：fL -fs =fI 760 700=60 kHz 760.010-700=60.010 kHz 760.015-700=60.015 kHz 760.020-700=60.020 kHz 。60
48、.01560.01515Hz15Hzf fI I=60KHz=60KHz是扫频的本振使信号频谱分量依次移入窄带滤波器的。实际上是扫频的本振使信号频谱分量依次移入窄带滤波器的。实际上也是也是信号逐渐地扫过窄带滤波器的，这相当于用扫频信号测绘信号逐渐地扫过窄带滤波器的，这相当于用扫频信号测绘窄带滤波器的幅频特性。窄带滤波器的幅频特性。频谱仪屏幕上显示频谱仪屏幕上显示的是以的是以信号谱线为中心信号谱线为中心的的窄带滤波器窄带滤波器的的幅频幅频特性曲线。特性曲线。第39页，共61页，编辑于2022年，星期三频谱仪的分辨率主要取决于中频窄带滤波器频率特性的带宽，频谱仪的分辨率主要取决于中频窄带滤波器频率
49、特性的带宽，通常带宽由通常带宽由-3dB点和点和-60dB点描述，带宽越小，分辨率越高。点描述，带宽越小，分辨率越高。分辨带宽分辨带宽RBW（-3dB带宽）：带宽）：窄带滤波器的窄带滤波器的-3dB带宽用于区别带宽用于区别两个等幅信号的最小频率间隔的能力。两个等幅信号的最小频率间隔的能力。-60dB带宽：带宽：窄带滤波器的窄带滤波器的-60dB带宽用于区别两个信号幅度不带宽用于区别两个信号幅度不等的情况，通常把两个相邻频谱分量幅度相差等的情况，通常把两个相邻频谱分量幅度相差60dB时的分辨率时的分辨率称为称为裙边分辨率裙边分辨率，它主要取决于滤波器，它主要取决于滤波器-60dB通带宽度，故用通
50、带宽度，故用B60dB。第40页，共61页，编辑于2022年，星期三形状因子形状因子：为了描述滤波器频率选择特性的优劣，把滤波器在：为了描述滤波器频率选择特性的优劣，把滤波器在-60dB处的带宽与处的带宽与-3dB处带宽之比称为滤波器通带特性的形状处带宽之比称为滤波器通带特性的形状因子中因子中FF：FF=（B60dB）/B 形状因子形状因子FF也称滤波器的选择性或矩形系数，也称滤波器的选择性或矩形系数，FF的理想值应的理想值应为为1。但老式频谱仪的。但老式频谱仪的FF=25/1，现代频谱仪中所设计的模拟，现代频谱仪中所设计的模拟滤波器幅频特性呈高斯分布，可做到滤波器幅频特性呈高斯分布，可做到F