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1、示波器频谱仪第1页，本讲稿共31页一、概述l1频域和时域的关系l通常一个过程或信号可以表示为时间t的函数f(t)，还可以表示为频率f 或角频率的函数s()。在时域分析中，就以时间为自变量，以被观测信号(电压、电流、功率)为变量进行的分析。例如示波器就常用来观测信号电压随时间的变化，它是典型的时域分析仪器。l在频域分析中，以频率为自变量，以各频率分量的信号值为因变量进行分析的。频谱分析仪则可对信号本身分析和对线性系统非线性失真系数的测量，通过频谱测量确定信号的谐波分量,了解信号的频谱占用情况。第2页，本讲稿共31页l时间、频率和幅度的三维坐标：第3页，本讲稿共31页l任何一个过程或信号，既可以在
2、时域进行分析来获得其各种特性，也可以在频域进行分析获取各种特性，如图所示。l测得了一个信号的时域表征后，通过傅立叶变换，可以求得其相应的频域表征；反之亦然。时域分析和频域分析各有其具体适用的场合，两者相辅相成、互为补充。第4页，本讲稿共31页2常用频域测试仪器l（1）频率特性测试仪：主要对网络的频率特性进行测量，包括幅频特性、相频特性、带宽及回路Q值等。l（2）频谱分析仪：分析信号中所含的各个频率分量的幅值、功率、能量和相位关系，以及振荡信号源的相位噪声特性、空间电磁干扰等。l（3）选频电压表：通过调谐滤波的方法，选出并测量信号中某些频率分量的大小。第5页，本讲稿共31页l（4）调制域分析仪：
3、对各种频带的射频信号进行解调，恢复调制信号，测量其调制度，如调幅波的调幅系数、调频波的频偏、调频指数以及它们的寄生调制参量。l（5）相位噪声分析仪l（6）数字信号处理机第6页，本讲稿共31页二、频谱分析仪l频谱分析仪主要用于分析信号中所包含的频率成分，即分析信号的频谱分布。l频谱仪采用滤波、跟踪锁相或快速傅立叶变换等技术，利用一个或多个微处理器进行控制、误差修正和数据处理，是一种工作频率范围极宽、分辩力极高，用途极广的一大类仪器，有高频“万用表”之称。第7页，本讲稿共31页频谱分析的基本概念l1频谱分析l通常将合成信号的所有正弦波的幅度按频率的高低依次排列所得到的图形称为频谱。频谱分析就是在频
4、率域内对信号及特性进行描述。l傅立叶变换把时间信号分解成正弦和余弦曲线的叠加,完成信号由时间域转换到频率域的过程，变换的结果即为幅度频谱或相位频谱。第8页，本讲稿共31页2示波测试与频谱分析的特点l示波器和频谱仪都可用来观察同一物理现象，两者所得的结果应该是相同的。但由于两者是从不同角度去观察同一事物，故所得到的现象只能反映事物的不同侧面。因此，从测量的观点看，这两类仪器各有特点，使用时应注意选择。第9页，本讲稿共31页l（1）某些在时域较复杂的波形，在频域的显示可能较为简单。第10页，本讲稿共31页l（2）如果两个信号内的基波幅度相等，两次谐波幅度也相等，但两者相位差不相等，则这两个信号所显
5、示的频谱图是一样的；但用示波器观察这两个信号的波形却有明显的不同。l（3）当信号中所含的各频率分量的幅度略有不同时，波形的变化不太明显，用示波器很难定量分析失真的程度，但频谱仪对于信号的基波和各次谐波含量的大小则一目了然，因为谱线数量明显不同，而且直接可得出定量的结果。第11页，本讲稿共31页第12页，本讲稿共31页3获取频谱的基本方案 l最基本的方法是用一系列带宽极窄的滤波器滤出被测信号在各个频率点的频谱分量，这种同时并行作业的测量方式，称为同时分析。l还可由电子开关轮流把各个滤波器的输出接到一个公用的检波、放大、显示去，这是顺序分析的方法。l用一个可调的窄带滤波器来代替上述的一系列滤波器，
6、使得顺序分析方案简化。l使用扫频外差接收机。第13页，本讲稿共31页外差扫频方式：用一个频率可调的本地振荡频率f0来与被测信号的某一频谱分量的频率fx混频，所得的差频（或和频）恰好等于中间频率fIF。此方案中，通过调节f0与fx的差频去适应固定中频滤波器通带的中心频率。中频滤波器是固定的，工作于固定的窄频带。由于放大器的带宽与增益的乘积基本上为常数，所以窄带中频放大器可获得很高的增益，从而获得较高的测量灵敏度和较高的频率分辨力。此方案优越得多，广泛使用。第14页，本讲稿共31页频谱分析仪的工作原理l1滤波式频谱分析 图9.16滤波式频谱分析仪的基本组成信号输入信号带通滤波器或扫描调谐式滤波显示
7、或记录检波器第15页，本讲稿共31页2计算法频谱分析图9.17计算法频谱分析仪的基本组成模拟信号输入低通滤波器采样/保持电路摸数转换电路存储电路数字信号处理电路显示记录电路第16页，本讲稿共31页常用频谱分析仪介绍l1并行滤波实时频谱仪图9.18并行滤波实时频谱分析仪框图滤波器2滤波器1滤波器n输入信号输入放大器电子开关CRT输出放大器扫描发生器检波器1检波器2检波器n第17页，本讲稿共31页2档级滤波器式频谱分析仪 图9.19档级滤波器式频谱分析仪框图电子开关BPF2BPF1BPFn输入信号输入放大器CRT检波器输出放大器第18页，本讲稿共31页3扫描式频谱分析仪输入信号CRT检波器输出放大
8、器电调谐带通滤波器扫描发生器图9.20外差式频谱分析仪框图第19页，本讲稿共31页4外差式频谱分析仪图9.21外差式频谱分析仪的构成框图输入信号CRT输出放大器混频器滤波器中频放大器检波器扫描发生器放大器中频放大器第20页，本讲稿共31页5数字滤波式实时频谱仪图9.22数字滤波式频谱分析仪框图输入信号CRTA/D变换数字滤波器数字检波平均时基地址控制数据缓存第21页，本讲稿共31页6时间压缩式实时分析仪l又称为模拟数字混合式频谱分析仪。时间压缩法先将信号记录后，以高倍率速度重放，这时整个信号的频谱也随之移向高频段，并展宽了同样的倍数，增大滤波器的带宽，自然提高了扫描速度。但这种分析方法是在一个
9、时间区段内对信号进行谱分析，存在信号被截断而带来频谱泄漏。第22页，本讲稿共31页7FFT分析仪l通过FFT方法计算DFT，即可得到信号的离散频谱，再经平方获得功率谱。它已成为低频频谱分析的主要方法。采用FFT作谱分析的仪器，一般都具有众多的功能，远远超出了频谱分析的范围。第23页，本讲稿共31页8采用数字中频的 外差式频谱分析仪l融合了外差扫描与数字信号处理、实时分析技术。频谱仪的中频部分，采用全数字技术，通过数字滤波和FFT的方法，使分辨力和分析速度都大为提高；另外，由于中频采用了数字技术，其输出亦为数字量，仪器的末级部分也采用数字功率测量来代替传统的各种方式的检波，从而使频谱分析仪的性能
10、得到很大提高。第24页，本讲稿共31页频谱分析仪 的主要技术指标l1频率范围：是指能达到频谱分析仪规定性能的工作频率区间。l2扫频宽度：也称分析宽度，是指频谱分析仪在一次扫描分析过程中所显示的频率范围，也就是本机振荡器的扫频宽度。l3扫描时间：指扫描一次整个频率量程并完成测量所需要的时间，也称分析时间。l一般希望测量越快越好，即扫描时间越短越好，但也不可能任意地缩短，必须兼顾相关因素的影响，适当设置。第25页，本讲稿共31页l4测量范围：是指在任何环境下可以测量的最大信号与最小信号的比值。l5灵敏度：是指频谱分析仪测量微弱信号的能力，定义为显示幅度为满刻度时，输入信号的最小电平值。第26页，本
11、讲稿共31页l6分辨率：是指频谱分析仪能把靠得很近的两个频谱分量分辨出来的能力。l由于屏幕显示的谱线实际上是窄带滤波器的动态幅频特性，因而频谱分析仪的分辨率主要取决于窄带滤波器的通频带宽度，因此定义窄带滤波器幅频特性的3 dB带宽为频谱仪的分辨率.l7动态范围：频谱分析仪能以给定精度测量、分析输入端同时出现的两个信号的最大功率比（用dB表示）。它实际上表示频谱分析仪显示大信号和小信号的频谱的能力。第27页，本讲稿共31页频谱分析仪的应用l1频谱分析仪的特性l （1）覆盖频带宽（30Hz325GHz）（2）幅值范围宽（-156dBm30dBm）（3）有供标量测量用的跟踪发生器 （4）对小信号检测
12、的灵敏度极高 （5）极好的频率稳定性 （6）频率和幅值分辨率高 （7）具有数字解调能力第28页，本讲稿共31页2频谱分析仪的应用范围l（1）测量正弦信号的绝对幅值和相对幅值。l（2）频率、寄生频率分量的绝对频率和相对频率、噪声和频率稳定度等参数。l（2）测试调幅、调频、脉冲调幅等调制信号。l（3）测试脉冲噪声。l（4）测试瞬变信号。l（5）测试线性网络和非线性网络的幅频特性、非线性失真、增益或衰减等参数。l（6）进行电磁兼容性（EMC）的测试。第29页，本讲稿共31页3频谱分析仪的正确使用l（1）频谱分析仪型号的选择l（2）扫频宽度的选择l（3）频带宽度的选择l（4）扫频速度的选择第30页，本讲稿共31页4频谱分析仪的应用实例l（1）用频谱分析法测量数字信号电平 l（2）手机灵敏度的定量测试l（3）基站测试l（4）电磁干扰（）的测试l（5）相位噪声的测量第31页，本讲稿共31页