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1、1频谱分析仪基础2概要 第一章第一章 信号分析简介信号分析简介 第二章第二章 频谱仪工作原理频谱仪工作原理 第三章第三章 频谱仪面板介绍频谱仪面板介绍 第四章第四章 频谱仪重要指标频谱仪重要指标 第五章第五章 频谱仪跟踪源简介频谱仪跟踪源简介3第一章第一章 信号分析简介信号分析简介1.1 信号的分类信号的分类1.2 为什么要进行频域测量为什么要进行频域测量1.3 频谱分析仪典型应用频谱分析仪典型应用41.1 信号的分类：信号的分类：按表现形式分：连续波信号，模拟调制信号，数字调制信号，噪声信号。对信号的分析包括：时域分析，频域分析，调制域分析。5图1 AM信号 图2 FM信号 6图3 连续波信
2、号及噪声 图4 数字调制信号 7完整的信号分析内容完整的信号分析内容 频道外（out of channel）带内测试项目 带外测试项目 频道内（In-channel）信号频率 平均/峰值功率 调制精度 邻道功率比 谐波 远端杂波81.2 为什么要进行频域测量？为什么要进行频域测量？描述信号最直接的途径是采用时域表征方式（如示波器）。描述信号另一个途径是利用频域表征方式，付式理论将时域和频域表征联系起来，适当利用付式级数，付式变换和离散付式变换（DFT）能将时域函数X（t）变换成频域函数X（f）。9频域测量仪器相对于时域测量仪器有一些优点：a.较之时域测量具有更高的灵敏度。由于窄带频域测量带宽几
3、乎可以被任意压缩，故能大大减少测量中的噪声。窄带测量还能除去某些频率上的强干扰信号。例如在测量正弦波谐波失真（示波器不限百分之几，而频谱仪往往允许到0.01）；b.某些系统原本就与频域有关，如：电信系统中所用的频分复用系统（FDM）；10c.多重信号在频域中更容易分离。利用频谱仪能区分这些频率成分并精确加以测量，而用示波器则难以做到。如图所示，在频域中信号的频率成分可很清楚的辨别出来。图5 时域与频域的关系时域分析 频域分析 11图6 频谱分析仪典型应用1.3 频谱分析仪典型应用频谱分析仪典型应用12信号的频域指标信号功率信号频率相位噪声杂波抑制谐波抑制 图7 信号的频域指标13图8 器件三阶
4、交调性能测试14图9 调制信号的矢量描述15图10 调制信号的误差16技术小结技术小结根据信号的特性，可将信号分为：非调制连续波信号（CW信号）；调制信号根据信号存在形式，可将信号分为：连续稳定信号；周期变化信号（例如：TDMA信号）；瞬变信号等分析CW信号，可利用时域和频域分析法；分析调制信号精度，需进行解调分析；分析周期变化信号，需利用选时分析能力；分析瞬变信号，需具备存储分析功能。17第二章第二章 频谱仪工作原理频谱仪工作原理2.1 频谱仪定义频谱仪定义2.2 频谱仪分类频谱仪分类2.3 超外差式频谱分析仪超外差式频谱分析仪2.4 实际频谱仪的一些改进实际频谱仪的一些改进182.1 频谱
5、仪定义频谱仪定义 一切信号,不管它是编码型的、发射型的或是其它什么类型的；不管是周期重复的、瞬态的还是随机的，其基本参数之一就是频谱特性。用于频域内分析这些信号参数的仪器叫做频谱仪。或者说频谱仪是把信号的能量作频率的函数显示出来的测量仪器。它实质上是一台被校准于正弦波有效值的峰值响应的选频电平表。192.2 频谱仪分类频谱仪分类按照工作原理分，频谱有两种基本的类型：实时频谱仪和扫频调谐式频谱仪。实时频谱仪包括多通道滤波器（并联型）频谱仪和FFT频谱仪。扫频调谐式频谱仪包括扫描射频调谐型频谱仪和超外差式频谱仪。202.2.1 实时频谱仪实时频谱仪实时频谱仪能同时显示其现实频率内的所有频率分量，而
6、且保留了相位信息，不仅能分析周期信号、随机信号，而且能分析瞬时信号，显示相位关系。a.多通道频谱仪：信号同时送到每一个滤波器，滤波器的输出表示输入信号中进该滤波器通带内的那部分能量，显示出是各滤波器通带内的信号的合成信号。优点：速度快，可构成实时测量系统。缺点：由于受滤波器数量及带宽限制，这类频谱仪主要工作在音频范围。21b.FFT分析仪：分析仪：图11 FFT频谱仪简化框图 22FFT频谱仪的核心频谱仪的核心：就是以函数进行付立叶变换的数学计算为基础的计算机分析。能完成多通道滤波器式频谱仪相同的功能。一般工作在DC100kHz的低频段。优点：可测非周期信号，保留相位信息。缺点：相对来说频率范
7、围小、灵敏度低、动态范围小。23图12 FFT(快速傅立叶变换)242.2.2 扫描调谐式频谱仪：扫描调谐式频谱仪：这类频谱仪对输入信号按时间顺序进行调谐，因此只能分析在规定的时间内频谱几乎不变化的周期重复信号。扫描射频调谐型频谱仪扫描射频调谐型频谱仪：利用中心频率可电调的带通滤波器来调谐和分辨输入信号。这类频谱仪价格便宜，但分辨率、灵敏度都较差。25图13 扫频频谱仪26超外差式频谱仪超外差式频谱仪：应用最广泛的是超外差式频谱仪，它是按外差方法选择所需频率分量，这种方法固定中频，只改变本振频率，这类频谱仪频率分辨率、灵敏度和测量频率范围都比较好。（工作原理类似于AM收音机）272.3 超外差
8、式频谱分析仪超外差式频谱分析仪图14 传统超外差式频谱仪原理简图282.3.1 功能单元简介功能单元简介 在讨论这些单元怎样一起工作前，先来了解一下每一个部分：a.RF输入衰减器：输入衰减器：是一个步进衰减器，位于输入信号和第一个混频器之间，用于调节到达第一个混频器的信号电平大小，以防止由于电平过高或宽带信号引起混频器增益压缩或失真。29b.混频器：混频器：三端口器件，把信号从一个频率变换成另一个频率。输入信号有两个，分别是输入信号fsig和本振信号fLO。由于混频器是非线性器件，它的输出是这两个频率的和或差。我们感兴趣是这两个频率的差，即中频信号fIF，如图所示。混频器调谐公式：fsig=f
9、LO-fIF30图15 fLO=fIF+fsig31c.本振（本振（LO）:是一压控振荡器（VCO）,扫描发生器调谐LO以使它的频率与斜波电压成比例。并且扫描发生器同步视频信号的采样，以便根据输入信号的频率校准显示器的水平（频率）轴。d.低通滤波器低通滤波器：防止高频信号进入混频器，同时也抑制中频频率的信号进入混频器，以免产生假响应。比如：fIF=3.6GHz,fLO=3.6GHz6.5HGz,fsig=02.9GHz 如果输入端同时有1GHz,8.2GHz信号，对于1GHz fLO=fIF+fsig=4.6GHz 对于8.2GHz fLO=fIF-fsig=4.6GHz32e.IF GAIN
10、(中频增益中频增益)用于调节IF信号进IF滤波器的幅度大小，包括中频放大器和衰减器，通过改变中频增益而改变参考电平。现在的频谱仪一般都是中频增益和RF输入衰减器保持联动，以使在改变RF输入衰减器时，参考电平保持不变。f.IF滤波器滤波器 是一带通滤波器,可看成是一个探测信号的窗口,它的带宽也叫作频谱仪的分辨率带宽(RBW)，通常中频带宽越小越好，因为RBW减小，分辨信号的能力就越强，同时提高了信噪比（SNR），但同时扫描时间也会增加，所以选择RBW要根据实际情况确定。33图16 IF滤波器大小对分辨信号的影响 中频滤波器输入信号分辨率带宽显示34现代频谱仪的窄分辨带宽是数字滤波器实现的（即通过
11、数字信号处理来实现滤波功能），如DS8831Q 1KHz以下的分辨率就是采用的数字滤波器。为什么采用数字滤波器为什么采用数字滤波器?因为模拟滤波器存在频率漂移,做到极窄带宽比较困难（噪声系数）噪声系数）1064.5 失真失真 经常需利用频谱仪测量三阶交调和谐波失真，但有时频谱仪的内部失真会影响测量。混频器是非线性器件，他们会产生内部失真。在测量外部信号的失真时，这种内部失真会引起测量误差。任何非线性器件的失真特性，不管它是由频谱仪混频器产生的内部失真还是被测器件产的失真二阶失真随基波上升曾平方关系增加，而三阶失真随基波呈三次方增加。见图43、图44。107图43 交调和谐波测试 108频谱分析
12、仪产生内部失真的原因频谱分析仪产生内部失真的原因混频器非线性特性图44 混频器失真 109图45 失真产物与基波功率的关系110 图46 幅度失真与输入功率电平的关系 111 知道了失真特性，刻画出频谱仪内部产生的失真电平与第一混频器的信号功率关系。图47 怎样判断失真使内部还是外部的 112图48 灵敏度、相位噪声、三阶和二阶失真随混频器电平的变化113无失真测试动态范围在内部失真和噪声电平间折衷，衰减器设值小时，频谱仪内部失真大，噪声电平低；衰减器设值大时，频谱仪内部失真小，噪声电平高。改变衰减器来判断频谱仪测试结果的真实性1144.6 动态范围动态范围什么是动态范围？什么是动态范围？一般
13、所说的动态范围是频谱仪可测量的输入端上同时存在的最大信号和最小信号之比。动态范围决定了当存在大信号时是否能看见低电平信号，因此，动态范围是一项重要指标。频谱仪的显示范围、测量范围、本地噪声、相位噪声等都对动态范围起重要作用。所以对于不同的测量，动态范围有不同的理解。115测量范围测量范围：是频谱仪在不同的仪器设置下能测量的最大信号和最小信号之差。最大功率电平决定了最大信号（DS8831Q是+20dBm），本底噪声决定最小信号（DS8831Q是-10dBV，RBW=30KHz，放大器打开）。显示范围显示范围：是显示的已校幅度范围。对于DS8831Q是80dB.混频器压缩混频器压缩：混频器压缩电平
14、是指输入频谱仪混频器而不损害显示信号精度的最大功率电平。当混频器上的信号远低于压缩点时，所希望的混频分量的电平是输入的线性函数，只有极少量的能量被转换成失真。当混频器上的信号电平高于压缩点，由相当大一部分能量被转换成失真分量，这时混频器处于压缩状态，显示信号电平低于实际信号电平。116二阶和三阶的动态范围二阶和三阶的动态范围 一般利用频谱仪测量二阶、三阶失真，这是指的是二阶或三阶动态范围，它受以下三个因素的影响：1、输入混频器的失真性能2、DANL 3、本振的相位噪声影响动态范围的因素 1失真：当对失真分量进行测量时内部失真是决定动态范围的因素之一，2 噪声 有两类噪声影响动态范围，即灵敏度和
15、相位噪声分析仪的灵敏度（也叫作显示的平均噪声电平（DANL）或本底噪声）决定了可以测量的最小信号。对于在室温下的1Hz噪声带宽，理论上，DANL的下限为KTB或-174dBm。117图49 频谱分析仪动态范围定义 118相位噪声相位噪声 DANL是测量两个频率相差很大的信号的有关参数，而相位噪声则是衡量两个频率相近（相隔3RBW129技术小结扫频式频率分析仪分析频率范围由本振范围决定；扫频式频率分析仪频率分辨率与中频率滤波器和本振有关；测试中可通过减小RBW来提高频率分析分辨率扫频式频率分析仪分析灵敏度与中频率滤波器；衰减器设值；视频滤波器和本振有关；测试中可通过减小RBW；VBW，衰减器设值
16、和前置放大来提高分析灵敏度扫频式频率分析仪分析内部失真与混频器工作电平，中频放大器性能有关；测试中可通过减小混频器工作电平（增加衰减器设值）来减小内部失真扫频式频率分析仪分析灵敏度与中频率滤波器；衰减器设值；视频滤波器和本振有关；扫频式频率分析仪衰减器设置在灵敏度指标和内部失真指标间折。通过改变衰减器设置可判断频谱分析仪测试结果的真实性；扫频式频谱仪测量功率结果与其检波方式和平均方式有关。130第五章第五章 频谱仪跟踪源简介频谱仪跟踪源简介131图57 DS8831系列跟踪源实现方法 132频谱分析仪跟踪源选件 图58 频谱仪跟踪源 75 1MHz1GHz 跟踪源 133跟踪源应用-传输频响测试 图59 跟踪源传输响应测试 134图60 跟踪源滤波器测试 135跟踪源应用-反射频响测试 图61 跟踪源反射响应测试 136137