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1、第七章 信号的频域分析与测量,、引言 频域和时域表明了动态信号的两个观察面，即这两种观察信号方法的角度不同。波形分析是以时间轴为坐标表示动态信号的关系；频谱分析是把动态信号变为以频率轴为坐标表示出来。时域表示较为形象和直观，频域表示动态信号则更为简练，剖析问题更加深刻和方便。 频域的分析和测量包括两类：一是分析信号的频谱特性，另一是测量系统（网络）的频域特性（又称扫频测量）。,1、信号的频谱分析概述 一个平稳信号的非实时频谱分析，采用了频率扫描的工作方式，如下图所示。 数字式滤波器及FFT技术在信号的频谱分析中得到广泛的应用。,2、频率特性的测量（扫频测量）概述 在扫频测量中，用一个频率随时间
2、按一定规律，在一定频率范围内扫动的扫频信号代替以往使用的固定频率信号，可以对被测网络或信号频谱进行快速、定性或定量的动态测量，给出被测网络的阻抗特性和传输特性的实时测量结果。,二、信号的频谱分析 频谱是对信号及其特性的频域描述，频域特性则主要采用频谱分析仪来分析和测量。 对不同类型的信号进行频谱分析时，在理论上和工程上采用不同的频谱概念和频谱形式，在分析方法上也有很大的差别，因而在进行频谱分析之前，应对信号的类型和性质所了解。一般说来，确定性信号可以通过傅立叶变换获得确定的频谱；随机信号只能就某些样本函数的统计特征值做出估算，这类信号的频谱分析是指功率谱分析。,1、频谱分析仪的种类 频谱分析仪
3、种类繁多，可以从多种角度对它们进行分类。例如，可分为模拟式和数字式、实时型和非实时型、单通道和多通道型、滤波法和计算法等。 模拟式频谱仪是以模拟滤波器为基础构成的；数字式频谱仪是以数字滤波器或FFT为基础构成的。 实时分析是指在长度为T的时间内完成的频率分辨率达到1/T Hz的谱分析，因此只能在一定的频率范围内进行实时分析。在该范围内，分析速度数据采集速度相匹配，不会发生数据“积压”现象。如果要求分析的信号频带超过了这一频率范围，则分析成为非实时的，对于平稳信号，其频谱不随时间变化，则无需实时分析。,2、滤波式频谱分析 （1）滤波式频谱分析的基本组成和性能指标 带通滤波器主要考虑的性能指标有带
4、宽、波形因子、响应时间，动态特性等。 带宽 通常用半功率带宽即3dB带宽BW3来表示滤波器的带宽。 滤波器的带宽反映了它能区分两个靠得很近、同样幅值、不同频率信号的能力。带宽越窄，频率的分辨率越高。,波形因子 波形因子定义为滤波器特性曲线两侧衰减达60dB的带宽BW60与3dB带宽BW3之比，表示为SF = BW60 / BW3，它反映了频谱仪能区分幅度相差很大（60dB）的两个频率分量的能力，它也被当作选择性指标。,有些频谱仪所采用的分析滤波器的带宽是恒定的，称之为等绝对带宽或等信息带宽，常用于与信息有关的信号的测量和分析。通常恒带宽分析仪所用滤波器特性曲线在线性频频率刻度下，以中心频率f0
5、 为对称。 另一类滤波器为恒百分比带宽，随着中心频率的变化，其绝对带宽相应改变，但带宽与中心频率的比值为常数，故用百分比值来表示带宽。恒百分比带宽滤波器的频率特性在对数频率刻度下，呈对称形状，其中心频率f0与通带的上、下限频率fh和fl的关系为,响应时间和动态特性 通常将达到稳定幅度90所需的时间称为滤波器的响应（建立）时间，记做TR，它与带宽BW成反比。 由于扫描式频谱仪工作时总是处在扫描过程中，输入至滤波器的信号是一个动态信号，滤波器不断处于新信号的建立过程中，因而出现动态频率特性曲线，且随着扫速变化而变化，如图所示。,当扫速一定时，滤波器的动态分辨力带宽BWd与静态分辨力带宽BWs的关系
6、曲线如图所示。 由图可见，存在一个BWs值，对应该扫速下的动态分辨力带宽BWd最小。这一BWd值称为最佳动态分辨力，记作BWod，与之相应的静态分辨力为BWos。理论上，两者之间关系为,频谱仪中采用有效值检波，检波包含了平方检波、平均和开方的处理过程。平均时常数TA的大小，对频谱分析结果有较大影响，尤其是分析瞬态信号或非平稳信号时。 在分析周期信号和平稳噪声信号时，应使RC常数与带通滤波器的中心频率f0和带宽BW相适应，TA可表达为 还可以根据要求的误差范围，来选择平均时常数的长度。对于平稳随机信号，经滤波器和检波器后，测得值的相对标准偏差为,TEK RSA6100A系列高性能实时频谱分析仪,
7、RSA6100A系列高性能实时频谱分析仪 性能参数,革命性的DPX频谱处理技术，每秒执行48,000次频谱测量，可分析最短至24 s的瞬变 基于发生频度的颜色等级显示 触发 标配可变带宽中频功率触发、外部触发和线路触发 40 MHz和110 MHz频率模板触发，检测频域中的任何变化 捕获 6.2 GHz和14 GHz两种型号 高达110 MHz的捕获带宽，73 dBc的动态范围 3GPP信号上79 dBc ACLR测量功能(已校正噪声) 高达1GB的采集内存 分析 全面的时间相关多域显示，把频率、相位、幅度和调制随时间变化问题关联起来 基于Windows的用户界面，10.4英寸触摸屏、小键盘、
8、鼠标和键盘输入 标配USB, 1Gb LAN, GPIB和DVD/RW,TEK Real-Time Spectrum Analyzer RSA3408 RSA3303A RSA3308A WCA230A WCA280A,RSA3408 RSA3303A RSA3308A WCA230A WCA280A,Trigger Tektronix Exclusive Frequency Mask Trigger Makes Event-based Capture of Transient RF Signals Easy by Triggering on Any Change in the Frequen
9、cy Domain Capture All Input Signals up to 36MHz*1 Spans are Seamlessly Captured Into Memory Long Record Length Enables Complete Analysis Over Time Without Making Multiple Acquisitions Interfaces with TekConnect Probes for RF and Baseband Probing,Analyze Analyze Frequency, amplitude, and modulation o
10、ver time 3G Measurement Versatility with W-CDMA, cdma2000, 1x EVDO, HSUPA, HSDPA, TD-SCDMA RF and Modulation Analysis General Purpose Digital Modulation Analysis 802.11a/b/g Measurement Suite Multi-domain Analysis Enables Fast, Complete Signal Analysis in Frequency, Time, Code, and Modulation Domain
11、s Codogram Provides a Simple, Graphical Means of Analyzing Individual Code Powers versus Time. Gain Ratio Provide a Simple, Graphical Means of Analyzing Beta Ratio in Uplink (Requires Opts. 27, 23 and 40) W-CDMA Compressed Mode Enables Analysis of Handovers Between W-CDMA and GSM,Agilent PSA 系列 E444
12、8A 频谱分析仪,E4448A特性,动态范围 -154 dBm 显示平均噪声级 （DANL） +18 dBm 三阶互调（TOI）（+21 dBm 典型） -116 dBc/Hz 相位噪声（10 kHz 偏置）（-118dBc/Hz 典型） 精确度 0.62 dB绝对振幅精度(0.24 dB 典型) 0.38 dB 频率响应 (0.11 dB 典型) 0.07 dB对数放大线性度 速度 快速低电平寄生搜索 30 ms 快速ACP测量 50测量/秒本地更新率，45测量/秒远地测量,标准特性： 具有自动量程功能的全数字IF 相噪优化 全套检波器套件 160个分辨率带宽设置（10%步进) 2 dB 步
13、进衰减器 FFT 及扫频测量模式 门通选扫频 全套单键功率测量 用内置的CISPR和MIL标准预兼容EMI检波器和带宽进行EMI测量 可选特性: 简便易用的内置 PSA系列测量专用件 调制分析及链接到89601A矢量信号分析软件 使频率覆盖至325 GHz的 外部组合 内置前置放大器 (选项 1DS: 100 kHz - 3 GHz; 选项 110: 10 MHz - 50 GHz),Agilent E4407B-COM ESA-E通讯测试分析仪,E4407B-COM ESA-E通讯测试分析仪特性,0.4 dB的总体幅值精度 1Hz至5MHz的分辨率带宽（RBW：分辨率带宽） 16dBm 第三
14、阶截获（TOI） -167dBm的显示平均噪声电平（DANL） 精确频率参考 10 MHz的解调带宽 GSM/GPRS/EDGE、cdmaOne及灵活的调制分析测量特性 同安捷伦广受欢迎的89601A矢量信号分析软件结合，可得到完整的灵活解调分析和深度解决问题的工具 支持噪声系数测量特性的集成测量 支持相位噪声测量特性的集成测量 调制分析特性,CATV服务与安装特性 程序代码对HP 8566/68的兼容性 程序代码对8590系列频谱分析仪的兼容性 免费的IntuiLink PC软件，用于屏幕显示和数据传输 BenchLink频谱分析仪连接软件 全球支持 易于选择 快速交付 SCPI编程及IVI
15、 COM驱动程序支持,设被测信号为： x (t) = sin1t + sin21t + sin31t,（2）并行式实时频谱仪 在这种频谱仪中，信号同时加到多个滤波器上，每个滤波器后都带有检波器，各个频率被同时测量。通过电子扫描开关，对每一通道的检波结果进行一次巡检，即可获得信号频谱。从而快速在CRT上刷新频谱，其方框图如图所示。,（3）顺序式频谱仪 与并行滤波式相比，顺序滤波式频谱节省了大量的检波电路，但必须考虑检波器的时常数和记录仪的动态特性。,(4) 扫描式频谱仪,(5)外差式频谱仪,外差式频谱仪由于进行扫描分析，是一种顺序分析法，信号中的各频率分量不是同时被测量的，因而不能提供实时分析，
16、只适用于周期信号或平稳噪声的分析，外差式频谱仪具有频率范围宽、灵敏度高、频率分辨力可变等优点，是频谱仪中数量最多的一种，从几十Hz到325GHz范围内都有产品，高频频谱仪几乎全部是外差式的。目前常用的外差扫频式频谱仪有全景式和扫中频式两种，前者可在一次扫频过程中观察信号整个频率范围的频谱；后者一次扫描过程只能观察某一较窄频段的频谱，但可以实现较高分辨力的分析。,（6）数字滤波式实时频谱仪 利用数字滤波器可以实现频分复用和时分复用，因而仅用一个数字滤波器，即可构成一个与并行滤波法等效的实时频谱分析仪。方案如图所示。 数字滤波器工作的时间过程，从微观上看是时分的，而从整体上看各个频率滤波是“同时”进行的，因而分析过程是实时的，数字系统的工作速度决定了等效通道的多少。,3、计算法频谱分析 （1）计算法频谱仪的基本构成 计算法是采用快速傅立叶变换（FFT）和数字滤波等数字信号处理技术，通过对采集的信号序列进行频谱计算，得到信号的频谱分析的，它的基础是FFT计算，计算法频谱分析仪的构成
