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1、1,频域测量,第7章,第7章 频域测量,7.1 信号的频谱分析 7.2 线性系统频率特性的测量,7.1 信号的频谱分析,7.1.1 频域与时域测量,时间,幅度 (功率),频率,时域测量,频域测量,信号的频谱分析往往能够提供在时域观测中所不能得到的独特信息。 上图表示基波与其二次、三次谐波相加的例子。 示波器：u-t平面（时域） 屏幕上呈现基波加二次三次谐波的合成波形 频谱仪：u-f平面（频域）,时域测量和频域测量,一个信号可用示波器观察波形,进行时域测量,又可用频谱仪观察频谱,进行频域测量。 实际工作中用哪种测量方法要视具体应用情况而定 声音的频谱分析,时域测量和频域测量,下图分别示出了基波及
2、二次谐波的幅度一样,而相位不同的两个波形,这一相位的差别在示波器上可十分明显地反映出来。但在频谱仪上,测量这两个信号所显示出的频谱图却没有区别。,示波器：研究波形失真的原因时,有明显的优点。 频谱仪：能定量测出很小的谐波失真,时域测量和频域测量,时域测量和频域测量是两种不同的方法对同一信号加以测量,用两种不同的角度对同一信号加以观察,所以时域测量和频域测量是相互关联的。 非周期性电信号用傅里叶积分相互联系和转换 周期性电信号用傅里叶级数相互联系和转换,频谱分析,由傅里叶变换知，时域电信号可以分解为一个、多个、甚至是连续的不同频率、不同幅度和不同相位的正弦波 因此，用适当的方法，我们可以把时域波
3、形分解为相应的正弦波分量，然后对它们分别进行分析与测量 每个正弦波的性质由幅度和相位决定，换句话说，他们可以把时域信号等效到频域中去进行分析和测量，这就是频谱分析,.,调制,失真,噪声,从事通信工程的技术人员十分关心信号的谐波失真、交调失真、噪声背景、调制等各种频谱情况，因为这些对通信质量都有重要的影响 频域分析有时更清楚,频谱仪主要用途,观察各种调制信号（调幅、调频及脉冲调制等）的频谱，检查调制度及调制质量； 测量各种信号源的单边带相位噪声； 检查信号的谐波失真,寄生调制及非相干寄生信号 监视某一频率范围内无线电信号分布情况等。 在这些应用方面,若采用示波器进行时域测量，会遇到困难。 用示波
4、器观察正弦信号波形，很难确定该信号的谐波失真， 采用频谱仪可准确地测量谐波失真。,7.1.2 频谱分析仪的工作原理,频谱分析仪分为模拟式与数字式两大类： 模拟式频谱分析仪 以模拟滤波器为基础 数字式频谱分析仪 以数字滤波器或快速傅里叶变换为基础,模拟式频谱分析仪,模拟滤波器选出所需频率的信号 检波器将该频率分量变为直流信号 显示器将直流信号的幅度显示出来 若用电表作指示器,仪器称为波形分析仪(谐波分析仪) 若用示波管或XY记录仪作显示器,则可显示频谱图。 为了显示输入信号的各个频率分量，滤波器的中心频率要么有多个，要么是可变的。,简单的频谱分析仪,并行滤波器组 如果需要精细分离两个频率，就需要
5、窄带滤波和很多的滤波器，频谱仪的成本随之上升 音频频谱分析仪 采用32个滤波器，每个带宽占1/3的八度音阶,多滤波器并行分析,为了将信号中的各种成分按频率区别开来,可以设置一系列带宽极窄的带通滤波器,并使之覆盖一定宽度的频率范围,滤波器的中心频率f01,f02,，f0n是固定的,且f01f02,f0n,滤波器的通频带应尽量的窄,且彼此邻接,滤波器的数目应能有足够的密度概括整个所需频带,多滤波器并行分析,在同一时刻各个显示信号大小的情况便实时表现了被测信号在该时刻所具有的频谱分布图。 优点 可实时分析被测信号 缺点 硬设备量大,所能显示的离散频谱分量数取决于滤波器数目。 带宽难以做到很窄,所以分
6、辨力和灵敏度均较低,可调滤波法,用一个中心频率可调谐的滤波器扫描整个频谱 在各个频率点上的输出表明信号在这个频率点的信号分量大小，这样就可以获得一个信号的频谱分析图谱了 大频率范围的可调谐滤波器难以实现,显示的输出结果,固定滤波器,很大频率范围的滤波器调谐是不现实的，如果我们固定滤波器的中心频率不变，想办法让信号的频谱移动起来，也可以获得信号频谱分析 如何将频谱移动起来？,显示的输出结果,扫频外差式频谱分析仪,外差式频谱仪的原理： 当差频信号的频率落入中频放大器的带宽内时,即 fI =| fL fxn| 中频放大器才有输出,且其大小正比于频率为fxn的输入信号的幅度。,当连续调节fL时,输入信
7、号的各频率分量依次落入中频放大器的带宽内。,扫频外差式频谱分析仪,外差式频谱仪的原理： 扫频的本振fL与信号fxn混频后,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。其要点是移频滤波。 中频放大器的输出信号经检波、放大后,输入到显示器的垂直通道;由于示波管的水平扫描电压就是调制扫频振荡器的调制电压,故水平轴已变成频率轴,这样,屏幕上将显示出输入信号的频谱图。 频谱仪=超外差接收机+示波器,扫频外差式频谱分析仪,扫频外差频谱仪的工作原理,扫频外差式频谱分析仪,实际上在屏幕上看到的并非是一条条理想的谱线 利用外差接收方法并对本机振荡器进行扫频,其等效结果可形象地看作
8、窄带滤波器的滤波特性曲线,以扫频速度依次扫过各个输入频率分量,由于实际的窄带滤波器总有一定的通带宽度,犹如一个窗口,故在屏幕上看到的谱线实际上是一个个窄带滤波器的动态幅频特性。,扫频外差式频谱分析仪,由于本机振荡器是连续调谐的,故被分析的频谱是一个一个地被顺序取样,因此扫频外差式频谱仪就不能实时地检测和显示信号。 鉴于这一原因,被测信号之间的时间和相位关系就被遗漏了,也就是说,这种频谱仪只能提供幅度谱，而不能提供相位谱。 由于扫频外差式频谱仪具有最高的灵敏度,而且由于引入锁相和频率合成技术以及微计算机,使其性能不断提高,所以在现代频谱仪中仍占有重要地位,数字式频谱分析仪,数字式频谱仪主要有两种
9、实现方法： 数字滤波法 FFT分析法。 数字滤波法 是仿照模拟频谱仪，用数字滤波器代替模拟滤波器,其关键的差别是在进行信号滤波处理之前首先利用A/D转换将模拟信号数字化,而后利用计算机或大规模可编程逻辑器件实现数字滤波,FFT分析式频谱仪,傅立叶变换频谱分析是基于这样的理论：即所有复杂的波形都是由具有不同幅度、相位和频率的正弦波叠加而成。 例如一个方波是由一系列奇次谐波频率的正弦波组成,下图描述了方波信号在时域和频域中的视图。,FFT,数字频谱分析的基本实现方法就是有效地进行傅立叶变换。 通过信号的频谱分析能够获得频域中特有的参数, 例如, 谐波分量、寄生、交调、噪声边带等。 由于离散傅立叶变
10、换(DFT) 的计算繁琐、速度太慢,所以无法应用于实际。快速傅立叶变换( FFT) 是离散傅立叶变换的一种迅速而有效的算法,它是根据离散傅立叶变换的奇、偶、虚、实等特性,对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的,在运算速度上较离散傅立叶变换有明显的优势。 在频谱分析仪中普遍采用快速傅立叶变换( FFT) 算法。,FFT,FFT分析是由数字信号处理器来处理数字量,因此在对被测模拟信号采样保持为离散值以后,还要经过模数转换(ADC)变为数字量,再经数字信号处理器进行FFT运算,最后才能得到频谱分量,进行显示输出。,FFT,由于FFT分析方式中没有超外差频谱分析仪的扫描过程,是将下变频的射频信号一次性通
11、过一定带宽的中频滤波器,这个频带内对信号的分析是完全并行、实时处理的。因此在这个意义上它可以看做是一种在一定带宽下的“实时”频谱分析仪。 FFT分析方式是数字化的处理方法,它可以在模/数变换后用软件实现很多模拟扫频仪无法实现的测试功能,如灵活的触发方式、对存储的频谱信息进行详细的回放分析等。 傅立叶变换可把输入信号分解成分立的频率分量,同样它也可起着类似滤波器的作用,借助快速傅立叶变换电路代替低通滤波器,使频谱分析仪的构成简化、分辨率增高、一定跨度内测量时间缩短,这些都是现代FFT频谱分析仪的优点。,模拟数字混合式频谱分析仪,扫频式频谱分析仪具有频率范围宽,动态范围大等优点。但是它的频率分辨率
12、取决于接收机的滤波器带宽,所以当选择很窄的滤波器带宽时,大大增加了测量时间。扫频法只能用于测量稳定信号,而对扫频期间内变化的信号将会给出错误的结果。 数字式频谱分析仪是以数字滤波和 FFT 技术为基础,通过在时域内离散采样,经数学处理得到信号的频谱图。这种频谱分析仪具有测量速度快、实时性强和多种谱分析的能力。但是,目前受 12 位(甚至更高位)ADC速度的影响,频谱范围上限受到限制,一般为 100kHz;最高为10MHz；最大不失真动态范围为 7080dB。,模拟数字混合式频谱分析仪,现代频谱仪将外差式扫描频谱分析技术与FFT数字信号处理技术相结合,兼有两种技术的优点：前端仍采用传统的外差式结
13、构,而在中频处理部分采用数字结构,中频信号由ADC量化，FFT则由通用微处理器或专用数字逻辑实现。 这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。,7.1.3 频谱分析仪结构,当前先进的频谱分析仪设计方案多采用数字模拟混合系统,利用模拟电子系统实现本振、混频等输入系统,以得到更高的分析频率,而后面影响分辨率带宽的中频滤波器则采用数字滤波器,以得到更高的扫描速度。,射频部分,从射频输入端到混频输出的部分被称为射频部分,其功能是将宽带射频信号变换成适宜处理的中频信号。 在测量高电平信号时,衰减器对信号进行衰减,
14、保护频谱仪不受损坏。 混频器完成信号频谱的搬移,将不同频率输入信号变换到相应频率,混频器是实现频谱分析仪宽频带的关键。 外差式接收机通过混频器与本振将输入信号变到中频,这种变频形式可用下式表示：,中频信号处理,中频滤波器是谱分析仪中关键部件,频谱分析仪主要依靠该滤波器来分辩不同频率信号 现代频谱仪的中频滤波器有三种形式: 模拟滤波器 数字滤波器 FFT,模拟滤波器,模拟滤波器通常用来实现大的分辨率带宽。 例如测量范围9kHz3.6GHz频谱分析仪，带宽从100kHz10MHz是采用模拟滤波器来实现的，其选择性依赖于滤波电路阶数，一般频谱仪为4级滤波电路，也有5级滤波电路，这样可分别得到14和1
15、0的波形因子。 理想的高斯滤波器的波形因子为4.6，不能用模拟滤波器实现，但是在20dB带宽内实现近似是可能的，这样瞬态响应几乎与高斯滤波器相同。,数字滤波器,通过数字滤波器可以获得很窄的带宽,例如10Hz30kHz的分辨率带宽是通过数字滤波器实现的 数字信号处理可以实现理想的高斯滤波器。数字滤波器在可接受的价格内有更好的选择性。,FFT,信号的频谱是由其时域特性决定的。 实际上，傅立叶变换需要借助于数字信号处理，因此被分析的信号要用模数转换器采样及振幅量化。通过抽样可以使连续输入信号转换成时域上离散的点，但是关于时域特性的信息将会丢失。因此输入信号的带宽必须限制，否则会因为取样而产生不真实的
16、信号。根据香农采样定律，采样频率fs必须要至少高于输入信号带宽两倍。 实际上，被分析的信号通过模数转换器采样，变成离散信号，采样值被保存在一个存储器中，经过离散傅立叶变换计算，计算出信号的频谱。,实时频谱分析仪,泰克公司在传统FFT分析仪的基础上增强了ADC的采样位数和DSP的处理能力，开发出了第三代RF测试工具实时频谱分析仪。 与传统FFT分析仪相比,实时频谱分析仪在诸如频率范围、射频指标、捕获带宽、分析功能等方面都有了质的提高。其测试频率范围可达到14GHz,实时测试带宽最大110 MHz,且具有全功能的通用及标准数字调制的测试能力。另外,它的射频指标如动态范围、灵敏度等也可以和高端的扫描频谱仪相媲美。,实时频谱分析仪,实时频谱分析仪是先将要分析的信号快速采集到内存中,然后用软件分析其频谱特性。 实时触发、无缝捕获和多域分析是实时频谱分析仪的几个主要特点。,7.1.5 频谱分析仪的主要技术指标,1频率特性 频率范围 频率范围是指在满足仪器性能指标的情况下，仪器能分析的最宽频率范围。 在并行滤波式及扫频外
