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1、 2003 / Jian Luo / 1 频谱分析仪技术基础频谱分析仪技术基础 罗健R&S 中国培训中心 2003www.rohde- 2003 / Jian Luo / 2 一、基本理论一、基本理论o信号分析及频谱分析概述o频谱仪的工作原理o频谱仪的特性 二、工程应用二、工程应用o仪器操作o常用功能与测试信号分析及频谱分析概述信号分析及频谱分析概述 2003 / Jian Luo / 3 第一章第一章 基本理论基本理论1、信号、信号分析及频谱分析概述分析及频谱分析概述 周期信号-单载波信号-扫描信号 非周期信号-噪声信号-瞬态信号调制信号-模拟调制-数字调制信号分析及频谱分析概述信号分析及频
2、谱分析概述 2003 / Jian Luo / 4 信信 号号 频域频域频谱分析仪频谱分析仪示示 波波 器器时域时域 调制域调制域矢量分析仪矢量分析仪信号的信号的波形波形信息信息幅度幅度周期周期频率频率信号的信号的频率分布频率分布信息信息频率、功率频率、功率谐、杂波谐、杂波噪声、干扰噪声、干扰失真失真信号的信号的矢量矢量信息信息幅度误差幅度误差矢量误差矢量误差相位误差相位误差信号分析及频谱分析概述信号分析及频谱分析概述 2003 / Jian Luo / 5 理想单载波信号在时域和频域的测量结果理想单载波信号在时域和频域的测量结果信号分析及频谱分析概述信号分析及频谱分析概述 2003 / Ji
3、an Luo / 6 频域测量对信号分析的作用频域测量对信号分析的作用信号分析及频谱分析概述信号分析及频谱分析概述 2003 / Jian Luo / 7 周期信号的频谱周期信号的频谱信号分析及频谱分析概述信号分析及频谱分析概述 2003 / Jian Luo / 8 模拟调制信号：模拟调制信号：AM、FM、PM的调制指数和调制频率等的调制指数和调制频率等信号分析及频谱分析概述信号分析及频谱分析概述 2003 / Jian Luo / 9 数字调制信号：信道功率、相邻信道功率比、占有带宽等数字调制信号：信道功率、相邻信道功率比、占有带宽等信号分析及频谱分析概述信号分析及频谱分析概述 2003
4、/ Jian Luo / 10 噪声信号：噪声功率、相位噪声噪声信号：噪声功率、相位噪声信号分析及频谱分析概述信号分析及频谱分析概述 2003 / Jian Luo / 11 失真信号：谐波失真、非谐波失真、杂散失真信号：谐波失真、非谐波失真、杂散信号分析及频谱分析概述信号分析及频谱分析概述 2003 / Jian Luo / 12 频谱仪的类型频谱仪的类型1、傅立叶分析仪RAMFFTADADRAMFFT频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 13 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 14 2、外差式扫描分析仪、外差式扫描
5、分析仪频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理检波器可调锯齿波可调的带宽滤波器 2003 / Jian Luo / 15 InputInputRFLoIF超外差式扫描调谐分析仪超外差式扫描调谐分析仪频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 16 频谱仪的主要设置参数频谱仪的主要设置参数l 频率显示范围 中心频率和频率跨度 起始频率和终止频率l 电平显示范围 参考电平和量程跨度l 频率分辨率 分辨带宽l 扫描时间频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 17 2 2、频谱分析仪的工作原理、频谱分析仪的工作原理 超外差式扫描调谐接收机a(
6、t)HffLO检波器检波器延迟延迟RFIF参考振荡器参考振荡器 低通低通滤波器滤波器 衰减器衰减器 混频器混频器 中频中频放大器放大器 视频滤波器视频滤波器 中频中频滤波器滤波器 对数对数放大器放大器 压控压控振荡器振荡器 锯齿波锯齿波 发生器发生器显示显示频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 18 镜像的影响镜像的影响频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理图象频率范围转换交迭 2003 / Jian Luo / 19 镜像的抑制镜像的抑制频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 20 衰减器衰减器Lo IFRF频谱分析仪工作原
7、理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 21 频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 22 混频器混频器InputInputRFLo IFfinflofinfloFlo + FinFlo - Fin频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 23 中频中频滤滤波器波器显示显示锯齿波发生器锯齿波发生器包络检波器包络检波器本地振荡器本地振荡器模拟滤波器模拟滤波器对数放大器对数放大器放大器放大器视频滤波器视频滤波器xy输入输入混频器混频器中频放大器中频放大器检波器检波器数字滤波器数字滤波器FFT 滤波器滤波器频谱分析仪
8、工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 24 中频滤波器中频滤波器:数字滤波器数字滤波器IF 20.4 MHzAD32 MHzIQ12 bitLowpass filterLowpass filterfilter coefficientsfilter coefficientsI + Q22IF envelope voltage90LOLOIFIFI mixerQ mixerNCOAnti aliasingbandpassl特点:真正的高斯形状波形因子4.6最小扫描时间 k = 1 通过补偿可以达到l优点:小波形因子 = 更高的灵敏度快速扫描更高的带宽精度测量可以得到更高的
9、电平精度l用于噪声或类噪声信号没有温度或老化漂移频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 25 中频滤波器中频滤波器: FFT 滤波器滤波器DisplayFFTRAMADx(t)l最大频率范围受限于AD变换器的带宽l快速的信号处理要求合理的更新率l窄的分辨带宽减少了扫描时间频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 26 视频滤波器视频滤波器视频滤波器(平滑)显示显示输入输入锯齿波发生器锯齿波发生器包络检波器包络检波器混频器混频器中频放大器中频放大器本地振荡器本地振荡器中频滤波器中频滤波器对数放大器对数放大器视频滤波器视频滤波器xy
10、检波器检波器频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 27 检波器检波器最大最大峰值峰值最小最小峰值峰值有效值有效值平均值平均值线性线性对数对数微微处理器处理器显示显示视视频频信信号号检波器的选择检波器的选择“线性检波器线性检波器”“对数检波器对数检波器”线性线性/对数查找表：对数查找表：有效值、平均值检波器有效值、平均值检波器 采样采样水平轴水平轴 500个个像素点像素点 平均值检波器平均值检波器 有效值检波器有效值检波器频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 28 不同的检波器在显示屏上不同的数据处理不同的检波器在显示屏上不
11、同的数据处理频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 29 本地振荡器本地振荡器显示显示输入输入锯齿波发生器锯齿波发生器包络检波器包络检波器混频器混频器中频放大器中频放大器本地振荡器本地振荡器中频滤波器中频滤波器对数放大器对数放大器视频滤波器视频滤波器xy检波器检波器频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 2003 / Jian Luo / 30 3 3、频谱分析仪的特性、频谱分析仪的特性l 滤波器特性 l 相位噪声（频谱纯度）l 接收机的固有噪声l 系统非线性l 1dB压缩点l 动态范围l 测量精度频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian L
12、uo / 31 分辨滤波器特性分辨滤波器特性频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 32 不同分辨带宽的滤波器对测试结果的影响不同分辨带宽的滤波器对测试结果的影响频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 33 分辨相邻的信号分辨相邻的信号红色踪迹：RBW=30 kHz蓝色踪迹：蓝色踪迹： RBW= 3 kHz红色踪迹：RBW=30 kHz蓝色踪迹： RBW= 3 kHz频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 34 最小扫描时间最小扫描时间TSweep 最小扫描时间Span频率扫描跨度RBW分辨带
13、宽 (3 dB 带宽)kk 因子, 2.5 模拟滤波器 频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 35 扫描时间对频率和电平测量误差的影响扫描时间对频率和电平测量误差的影响蓝色踪迹：蓝色踪迹：电平和频率产生误差电平和频率产生误差测试结果未校准!频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 36 相位噪声相位噪声频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 37 频谱分析仪的固有噪声频谱分析仪的固有噪声LDANL平均显示噪声电平 DANL规定的平均噪声电平 (R&S 数据表: RBW=10 Hz, RFATT
14、 = 0 dB)RBWNoiseRBW滤波器的等效噪声带宽 RFAttRF 衰减器-2.5 dB修正因子 (对数定标的平均)不同的滤波器不同的滤波器6 dB带宽和等效噪声带宽与带宽和等效噪声带宽与 3 dB带宽的关系带宽的关系频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 38 显示的噪声本底依赖于显示的噪声本底依赖于RF衰减器衰减器频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 39 显示的噪声本底依赖于与显示的噪声本底依赖于与RBW带宽带宽 A=10lg(RBWnew/RBWold)频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Ji
15、an Luo / 40 接收机的非线性特性接收机的非线性特性频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 41 三阶互调产物的鉴别三阶互调产物的鉴别频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 42 截止点截止点(T.O.I)频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 43 1-dB 压缩点压缩点频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 44 动态范围动态范围频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 45 最大无互调范围或最大谐波抑制最大无互调范
16、围或最大谐波抑制频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 46 频率测量精度频率测量精度l光标读数：光标读数：l (频率读数X参考频率误差+0.5%X频率跨度+10%X分辨带宽+最后显示位X1/2)计数器读数计数器读数: (频率读数X参考频率误差+最后显示位X1/2) 频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 47 幅度测量精度幅度测量精度l 误差来源：-频率响应-衰减器误差-中频增益误差-线性误差-带宽切换误差-失配误差频谱分析仪性能指标频谱分析仪性能指标 2003 / Jian Luo / 48 具体指标具体指标l各项误差各项
17、误差128 MHz绝对误差0.2 dB频率响应 (f3 GHz)0.5 dB衰减器误差 0.2 dB对数显示非线性(0 to -70 dB)0.2 dBRBW 切换误差 (RBW 100 kHz)0.1 dB驻波比 0.55dB总的电平不确定度总的电平不确定度: 0.5 dB(f 更好的分辨率频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 82 o 幅度统计特性的测量-幅度概率分布 (APD)-互补累积分布函数 (CCDF)-频谱仪的设置s分辨带宽的选择s采样点数的选择 频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 83 幅度统计特性的测量原理频谱仪应用频谱仪应用 200
18、3 / Jian Luo / 84 CCDF和APD的测量结果（白噪声）频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 85 传输测量传输测量-通过校准和归一化消除测试设置的频率响应 执行传输测试的校准，整个测试设置是“直通”连接DUTGEN OUTPUTRF INPUTFSP-B10 为FSU & FSP设计的 外部信号发生器控制频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 86 传输测试的操作菜单传输测试的操作菜单频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 87 反射测量反射测量-内置校准和归一化功能 CAL REFL OPEN, CAL REFL SH
19、ORT标量反射测量需要附加一个方向性好的标量反射测量需要附加一个方向性好的SWR电桥或是定向耦合器电桥或是定向耦合器GEN OUTPUTRF INPUT 反射电桥反射电桥DUTFSP-B10 为FSU & FSP设计的 外部信号发生器控制频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 88 反射测量的操作菜单反射测量的操作菜单频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 89 l噪声系数的测量噪声系数的测量 一个系统或网络的噪声系数F定义为：系统或网络的输入端口的信噪比和输出端口的信噪比之比。一般定义一般定义：-120-100-80-60-40fo频率频率-120-100
20、-80-60-40fo输入功率电平输入功率电平 (dBm)频率频率输入功率电平输入功率电平 (dBm)Si / NiSo / No DUT例如放大器例如放大器 Na GSi / NiSo / NoNa 系统内部的噪声系统内部的噪声G 系统的增益系统的增益频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 90 28 V DC on/off噪声源噪声源被测件被测件频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 91 kT04.00 x 10-21 W/Hz = -174dBm/HzNa系统的内部噪声系统的内部噪声B系统的噪声带宽系统的噪声带宽G系统的增益系统的增益T0噪声参考温度
21、噪声参考温度 (定义为定义为290K ) 噪声系数F是全部的输出噪声功率 (Na + kT0BG)和输出噪声的一部分功率(kT0BG)之比，这部分功率kT0BG是由于输入噪声(kT0B)引起的。 这是在输入源的温度为290K的条件下得到的。IEEE 标准的定义标准的定义:-120-100-80-60-40fo频率频率-120-100-80-60-40fo输入功率电平输入功率电平(dBm)频率频率 DUT例如放大器例如放大器输入功率电平输入功率电平 (dBm) NaSi / NiS0 / N0kT0BkT0BG + Na G频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 92 由于有效
22、噪声温度Te是源电阻产生的附加温度,因此即使是无噪声的DUT也会产生同样的噪声功率谱密度。 实际的实际的DUT50 OhmT0 = 290 KNa,GaN1 = kT0BGa+Na无噪声的无噪声的DUT50 OhmT = (T0+Te) KN1 = k(T0+Te)BGa = kT0BGa + kTeBGaGaNaTe = 噪声温度噪声温度频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 93 利用频谱分析仪和噪声系数仪测量噪声系数的基本等式。利用频谱分析仪和噪声系数仪测量噪声系数的基本等式。B G1 Na1R输入噪声输入噪声 k T0 BkT0BkT0BG1kT0BG1G2Na1Na
23、1G2Na2B G2 Na2第二级系统第二级系统附加的附加的全部全部噪声噪声输出的输出的全部全部噪声噪声功率功率输入的噪声功率输入的噪声功率 x 系统增益系统增益第一级系统第一级系统DUT噪声测量系统噪声测量系统F1F2F12 = F1 + (F2 - 1)/G1) F1 = F12 - (F2 - 1)/G1) T1 = T12 - T2/G1(第二级系统对噪声的贡献)第二级的校准是测量系统内部的噪声系数，用来作为计算DUT的噪声系数的修正因子。 频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 94 Calibration cycle Measurement cycle 使用的噪声
24、源对其输出噪声电平进行校准，用超噪比(ENR)表示。 ENR 校准信息由噪声源提供，在T0 = 290 K条件下有效。 Y系数法测量噪声系数通常分为两步： 校准 和 测量TSOFF = 噪声源的物理温度 (通常定义为 290 K)TSON = 噪声源在“ON”状态时的噪声温度。 校准 测量频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 95 校准步骤校准步骤:其中：ON 噪声二极管在工作OFF 噪声二极管不工作N2ON测量的噪声功率 (噪声二极管处于“ON“的状态)N2OFF 测量的噪声功率 (噪声二极管处于“OFF“的状态) Y2 校准期间的Y系数T2 噪声测试系统的噪声温度TSO
25、FF 噪声源的物理温度TSON 通过噪声源的ENR值计算得到 校准周期结束后，仪器存储N2ON, N2OFF和 T2的计算值噪声源噪声源噪声噪声 测量测量系统系统ENR=(TSON-TSOFF)/T0 28VON/OFFT2频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 96 第二级的校准有必要作为单独的校准步骤，在校准过程中测定仪器自身的噪声温度。 这个校准值需要用来在测试步骤中去修正测定的噪声温度。 这项技术用于进行非常精确的测量。与与DUT一起测试一起测试: 噪声源噪声源 噪声噪声 测量测量 系统系统ENR=(TSON-TSOFF)/T0 28VON/OFFT12DUTT1T2频谱仪应用频谱仪应用 2003 / Jian Luo / 97 结束语结束语个人观点供参考，欢迎讨论
