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1、第七章 信号的频域分析与测量 、引言引言 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）。 测控技术1、信号的频谱分析概述、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。 测控技术2、频率特性的测量（扫频测
2、量）概述、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。 测控技术二、信号的频谱分析信号的频谱分析 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
3、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。 测控技术1、频谱分析仪的种类频谱分析仪的种类 频谱分析仪种类繁多，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/THz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
4、化，则无需实时分析。 测控技术2、滤波式频谱分析滤波式频谱分析 （1）滤波式频谱分析的基本组成和性能指标）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。测控技术 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。
5、测控技术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 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的关系为测控技术响应时间和动态特性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
6、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。 测控技术当扫速一定时，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 测控技术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R
7、C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 测控技术TEKRSA6100A系列高性能实时频谱分析仪 测控技术RSA6100ARSA6100A系列高性能实时频谱分析仪系列高性能实时频谱分析仪 性能参数性能参数革命性的DPX频谱处理技术，每秒执行48,000次频谱测量，可分析最短至24s的瞬变 基于发生频度的颜色等级显示 触发触发标配可变带宽中频功率触发、外部触发和线路触发 40MHz和110MHz频率模板触发，检测频域中的任何变化 捕获捕获6.2GHz和14GHz两
8、种型号 高达110MHz的捕获带宽，73dBc的动态范围 3GPP信号上79dBcACLR测量功能(已校正噪声)高达1GB的采集内存 分析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、鼠标和键盘输入 标配USB,1GbLAN,GPIB和DVD/RW测控技术TEKReal-TimeSpectrumAnalyzerRSA3408TEKReal-TimeSpectrumAnalyzerRSA3408RSA3303ARSA3308AWCA230ARSA3303ARSA3308AWCA230AWCA280AWCA28
9、0A测控技术RSA3408RSA3303ARSA3308AWCA230ARSA3408RSA3303ARSA3308AWCA230AWCA280AWCA280ATriggerTektronixExclusiveFrequencyMaskTriggerMakesEvent-basedCaptureofTransientRFSignalsEasybyTriggeringonAnyChangeintheFrequencyDomainCaptureAllInputSignalsupto36MHz*1SpansareSeamlesslyCapturedIntoMemoryLongRecordLength
10、EnablesCompleteAnalysisOverTimeWithoutMakingMultipleAcquisitionsInterfaceswithTekConnectProbesforRFandBasebandProbing测控技术AnalyzeAnalyzeFrequency,amplitude,andmodulationovertime3GMeasurementVersatilitywithW-CDMA,cdma2000,1xEVDO,HSUPA,HSDPA,TD-SCDMARFandModulationAnalysisGeneralPurposeDigitalModulatio
11、nAnalysis802.11a/b/gMeasurementSuiteMulti-domainAnalysisEnablesFast,CompleteSignalAnalysisinFrequency,Time,Code,andModulationDomainsCodogramProvidesaSimple,GraphicalMeansofAnalyzingIndividualCodePowersversusTime.GainRatioProvideaSimple,GraphicalMeansofAnalyzingBetaRatioinUplink(RequiresOpts.27,23and
12、40)W-CDMACompressedModeEnablesAnalysisofHandoversBetweenW-CDMAandGSM测控技术AgilentPSA系列 E4448A频谱分析仪 测控技术E4448A特性动态范围动态范围-154dBm显示平均噪声级 （DANL） +18dBm三阶互调（TOI）（+21dBm典型） -116dBc/Hz相位噪声（10kHz偏置）（-118dBc/Hz典型） 精确度精确度0.62dB绝对振幅精度(0.24dB典型)0.38dB频率响应 (0.11dB典型)0.07dB对数放大线性度速度速度快速低电平寄生搜索 2.56 f max，如果抗混叠低通滤波器
13、的截止特性不好，则应适当提高采样频率以补偿； 根据频率分辨力的要求，选定点数N，使在被分析信号序列的长度内包含两个以上的基频周期； 设定平均方式和平均参数，选择窗函数类型； 最后对所得到的离散谱做出正确的解释。测控技术（2） FFT分析仪分析仪 采用数字中频的外差式频谱仪 这种频谱仪融合了外差扫描与数字处理、实时分析技术于一体，使频谱分析仪的性能得到很大提高。 测控技术数字中频由如下两部分组成：(1)采用数字带通滤波器取代模拟中频滤波器 数字滤波器可做成很窄的分辨力带宽和很优良的波形因子，可以使扫速提高，这就从根本上改善了频谱分析的质量。(2)采用FFT实时分析，提高了分辨力和分析速度。 FF
14、T过程可视为一组滤波器同时工作，这是一种实时分析技术，速度比单个滤波器进行扫描式分析快了数百倍。 由于中频采用了数字技术，可采用数字功率测量来代替传统的检波，这时对于不同类型的信号，都能进行准确的功率测量。 测控技术4、频谱分析仪的技术指标、频谱分析仪的技术指标(1) 频率特性频率特性 频率范围 能够分析信号的频率下限至上限的频段。频率分辨力 能够区分谱线间隔的最小值。 (2) 幅度特性幅度特性 动态范围 表征频谱仪同时显示大信号和小信号的能力，它是指显示信号中最大与最小谱值的差，以dB表示。 灵敏度 最小可分析的信号电平，表征频谱仪测量微小信号的能力。 幅度精度(或误差)所测得的谱值的幅度读
15、数精度。 测控技术（3） 分析速度与扫频速度分析速度与扫频速度 分析速度 指完成一次频谱分析所需要的时间。 扫频速度 扫频宽度与分析时间之比，与仪器的动态分辨力密切相关。 5、频谱分析仪的发展趋势频谱分析仪的发展趋势 实时化、数字化成为趋势。利用数字滤波器和FFT取代模拟滤波器，用数字计算代替检波，使频率分辨力和灵敏度大为提高，并提高了精度、扩大了动态范围、波形适用性强。在现代频谱仪中采用了高性能的数字信号处理（DSP）芯片，使分析速度、精度和分辨力等指标不断提高。 测控技术6、频谱分析仪的应用、频谱分析仪的应用 （1）用频谱仪测量失真度）用频谱仪测量失真度失真的概念失真的概念 幅度失真系统对
16、不同频率的信号的输出幅度不同，产生幅度失真； 相位失真系统对不同频率信号相移的非线性，产生相位失真。非线性失真电路中器件的非线性产生的失真，又称谐波失真。非线性失真不同于幅度失真和相位失真，它使输出信号产生了输入信号中没有的频率成分。测控技术非线性失真的程度用非线性失真系数r表示，其定义为信号谐波总功率与基波功率之比的算术根，即 非线性失真系数简称为失真度，通常用百分比表示。测量非线性失真的方法主要有两种：频谱分析法和基波抑制法。 测控技术用频谱仪测量失真度用频谱仪测量失真度用频谱仪的测量调制度用频谱仪的测量调制度 用频谱仪测量调幅度 ： 调幅系数 ma = Um /Uc , Uc = 0 d
17、B测控技术用频谱仪测量调频系数：调频波的瞬时角频率为 调频系数：mf =/m 用频谱仪测量调频波时是借助于贝赛尔函数的计算来确定调频系数mf 和频偏f 的。测控技术三、系统的频率特性测量系统的频率特性测量1、概述 如图是利用扫频信号发生器和示波器测量频率特性的原理方框图。由扫频信号发生器、示波器、检波器构成的专门用来测量频率特性的仪器称为频率特性测试仪。频率特性测试仪通常又称作扫频仪。 测控技术对于扫频仪来说，扫频信号的中心频率应当是被测网络通频带的中心频率，扫频宽度应略大于被测网络带宽。为此要求扫频振荡器的中心频率及扫频宽度均可独立调节。此外，若被测网络的通频带很窄，那么它对快速瞬变过程将不
18、能做出快速的反应，这时扫描信号的频率应足够低，否则显示的频率将产生较大的失真。 多数扫频仪本身都带有扫频振荡器。按照扫频振荡器的类型，可将扫频仪分为变容管扫频仪、磁调制扫频仪等。有的扫频仪本身不带扫频振荡器，它借助于扫频信号发生器测量网络的频率特性，这种扫频仪称为通用扫频仪。 测控技术2、 光点扫描式通用扫频仪光点扫描式通用扫频仪 通用扫频仪本身没有扫频振荡器，它能与各种扫频信号发生器组合对被测网络进行扫频测量。如图为其原理框图。 测控技术扫频信号发生器原理框图测控技术3、 光栅增辉式扫频仪光栅增辉式扫频仪 按显示方式扫频仪可分为光点扫描式和光栅增辉式扫频仪。光点扫描式扫频仪采用静电偏转示波管
19、，其屏幕面积较小，影响测量精度的提高。光栅增辉式扫频仪采用光栅显示原理。如图为其原理框图。 测控技术测控技术（1）幅频特性的形成和显示 被测幅频特性与锯齿波电压加在比较器两端。当锯齿波电压等于被测信号时，比较器翻转，积分电路产生负的增辉脉冲，使屏幕上出现一个亮点，亮点的坐标取决于扫频信号的频率值和幅频特性曲线上某点的电平。水平扫描正程（或逆程）扫描一次，有数百次至数万次垂直扫描，这样屏幕上数百至数万个亮点连成一条曲线，就形成了被测网络的幅频特性曲线。测控技术（2）电子电平刻度线 利用光栅显示图形的原理，可在屏幕上显示电子电平刻度和电子频率刻度线。 当信号为一直流电平时，屏幕上显示一条水平线，其
20、高度正比于直流电压值，基于这一原理可产生电子电平刻度线。如图为电子电平刻度线形成的原理框图。 测控技术（3）电子垂直刻度线 比较器一端输入可调的直流电压，另一端输入水平扫描的三角波电压，当三角波电压等于参考电压时，比较器翻转，经微分电路产生宽度为的增辉脉冲。约为垂直扫描周期Ty的几倍，故可使几条扫描线发亮。因暗光栅很密，故实际看到的是一个垂直亮线（严格地说这条线不完全垂直）。水平方向的不同位置代表不同的频率，故每一条亮线就是一条频率刻度线。改变比较器的参考电压，可使频率刻度线移动。测控技术如图为显示频率特性时的屏幕正面。 测控技术综上所述，光栅增辉式扫频仪采用大屏幕显像管、电子电平刻度线和电子频率刻度线，所以其电平和频率测量精度比光点扫描式扫频仪的高。 测控技术
