第五章频谱分析仪测量

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1、第五章 频谱分析仪测量8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz频谱分析仪测量及噪声测量第一节 定义第二节 几种常见信号频谱 单脉冲,周期脉冲,调幅波第三节 频谱分析仪介绍及其主要性能参数 重点:分辨带宽 补充:有关分辨力的一些问题第四节 几种测试 频率功率相位噪声等参数测试 重点讲噪声系数的测量第五节 噪声测量2电子信号表述S（t） =A（t）COS （t）t+ （t）参数：参数：S（t）电子信号的时域表述）电子信号的时域表述A（t）电子信号的振幅）电子信号的振幅 （t）电子信号的角频率）电子信号的角频率 （t）电子信号的相位电子信号的相位 由于所有的电信

2、号都可以有一系列正弦波组合而成，即正弦波是最基本的电信号。 正弦波一般表达式可以这样表示。第一节 定义问题: 1. 什么是频谱分析仪 2. 为什么要用频谱分析仪4傅里叶变换d频域和时域关系图5Frequency versus Time Domain6f（t）tV（f）ff（t）ttf（t）V（f）V（f）ff时域波形时域波形频域波形频域波形可以给频谱仪下如下定义: 频谱仪是一种把射频和微波信号显示成频率的函数的仪器.7 信信 号号 时域分析：示波器 频域分析：频谱仪信号周期升降沿峰值电压信号频率谐波分量信号功率寄生、交调信号边带时域频域傅里叶变换第二节 几种常见信号频谱最单纯的信号是理想正弦波

3、,大的频谱是一根单一的谱线,其它所有非正弦周期信号都可用傅氏级数展开为一系列正弦谐波的总和.9VoltageTimeVoltageFrequencySpectrum AnalyzerOscilloscope5.2.1 单个脉冲10波形曲线频谱分布5.2.2 周期性脉冲频谱11TimePulseOn/Off ratioRisetimeRate=1/TTWidthtPowerPower1/t1/T5.2.3 调幅波1212VoltageTimeCarrierModulation第三节 频谱分析仪介绍及其主要性能参数13 动态信号分析仪动态信号分析仪 扫频频谱分析仪扫频频谱分析仪 信信 号号 频频

4、谱谱 分分 析析X(nT)X(t)S(t)ttt(b) 取样函数取样函数(c) 取样波形取样波形(a) 时域波形时域波形T = 1 / fSADCFFTfS输入显示器处理器 数字滤波器 模数转换器取样器衰减器 模拟滤波器窗口V2V3V1f2f1fs3fs2fs1概述 动态信号分析仪与扫频频谱分析仪 实时实时 非实时非实时概述 频谱分析仪的不同类型并联滤波器同时测量LCD 显示总的频谱Aff1f2多通道滤波器式分析仪 可以完成实时频谱测量的仪器除了FFT分析仪，还有多通道滤波器式分析仪等。概述频谱仪发展与用途频谱仪发展史粗略扫中频的频谱监视器扫本振的全景接收机智能频谱分析仪多功能频谱分析仪高性能

5、频谱分析仪频谱仪主要用途微波通信雷达、导航、电子对抗频率管理信号监测EMI诊断、EMC测量主要常用测试类型.调制失真噪声频谱分析仪原理框图Spectrum Analyzer Block DiagramPre-SelectorOr Low PassFilterCrystalReferenceLogAmpRF inputattenuatormixerIF filterdetectorvideofilterlocaloscillatorsweepgeneratorIF gainInputsignalCRT display混频器MixerMIXERfsigLOffsigLOfLOffsig-LOffs

6、ig+RFLOIFinputIF FILTERDisplayInputSpectrumIF Bandwidth(RBW)中频滤波器IF Filter分辨率带宽resolution bandwidth (RBW)减小带宽，分辨率提高，同时也改善了信噪比（SNR），但是，扫描速度和轨迹刷新速度降低。我们可以根据测量要求在几方面之间进行折中分辨率带宽 LC 滤波器 晶体滤波器 有源滤波器 数字滤波器工作原理中频滤波器的实现3MHz100kHz带宽由LC滤波器来实现；30kHz1kHz带宽由晶体滤波器来实现； 300Hz30Hz带宽由有源滤波器来实现。检波器Detector DETECTORampli

7、tude包络检波后数值化处理作为纵坐标值analog-to-digital converter (ADC). “进程负峰值检波:显示进程中的最小值正峰值检波: 显示进程中的最大值取样检波:显示进程中的最后值23PEAKLOG10dB/REF -40dBm ATTEN 10 dBCENTER 300 MHz SPAN 500 MHzRES BW 1 MHz VBW 1 MHz SWP 50 msec 中频信号频谱仪经包络检波器后有四中视频检波方式ROSENFELL检波负峰值检波正峰值检波取样检波24视频滤波器Video FilterVIDEO FILTER低通滤波器，位于包络检波之后ADC之前，

8、限制视频放大器带宽，起到平均及平滑作用analog-to-digital converter (ADC). 其他部件Other ComponentsLCD DISPLAYSWEEP GENLOIF GAINfrequencyRF INPUT ATTENUATORLO：local oscillator，is a Voltage Controlled Oscillator (VCO) 扫描斜坡发生器扫描斜坡发生器：sweep generator ，使LO频率改变，作为显示横坐标。输入衰减器输入衰减器：步进衰减器，用于修正到第一混频器的功率，否则功率有可能出现混频器增益压缩，导致失真。中频增益中频增

9、益：位于RBW前步进，用于显示垂直幅度，可随输入衰减器值改变而改变以维持显示不变。协同工作协同工作How it all works together3.6(GHz)(GHz)0361245031236453.6(GHz)0312fIFSignal RangeLO Rangefssweep generatorLOLCD displayinputmixerIF filterdetectorAffLOfsfsfsfLO-fsfLO+fLO3.66.56.5 AV4032系列多功能微波频谱分析仪系列多功能微波频谱分析仪 原理框图和简介 四次变频的超外差式扫频测量接收机举例举例 AV4033系列高性能微

10、波频谱分析仪系列高性能微波频谱分析仪 原理框图和简介 举例举例 AV4033系列高性能微波频谱分析仪系列高性能微波频谱分析仪 原理框图和简介 举例举例主要性能频率范围测量谐波低频（基带和中频信号）主要性能频率与幅度准确度用用dBm表示表示绝对幅度绝对幅度 用用dB表示相表示相对幅度对幅度相对频率相对频率频率频率主要性能频率读出准确度典型的计算公式:扫宽 2 MHz: (频率读出x 频率参考误差 + 扫频宽度1% + 分辨率带宽15% + 10 Hz “剩余误差)频率主要性能准确度：频率读出准确度示例单频标示例:1% of 400 kHz span15% of 3 kHz RBW10 Hz re

11、sidual error+_2 GHz400 kHz扫宽3 kHz 分辨率带宽计算: (2x10 Hz) x (1.3x10 /yr.ref.error) 9-7=260 Hz4000 Hz450 Hz10 Hz4720 Hz总计 =主要性能准确度:绝对幅度准确度绝对幅度绝对幅度（dB） l校准器准确度校准器准确度l频率响应频率响应l参考电平不确定度参考电平不确定度l显示标度准确度显示标度准确度l频率响应频率响应l 射频输入衰减器射频输入衰减器l 参考电平参考电平l 分辨率带宽分辨率带宽 l 显示标度因子显示标度因子主要性能准确度: 相对幅度准确度 相对幅度相对幅度 （dB）l适用于改变参考电

12、平时测量信号幅度差值l显示标度准确度依赖于：对数/线性放大器保真度检波器线性数字化电路线性l获得最佳准确度的技术主要性能准确度: 相对幅度准确度 - 显示标度准确度 相对幅度相对幅度 （dB）主要性能准确度: 相对幅度准确度 - 频率响应平坦度- 1 dB+1 dB01 波段指标: 1 dB 当信号在同一谐波波段时当信号在同一谐波波段时主要性能准确度: 其它不确定度来源l失配失配 (信号输入端不是准确信号输入端不是准确 50 ohms)l由于过载而压缩由于过载而压缩 l失真产物失真产物l幅度低于对数放大器的范围幅度低于对数放大器的范围l信号接近噪声信号接近噪声l噪声引起幅度变化噪声引起幅度变化

13、l信号间距小于分辨率带宽信号间距小于分辨率带宽(高电平输入信号)主要性能分辨率: 分辨率带宽.3 dB3 dB 带宽带宽LO混频器中频滤波器中频滤波器/分辨率带宽滤波器分辨率带宽滤波器 (RBW)扫描检波器输入频谱输入频谱显示显示分辨率带宽分辨率带宽主要性能分辨率分辨率带宽分辨率带宽剩余调频剩余调频噪声边带噪声边带有哪些因素影响分辨率?分辨率带宽滤波器分辨率带宽滤波器类型和选择性类型和选择性主要性能分辨率: 分辨率带宽.3 dB10 kHz10 kHz RBW主要性能分辨率: 分辨率带宽滤波器类型和选择性3 dB60 dB60 dB BW60 dB BW3 dB BW3 dB BW选择性 =主

14、要性能分辨率: 分辨率带宽滤波器和选择性10 kHzRBW = 10 kHzRBW = 1 kHz选择性 15:110 kHz失真产物失真产物60 dB BW = 15 kHz7.5 kHz3 dB60 dB例如,作双音交调测试，两个信号间距为10 kHz主要性能分辨率: 数字分辨率带宽数字数字滤波器滤波器模拟滤波器模拟滤波器SPAN 3 kHzRES BW 100 Hz典型选择性模拟 15:1数字 5:1RBW速度提高 100 Hz3.1030 Hz14.4010 Hz52.403 Hz118.001 Hz84.00主要性能分辨率: 剩余调频剩余调频信号“毛草”影响分辨率带宽的另一个因素是频

15、谱分析仪的本振频率稳定度，本振的短期稳定度即剩余调频主要性能分辨率: 噪声边带噪声边带降低对不等幅信号的分辨率相位噪声（亦称相位噪声） 主要性能分辨率: 分辨率带宽影响测量时间扫描过快的后果是扫描过快的后果是非校准显示非校准显示扫描过快主要性能灵敏度/显示平均噪声电平 扫描扫描LO混频器混频器射频输入射频输入分辨率带宽分辨率带宽滤波器滤波器检波器检波器象任何有源电路一样，频谱仪会产生并放大噪声一般定义它为频谱分析仪的显示平均噪声电平 (DANL) ，单位 dBm,获取方法是，用最窄分辨带宽、最小的输入衰减和最佳的视频滤波器。49主要性能：灵敏度/显示平均噪声电平10 dB衰减 = 10 dB衰

16、减 = 20 dB 信号电平有效显示噪声电平是射频输入衰减器的函数射频输入衰减器增大，信噪比降低主要性能灵敏度/显示平均噪声电平: 中频滤波器 (RBW)减小 BW = 降低噪声100 kHz RBW10 kHz RBW1 kHz RBW10 dB10 dB显示平均噪声电平是中频滤波器带宽的函数噪声电平变化 (dB) = 10 log(RBWnew)/(RBWold)主要性能灵敏度/显示平均噪声电平: 视频带宽视频带宽平滑噪声更容易识别低电平信号减小视频滤波器带宽，我们可以减小噪声峰峰值,即噪声得到平滑，原来被噪声淹没的信号可以清晰的显示出来。主要性能灵敏度/显示平均噪声电平信号等于噪声灵敏度

17、是能够测量的最小信号功率2.2 dB53主要性能灵敏度/显示平均噪声电平H最窄的分辨率带宽最窄的分辨率带宽H最小射频输入衰减最小射频输入衰减H充分视频滤波（充分视频滤波（Video BW .01 Res BW)如何获得最佳灵敏度:54主要性能 失真变频信号变频信号被测信号被测信号显示结果显示结果混频器产生失真混频器产生失真混频器产生失真内部失真是输入功率的函数，所以，定义频谱分析仪的失真指标时，必须指定输入功率。55主要性能 失真双音交调谐波失真最有影响的失真是二次和三次失真 -50 dBc -50 dBc -40 dBc为减小由于内部失真的存在而引起的测量误差，要求内部失真远小于测量要求。5

18、6主要性能 失真失真产物的增量是基波功率增量的函数二阶失真以 2 dB/dB随基波变化三阶失真以3 dB/dB 随基波变化3f2f3f功率(dB)2ff2f - f1212功率(dB)33212f - f双音交调谐波失真三阶失真三阶失真二阶失真二阶失真就是二阶失真的增长速率是基波增长速率的平方，三阶失真的增长速率是基波增长速率的立方。主要性能 失真失真相对幅度随着输入功率电平的变化而变化f2f3f1 dB3 dB2 dB21 dB20 dB1 dB主要性能 失真.失真是混频器电平的函数混频器电平混频器电平 =输入输入 - 衰减器设置衰减器设置 dBmDISTORTION, dBc0-20-40

19、-60-80-100-60-300+30TOI二阶三阶主要性能 失真失真测试:来自内部还是外部？中频增益中频增益幅度没有变化 = 失真来自输入信号的一部分 (外部) 以10dB步进改变输入衰减器1在屏幕上观察信号:2幅度发生变化 = 至少有一部分失真来自于频谱分析仪内部(内部)射频输入衰减器射频输入衰减器主要性能动态范围：输入、显示、测量动态范围主要性能动态范围输入到混频器的功率输入到混频器的功率 =输入功率输入功率 - 衰减器设置衰减器设置 dBm信噪比（ dBc）0-20-40-60-80-100-60-300+30.分辨率带宽为1 kHz的显示噪声分辨率带宽为100Hz的显示噪声信噪比可

20、以用曲线图来表示主要性能动态范围动态范围可以用曲线图来表示信噪比（ dBc）-20-40-60-80-100-60-300+30.TOI最佳混频器电平最大二阶动态范围 显示噪声 (1 kHz RBW)三阶二阶最大三阶动态范围SOI输入到混频器的功率输入到混频器的功率 =输入功率输入功率 - 衰减器设置衰减器设置 dBm主要性能动态范围噪声边带噪声边带动态范围动态范围 受限于噪声边带受限于噪声边带dBc/Hz显示平均噪声电平显示平均噪声电平动态范围动态范围压缩压缩/噪声噪声受限于受限于100 kHzto1 MHz搜索毛刺的动态范围依赖于到载波的间距主要性能 动态范围实际动态范围是以下中最小的:一

21、定频偏的噪声边带最大动态范围计算计算目标:失真灵敏度主要性能 -动态范围+30 dBm-115 dBm (1 kHz BW & 0 dB衰减)最大功率电平最大功率电平LCD-显示范围80 dB-10 dBm-35 dBm-45dBm增加带宽或衰减二阶失真二阶失真混频器压缩混频器压缩三阶失真三阶失真信号信号/噪声噪声范围范围105 dB145 dB测量范围测量范围最小噪声基底70 dB 范围范围80 dB 范围范围0 dBc噪声边带噪声边带60 dBc/1kHz信号信号 /三阶失真三阶失真信号信号/ 二阶失真二阶失真信号信号/噪声边带噪声边带主要性能 动态范围这里这里 TOI =混频器电平混频器

22、电平 - dBc/2 SOI =混频器电平混频器电平- dBc最佳混频器电平最佳混频器电平 = DANL - MDR衰减衰减 = 信号信号 -最佳混频器电平最佳混频器电平MDR = 2/3 (DANL - TOI)3MDR = 1/2 (DANL - SOI)2计算最大动态范围主要性能 动态范围这里这里TOI = (-30) - (-70)/2 = + 5 dBm3MDR = 2/3 (-115) - (+5) = -80 dBc (1 kHz RBW)计算示例最佳混频器电平最佳混频器电平 = (-115) - (-80) = -35 dBm衰减衰减 = (0) - (-35) = +35 d

23、Bm频谱分析仪使用注意事项频谱分析仪使用注意事项 （1 1）对电源的要求：）对电源的要求： 220V 220V 10%；50Hz 50Hz 5%； （2 2）对接地线要求：）对接地线要求： 三芯电源线，系统可靠接地共地三芯电源线，系统可靠接地共地 （3 3）严防静电要求）严防静电要求 （4 4）对输入信号要求：）对输入信号要求： CWCW，+30dBm+30dBm（1W1W） DCDC， 0V0V （5 5）组成程控系统时地址设置要正确）组成程控系统时地址设置要正确 （6 6）校准：频率、幅度、）校准：频率、幅度、YTFYTF校准校准与幅度相关输入阻抗及驻波比最大允许输入电平动态范围 通常把从

24、不加衰减时的最佳输入信号(即P1dB压缩点)起往下直到最小可用信号电平止,这一信号幅度变化范围称为动态范围.若再加上用内部衰减所能扩展的dB数,则称最大测量范围.69与频率相关工作频率范围 系指频谱一在满足所有规定的性能指标的前提下所能接收和测量的频率范围.有些频谱仪可以通过外加混频器扩展到更高频率使用.70扫描时间 即产生扫频及水平偏转的锯齿波一个扫描过程的时间,通常可在若干ms到若干s之间分档选择. 比如可以通过改变扫描时间,观察一个频带内的波形.71分辨带宽 即决定选择性的最低中频滤波器的3dB带宽B,亦称静态分辨力,在其它条件适当配合下,他决定着所能分辨的两个相等谱线之间的最小频率间隔

25、72视频带宽 在检波后的视频放大电路中,有时还有几种宽度分档可变的LPF,其带宽有时比中频带宽还要窄,在观察到含有强视频毛刺的频谱图时,减小视频带宽可以起到平滑作用,使显示比较清晰.在观察脉冲等宽带信号频谱时,不应采用窄的视频带宽.73第四节 几种测试74755.4.1 频率测量5.4.2 噪声测量765.4.3 AM调制及交调测量7778频谱分析仪基本测量频谱分析仪基本测量基础测量被测量信号的频率被测量信号的功率 基础：对被测信号自身应有一定的了解。 一般：对被测信号应知道所在的频段范围内。 高级：对被测信号一无所知。直接设置设置测量范围大范围内搜索79频谱分析仪基本测量频谱分析仪基本测量调

26、幅信号调幅信号调频信号调频信号脉冲调制信号脉冲调制信号扫频测量扫频测量时域测量时域测量FFT变换变换频域测量频域测量BesselBessel函数法函数法HaberlyHaberly法法窄带测量窄带测量宽带测量宽带测量80频谱分析仪基本测量频谱分析仪基本测量调幅信号调幅信号V(t)=Ac1+am(t)COS(2 fct)=Ac COS（ 2 fct ） +a Ac /2COS( 2 fc + 2 f m)t + a Ac /2 COS(2 fc - 2 f m)t81DdBfmfcMARKERD1.0 kHz-26 dB a=210-（DdB/20） 扫频方法测量调幅信号扫频方法测量调幅信号调幅

27、信号调幅信号频谱分析仪基本测量频谱分析仪基本测量 时域方法测量调幅信号：同步测量法时域方法测量调幅信号：同步测量法调幅信号调幅信号频谱分析仪基本测量频谱分析仪基本测量TMARKERMARKERD10msec1.00 xDEmaxEmin5.00ms.818 X 最宽的分辨带宽 最宽的视频带宽 线性方式显示 零扫宽a=Vmax+VminVmax-Vmin FFT FFT变换测量调幅信号变换测量调幅信号调幅信号调幅信号频谱分析仪基本测量频谱分析仪基本测量 fmDdBMARKER D1kHz-26dB频谱分析仪基本测量频谱分析仪基本测量调频信号调频信号v（t）=AcCOS（2 fct+SIN2fmt

28、）=Ac COS（ 2 fct ） +Ac/2COS2（fc+fm）t - Ac/2COS2（fc-fm）t 频域法测量调频信号频域法测量调频信号调频信号调频信号频谱分析仪基本测量频谱分析仪基本测量MARKERD1.0 kHz-40dB舍弃相位信息mf=2*10(dB/20) =2*10(-40/20) =0.02f=mf*fm=0.02*1000 =20Hz BesselBessel函数法测调频信号函数法测调频信号调频信号调频信号频谱分析仪基本测量频谱分析仪基本测量MARKERD100Hzfmax=mf*fm=2.4048*100=240.48Hz HaberlyHaberly法测宽带调频法

29、测宽带调频调频信号调频信号频谱分析仪基本测量频谱分析仪基本测量n+1nn-139.76mv 85.7mv 99.88mv123Vn+1VnVn-1按照规则计算宽带调频参数： 寻找三个邻近边带，其幅度随距载波愈远而依次减小 对数方式，用电压单位 从离开载波算起确定N值，第一对边带N=1，第二对N=2 = 2 n V n /(V n-1+V n+1)脉冲调制窄带测量脉冲调制窄带测量脉冲调制信号脉冲调制信号频谱分析仪基本测量频谱分析仪基本测量RBWPRF T=1主瓣宽度2主瓣宽度频谱分析仪基本测量频谱分析仪基本测量ab不同分辨率带宽区分等幅信号不同分辨率带宽区分等幅信号 f1 f2 频谱分析仪基本测

30、量频谱分析仪基本测量分辨带宽区分大、小信号分辨带宽区分大、小信号kakah f1 f2频谱分析仪基本测量频谱分析仪基本测量 用频率跟踪减小扫宽用频率跟踪减小扫宽频谱分析仪基本测量频谱分析仪基本测量频标比较信号频标比较信号MARKER D150MHz-25 dB5.4.4 相位噪声测量945.4.5 谐波测试955.4.5 噪声系数测试Si/Ni是输入信噪比So/No是输入信噪比Bd是器件噪声带宽Gd是器件增益96噪声系数表达式 NF=10lg No - 10lg Gd 10lg B +174dB 所以说:如果知道了输出噪声功率,器件增益和带宽,就可以获得器件的噪声系数. 下面的测试方法就是基于

31、上面的公式展开的 97最终应用的噪声系数测试公式 NF=N (GD+GP) 10lg B +174dB+1.7dB(校正因子)98基本上是分两步进行测试: 第一就是测得整个系统的增益 第二就是测得噪声功率99系统增益测试方框图1001011021045.4噪声系数测试105基本概念手动测量 两倍功率方法噪声系数测量 Y因子法噪声系数测量自动噪声系数测量影响噪声系数测试精度的一些因素补充内容: 级联电路的噪声系数计算106106基本概念 噪声特性是元件和系统的最重要参数之一,是元件和系统性能水平的重要体现. 为了更好的理解噪声的重要性,我们首先举一个较形象了例子:在海边用望远镜观察海上的船只.1

32、07107108109110111定义: 噪声即元件或系统内部产生的干扰,从 而导致电路的性能恶化. 最噪声的量化主要有两个参数,他们是相关的,一个是噪声因子,第二个是噪声系数.112噪声因子的定义是输入信噪比与输出信噪比的比值,即 F= (Si/Ni) / (So/No) 噪声系数是噪声因子的对数,即: NF=10lg F 噪声系数的单位是dB,实际应用中通常采用噪声系数.113另外,噪声温度也可以用于表述器件或系统的噪声性能,下面的公式表述了噪声系数与噪声温度的关系: NF=10lg (1+TN/290) TN即称为噪声温度,单位是K. 要熟悉 F, NF 和 TN之间的关系114手动测量

33、噪声系数的计算公式如下 NF=10lg (T2-T0)/T0 -10lg (N2/ N1-1) = ENR- 10lg (N2/ N1-1)式中: ENR= 10lg (T2-T0)/T0 是超噪比:其含义是噪声源超过标准噪声温度T0热噪声的倍数. ENR一般由噪声发生器技术说明书给出. N2: 当噪声源开启时的噪声功率 N1: 当噪声源关闭时的噪声功率1155.4.1两倍功率方法噪声系数测量主要思想: 根据噪声系数计算公式,如果N2=2N1,则方程变为NF= ENR.116两倍功率方法噪声系数测量方框图1175.4.2 Y因子法噪声系数测量 设Y= N2/ N1, 则有NF= = ENR-

34、10lg (Y-1) 从方程可以看出,不需要测出N2和N1的绝对值,而只需测出他们比值即Y,就可以确定NF,这就是这个方法名称的原因.118Y因子法噪声系数测量方框图119自动噪声系数测量自动噪声系数测量需要用噪声源和自动噪声测试仪完成120121122例:放大器测试123例:变频器测试124影响噪声系数测试精度的一些因素125126环境温度: 获得外部噪声的值,标准的温度(T0)被设定为290K,制造商所给出的超噪比与它相关,所以,温度的变化会导致噪声系数测量误差127128129噪声系数仪的不确定度 自动噪声系数测量当中所用的噪声系数仪组成部件比较多,所以它的不确定性的影响因素也比较多,平方率检波的改变,老化影响等. 电缆损耗 外部噪声源与DUT间被引入任何损耗都会影响DUT的噪声系数测试精度.130补充内容: 级联电路的噪声系数计算131132