第5章频域测量

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1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,电子测量原理,第,*,页,第,5,章 频域测量,5.1,频谱分析的基本概念,5.2,扫描式频谱仪,5.3,傅里叶分析仪,5.4,相位噪声测量,5.5,小结,第,5,章 频域测量,5.1,频谱分析的基本概念,5.2,扫描式频谱仪,5.3,傅里叶分析仪,5.4,相位噪声测量,5.5,小结,信号频谱：信号的全部频率分量组成的幅度谱,时间,幅度,(,功率,),频率,时域测量,频域测量,频谱的两种基本类型：,连续频谱、离散频谱,O,t,),(,1,t,v,L,L,O,w,(,),w,j,1,V,离散频谱,O,t,),(,

2、1,t,v,O,w,(,),w,j,1,V,频域,时域,连续频谱,时频关系,时域,信号,频域,频谱,变换方式,连续周期,离散非周期,傅立叶级数,连续非周期,连续非周期,傅立叶变换,离散非周期,连续周期,序列的傅立叶变换,离散周期,离散周期,离散傅立叶级数,结论：周期 离散,非周期 连续,频谱仪,模拟式,（扫描式）,数字式,（非扫描式）,滤波式,外差式,FFT,计算法,数字滤波法,第,5,章 频域测量,5.1,频谱分析的基本概念,5.2,扫描式频谱仪,5.3,傅里叶分析仪,5.4,相位噪声测量,5.5,小结,第,5,章 频域测量,5.2,扫描式频谱仪,5.2.1,滤波式频谱分析技术,5.2.2,

3、外差式频谱仪,第,5,章 频域测量,5.2,扫描式频谱仪,5.2.1,滤波式频谱分析技术,5.2.2,外差式频谱仪,滤波式频谱分析的基本原理,带通滤波器,检波器,显示器,滤波式频谱仪有以下几种：,档级滤波式频谱仪,并行滤波式频谱仪,扫频滤波式频谱仪,数字滤波式频谱仪,中心频率多个或可变,档级滤波式频谱仪,x,前置,放大器,窄带滤波器,窄带滤波器,窄带滤波器,窄带滤波器,门,门,门,门,脉冲分配器,脉冲,发生器,阶梯波,发生器,X,放大,Y,放大,u,检波,并行滤波，串行检波,测量的实时性差,体积大、分辨力不高,适用于低频段的音频测试,滤波器组：中心频率固定、相邻，通带互相衔接,并行滤波式频谱仪

4、,Y,放大,前置,放大器,窄带滤波器,窄带滤波器,窄带滤波器,窄带滤波器,检波器,检波器,检波器,检波器,电,子,扫,描,开,关,扫描,发生器,X,放大,u,x,同时测量,A,f,f,1,f,2,并行滤波，并行检波,速度快，,测量的实时性强,体积大,扫频滤波式频谱仪,视频,检波器,X,放大,Y,放大,u,x,电调谐,滤波器,锯齿波,发生器,中心频率可调的窄带滤波器,测量的实时性差,结构简单、价格低廉,损耗大，调谐范围窄，分辨力差,数字滤波式频谱仪,u,x,A/D,数据缓存,数字滤波器,数字检波平均,显示,时基地址控制,等效多个模拟滤波器,中心频率由时基电路控制改变,频率分辨力高,处理精度高,第

5、,5,章 频域测量,5.2,扫描式频谱仪,5.2.1,滤波式频谱分析技术,5.2.2,外差式频谱仪,基本原理,：,与超外差式收音机相同,RF,LO,IF,中心频率固定为,混频器,衰减,放大,低通,滤波,混频器,中频,滤波,检波,视频,滤波,本振,斜波,发生,X,放,大,Y,放大,被测信号,经衰减、放大、低通滤波，加到混频器,扫描锯齿波驱动本振，产生,本振扫频信号,两信号混频，产生丰富的频率分量,中频滤波器将分量 滤出，即,中频信号,中频信号经检波、视频滤波、放大，加到垂直偏转板,扫描锯齿波加到水平偏转板，形成频率轴,组成和工作过程,频率变换原理,RF,LO,IF,有,两个频率成分,都可通过中频

6、滤波器,需要的,不需要的,镜像频率，记为,当测量,频率成分,的幅值时，,频率成分,的幅值会迭加在其上，引起测量误差,频率变换,测量误差,解决方法,：提高中频频率，从而增加镜像频率,f,imag,和频率分量,f,X,的频率间距,交叠,高中频频率变换,频率变换,输入频率,范围,本振频率,范围,镜像频率,范围,低通滤波,A,多级混频,-,将高中频信号降低到固定低中频,低通滤波,带通滤波,带通滤波,射频输入,100KHz,3GHz,第一本振,4GHz6.9GHz,3.9GHz,第二本振,第三本振,3.56GHz,340MHz,329.3MHz,10.7MHz,主要性能指标,输入频率范围,频谱仪可以测量

7、的最大频率区间,主要由扫描本振的频率范围决定,频率扫描宽度（,Span,）,一次测量（一次频率扫描）所显示的频率范围,小于或等于输入频率范围,可手动设置或自动调节,频率分辨力（,Resolution,）,将最靠近的两个频率分量区分开的能力,由中频滤波器的,分辨带宽,（,RBW,）决定,显示,分辨带宽,3 dB,LO,混频器,锯齿波,检波器,输入频谱,3 dB,10 kHz,10 kHz RBW,频率精度,频率轴读数的精度,与本振频率稳定度、扫描宽度、分辨带宽等因素有关,扫描时间（,Sweep Time,，,ST,）,完成一次扫描测量所需的时间，也叫分析时间,扫描时间和测量精度应综合考虑,扫描时

8、间与频率扫描宽度、分辨带宽、视频滤波带宽相关,相位噪声,理想本振信号频谱,实际本振信号频谱,本振信号频率短期稳定度指标,偏离本振频率某一个频偏处，相对于本振幅度下降的,dBc,数,相噪由本振信号频率或相位不稳定引起,本振越稳定，分辨带宽越窄，相噪越小,绝对幅度,（,dBm,）,相对幅度,（,dB,）,相对频率,绝对频率,幅度测量精度,动态范围,动态范围,可同时测量的最大与最小信号的幅值之比,本底噪声（,Noise Floor,）,来自频谱仪内部的热噪声,导致信噪比下降，频谱图中为接近显示底部的噪声基线,灵敏度,/,噪声电平,可测最小信号电平的能力,信号电平,1dB,压缩点,1 dB,压缩,1d

9、B,压缩点确定放大器的线性工作区,1 dB,压缩点,输入,输出,最大输入电平,正常工作时输入电平的最大限度,由衰减器、第一级混频器决定,第,5,章 频域测量,5.1,频谱分析的基本概念,5.2,扫描式频谱仪,5.3,傅里叶分析仪,5.4,相位噪声测量,5.5,小结,第,5,章 频域测量,5.3,傅里叶分析仪,5.3.1 FFT,分析仪原理,5.3.2 FFT,分析仪的实现,第,5,章 频域测量,5.3,傅里叶分析仪,5.3.1 FFT,分析仪原理,5.3.2 FFT,分析仪的实现,FFT,分析仪原理及组成,低通滤波,取样电路,ADC,s,f,FFT,数字信号,处理器,输入,衰减器,显示器,衰减

10、器：,调理输入幅度到允许的范围内,低通滤波：,滤除允许频率范围之外的高频成分,取样和,ADC,电路：,模拟信号转变为数字信号,微处理器：,用,FFT,算法计算频谱,FFT,分析仪的特点,基本特性,FFT,第,n,个节点对应的频率值为,FFT,计算结果的频率范围,:,结论：,FFT,是基带变换，适合处理基带信号,FFT,分析之前的数字频带搬移,窄带带通信号,不适于直接用,FFT,计算频谱,模拟滤波,取样电路,ADC,s,f,FFT,数字信号,处理器,数字滤波,数字正弦波,中频信号,基带信号,f,L,f,H,f,（,a,）,0,f,L,f,H,-f,L,f,f,（,b,）,（,c,）,0,0,频谱

11、搬移,ADC,输出的待测中频带限信号频谱,数字正弦波频谱，,f,L,选中频带限信号截止频率,数字滤波器输出频谱,这个过程也叫,数字下变频,降数据率抽取与抗混叠滤波,由,f,step,=,f,S,/N,可知，为,提高频谱分辨力,，可,降低采样速率,f,S,、,增加,FFT,分析点数,N,过低的,f,S,会引起频谱混叠、减小分析带宽，导致信噪比下降；,FFT,的分析点数不能无限增大,解决方案：,（,1,）抽取数字信号以降低数据率,（,2,）对抽取后数据数字滤波,频谱泄漏及其处理,FFT,采用,有限长,的时间记录进行付氏变换，在总体上不断重复，以代表对,实际无限长,序列的积分,有限长处理，必然要,截

12、断,频谱泄漏,解决办法,：,加窗,处理，减小频谱泄漏,窗函数：,汉宁窗、凯塞窗、矩形窗,FFT,分析仪的性能指标,频率特性,频率分辨力：,取决于,采样频率,和,采样点数,，,f,=,f,S,/,N,频率范围,：由采样频率,f,S,决定,幅度特性,动态范围：,取决于,ADC,位数、运算字长或精度,灵敏度：,取决于,本底噪声,，主要由,前置放大器噪声,决定,幅度读数精度：,幅度误差来源包括,计算处理误差,、,频谱混叠误差,、,频谱泄漏误差,等多种,系统误差,，以及每次单个记录分析所含的,统计误差,分析速度,取决于,N,点,FFT,的运算时间、平均处理时间及结果处理时间。,其他特性,可选的窗函数种类

13、；数据触发方式；显示方式等,第,5,章 频域测量,5.3,傅里叶分析仪,5.3.1 FFT,分析仪原理,5.3.2 FFT,分析仪的实现,1.,硬件实现,可选方案：,ASIC,、,FPGA,、,DSP,选择准则：,可编程性、集成度、开发周期、性能、功耗,可编程性,集成度,开发周期,性能,功耗,ASIC,低,较低,短,最佳,中,FPGA,较高,高,最长,两者相当,低,DSP,最高,高,较长,高,选用哪种方案实现频谱分析？,ASIC,：提供有限的可编程性和集成水平，通常可为某项固定功能提供最佳解决方案；,FPGA,：可为高度并行或涉及线性处理的高速信号处理提供最佳解决方案，如数字滤波器等的设计；,

14、DSP,：可为复杂决策分析等功能提供最佳可编程解决方案，如,FFT,这样具有顺序特性的信号处理。,结论：,鉴于频谱分析通常需要较高的可编程性，因此使用,DSP,实现,FFT,，而使用,FPGA,实现数字滤波、抽取等其他数字信号处理,2.,软件实现,汇编语言，如,DSP,汇编语言,高级语言，如,CVI,提供,FFT,函数,第,5,章 频域测量,5.1,频谱分析的基本概念,5.2,扫描式频谱仪,5.3,傅里叶分析仪,5.4,相位噪声测量,5.5,小结,相位噪声,表征信号短期稳定度，反映频谱纯度,时域中表现为波形过零点抖动，不易辨别,频域中表现为载波的边带，较易测量,单边带相位噪,（,SSB,）：,

15、源信号频谱中，在载波频率的某,一固定频偏处的,1Hz,带宽内的电平幅度,，与,载波电平,幅度之差，单位为,dBc,（,1Hz,）或,dBc/Hz,A,A,PN,A,C,f,T,f,off,1Hz,f,本振信号,测量载波电平幅度,A,C,测量频偏,f,off,处的相位噪声幅度,A,PN,频谱仪测量相位噪声分两步：,A,(,f,off,),是距载波频偏,f,off,处,1Hz,带宽内的单边带相位噪声，单位为,dBc,（,1Hz,）；,A,C,是载波电平，单位为,dBm,；,A,PN,(,f,off,),是距载波频偏,f,off,处,1Hz,带宽内的噪声电平，单位为,dBm,第,5,章 频域测量,5.1,频谱分析的基本概念,5.2,扫描式频谱仪,5.3,傅里叶分析仪,5.4,相位噪声测量,5.5,小结,本章小结,时频关系及傅立叶变换的四种形式,滤波式频谱分析仪原理,外差式频谱仪原理,傅立叶分析仪原理,基本概念,分辨力带宽、相位噪声、单边带相位噪声,