电子测量与仪器PPT教学课件-第7章 频域测量1

1、第七章 频域测量,7.1 频谱分析的基本概念 7.2 频谱分析仪 7.3 频谱分析仪的应用,频域测量的概述,频域测量是观测信号幅度或能量与频率的关系, 是对频率特性参数进行测量,例如,分析信号的频谱,测量电路的幅频特性,频带宽度等。时域测量和频域测量是从不同的方面反映信号特征。,图7-1 信号的三维特性,图7-2 时域与频域的关系,根据实际应用的需求，频域分析和测量的对象和目的也各不相同，通常有以下几种： （1） 频率特性测量：主要对网络的频率特性进行测量，包括幅频特性、相频特性、带宽及回路Q值等。（2） 选频测量： 利用选频电压表，通过调谐滤波的方法，选出并测量信号中某些频率分量的大小。（3） 频谱分析： 用频谱分析仪分析信号中所含的各个频率分量的幅值、功率、能量和相位关系，以及振荡信号源的相位噪声特性、空间电磁干扰等。,（4） 调制度分析测量： 对各种频带的射频信号进行解调，恢复调制信号，测量其调制度，如调幅波的调幅系数、调频波的频偏、调频指数以及它们的寄生调制参量。（5） 谐波失真度测量： 信号通过非线性器件都会产生新的频率分量，俗称非线性失真。这些新的频率分量包括谐波和互调。,

2、7.1 频谱分析的基本概念,频谱分析实际上就是在频域中分析信号的频率分量的情况，通过对信号进行傅立叶变化，将信号表示成一个基波分量和许多谐波分量之和的形式，确定信号的频谱。 频谱：广义上指组成信号的全部频率分量的总集。一般的频谱测量中常将随频率变化的幅度谱称为频谱。,频谱分析的公式,式中，A0/2为直流分量的大小，An为n次谐波分量的幅值，A1为基波分量的幅值，1为基波角频率， n为n次谐波分量的相位。,对于满足狄里赫利条件的周期信号，可将其展开为傅立叶级数，求出频谱图，即,频谱类型：离散谱（线状谱），连续谱。周期性信号的频谱是由一组离散的谱线组成的离散谱，其横坐标为谐波角频率n1。若每一谱线的高度反映谐波分量的幅值，则该频谱为幅值频谱；若每一谱线的高度反映谐波分量的初相角，则该频谱为相位频谱。,周期信号的频谱特性 离散性：频谱是离散的，由无穷多个冲激函数组成； 谐波性：谱线只在基波频率的整数倍上出现； 收敛性：谐波幅度随着谐波次数的增大而逐渐减小。 脉冲宽度与频带宽度 重复周期变化对频谱的影响 能量谱和功率谱,对于非周期信号，可以看成是周期为无限大的周期信号，由无限多的频率分量叠加而

3、成，其频谱为连续谱，用傅立叶变化表示为,频谱密度函数F (j)是的连续函数，即非周期信号的频谱是连续的。 f (t)为实函数时，F(j) = F*(-j) ;f (t)为虚函数时，有F(j) = -F*(-j) 。 无论f (t)为实函数或虚函数，幅度谱|F(j)|关于纵轴对称，相位谱e j()关于原点对称。,非周期信号的频谱,离散时域信号的频谱,序列付氏变换：以e j n作为完备正交函数集，对给定序列做正交展开。 离散时间序列的频谱是周期性的(周期为2)。 若离散序列是周期的，频谱一定是离散的，反之亦然； 若离散序列是非周期的，频谱一定是连续的，反之亦然,7.1频谱分析的基本概念,2、系统频率特性的测量 1）静态频率特性测量,图7-3 静态频率测量原理图与结果,2）动态频率特性测量,图7-4 动态频率特性测量原理图,2）动态频率特性测量,图7-5 动态频率特性测量结果,基本测量方法,1. 点频测量法点频法就是通过逐点测量一系列规定频率点上的网络增益（或衰减）来确定幅频特性曲线的方法，其原理如图所示。测量方法是：在被测网络整个工作频段内，改变信号发生器输入网络的信号频率，注意在改变输入

4、信号频率的同时，保持输入电压的幅度恒定（用电压表I来监视），在被测网络输出端用电压表II测出各频率点相应的输出电压，并做好测量数据的记录。然后在直角坐标中，以横轴表示频率的变化，以纵轴表示输出电压幅度的变化，,将每个频率点及对应的输出电压描点，再连成光滑曲线的幅频特性曲线，即可得到被测网络的幅频特性曲线。,图7-6 点频测量法的原理图,图7-7 为点频测量法的结果曲线,点频测量的特点,所得频率特性是静态的，无法反映信号的连续变化； 可能漏掉某些特性曲线的锐变部分以及失常点。,2. 扫频测量法 扫频测量法是是利用一个扫频信号发生器取代了点频法中的正弦信号发生器，用示波器取代了点频法中的电压表组成的。其基本工作原理如图6-3所示。图（7-8）中扫频信号发生器中的扫频振荡器是关键环节，它产生一个幅度恒定且频率随时间线性连续变化的信号作为被测网络的输入信号，通常称为扫频信号，如图7-8（b）中的波形。这个扫频信号经过被测电路后就不再是等幅的，而是幅度按照被测网络的幅频特性做相应变化，如图7-8（b）中的波形，这个包络线的形状就是被测电路的幅频特性。最后经过Y通道,放大，加到示波管Y偏转系统。扫

5、描电路产生线性良好的锯齿波电压，如图7-8（b）中的波形。这个锯齿波电压一方面加到扫频振荡器中对其振荡频率进行调制,使其输出信号的瞬时频率在一定的频率范围内由低到高作线性变化,但其幅度不变,这就是前述的扫频信号。另一方面，该锯齿波电压通过放大，加到示波管X偏转系统，配合Y偏转信号来显示图形。 示波管的水平扫描电压，同时又用于调制扫频信号发生器形成扫频信号。因此，示波管屏幕光点的水平移动，与扫频信号频率随时间的变化规律完全一致，所以水平轴也就变换成频率轴。也就是说，在屏幕上显示的波形就是是被测网络的幅频特性曲线。,图7-8 扫频测量法的结果曲线,扫频测量法具有以下优点： （1）可实现网络频率特性的自动或半自动测量，特别是在进行电路测试时，人们可以一面调节电路中的有关元件，一面观察荧光屏上频率特性曲线的变化，随时判明元件变化对幅频特性产生的影响，迅速调整，查找电路的故障。（2） 由于扫频信号的频率是连续变化的，因此，所得到的被测网络的频率特性曲线也是连续的，不会出现由于点频法中频率点离散而遗漏细节的问题，且能够观察到电路存在的各种冲激变化，如脉冲干扰等，更符合被测电路的应用实际。,（3）扫

6、频测量法测量简单、速度快，可实现频率特性测量的自动化，已成为一种广泛使用的方法。3. 多频测量法多频测量是利用多频信号作为激励信号的一种频域测量技术。所谓“多频信号”，是指由若干频率离散的正弦波组成的集合。多频测量将这个“多频信号”作为激励，同时加到被测系统的输入端，并检测被测网络输出信号在这些频率点的频谱，在与输入进行比较之后就可以得到被测网络的频率特性。,4. 广谱快速测量法当系统对非线性失真的要求较高时，可采用白噪声作为测量的激励信号。相频特性测量在测量线性系统的相频特性时，以被测电路输入端信号作为参考信号，输出端信号作为被测信号，用相位计测量输出端信号与输入端信号之间的相位差。调节正弦波发生器输出信号的频率，用描点的方法可得到相位差随频率的变化规律，即线性系统的相频特性， 如图8.3所示。,图7-9 线性系统的相频特性测量,7.2 频谱分析仪,一、信号的时域与频域分析,图7-9 频谱分析原理,图7-12 频谱分析,二、频谱仪的主要用途,1、正弦信号的频谱纯度 2、调制信号的频谱 3、非正弦信号的频谱 4、通信系统的发射机质量 5、激励源响应的测量 6、放大器性能测试 7、噪声频

7、谱分析 8、电磁干扰的测量,三、频谱分析仪的分类,常见的主要有：频率特性测试仪：主要用于电路频率特性的测量，如幅频特性、频带宽度、品质因数以及特性阻抗等频谱分析仪：主要应用于测量信号的个谐波分量、频率及频率响应、谐波失真及噪声分析等网络分析仪：主要用于测量电子网络的频率响应，包括对幅值响应、相位响应以及群时延的测量，在非线性，大功率网络的测试和分析中发挥着重要的作用。,四、频谱分析仪的工作原理,1、模拟式频谱仪,并行滤波频谱仪,顺序滤波频谱仪,并行滤波频谱仪,被测信号经过输入放大器后，同时加到并联的多个带通滤波器(BPF)上，这些带宽极窄的滤波器在同一时刻分别率出被测信号的不同频率分量，经检波器检波后，送到各指示器保持并显示。该类频谱分析仪能对信号进行实时分析，显示瞬变信号的实时频谱，测量速度快，动态范围宽，但各滤波器带宽固定，分辨力不能调节，且需要大量的硬件。,顺序滤波频谱仪,由电子扫描开关控制，轮流将各个滤波器的输出接到共用的检波器上，经放大后加到显示器垂直偏转板，和扫描发生器输出的水平偏转信号共同作用，按一定顺序对各个频率分量进行测量和显示。给类频谱分析仪共用检波及显示设备，对信

8、号的测量实际上是以非实时方式进行的，主要用于周期和准周期信号的分析。若要保证测量结果与实时测量结果相同，可在各路滤波器后放置一波形存储器。,可调滤波频谱仪,扫频滤波频谱仪,扫频滤波频谱仪,此类频谱分析仪是在顺序滤波式频谱分析仪的基础上，用一个中心频率可电控调谐的带通滤波器取代带通滤波器组来进行各频率分量的测量。带通滤波器的中心频率自动地在信号的整个频谱范围内扫描，依次提取出被测信号的个频率分量，经检波和放大后加到显示器的垂直偏转板上。这类频谱分析仪结构简单，但可调带通滤波器不易满足通带较窄的要求，且调谐范围窄，频率特性也不均匀。主要用于被测信号较强，频谱稀疏的情况,2、数字式频谱仪,数字滤波式频谱仪被检测信号经过低通滤波器滤波后，由采样保持电路和模数转换器实现从模拟量到数字量的转换，并送入数字滤波器进行滤波。数字滤波器输出的数字序列经有效值检波器检波后送显示器进行显示。在该类频谱分析仪中，数字滤波器的中心频率和采样保持器及模数转换器的工作状态由控制器控制。,快速傅立叶变换式频谱仪 快速傅立叶变换器频谱分析仪利用快速傅立叶变换（FFT）技术，根据被测信号的时域波形直接计算出信号的频谱或功

9、率谱。由于其频率上限受到模数转换器速度的限制，因此主要用于低频频谱分析。 输入信号经过低通滤波器滤去信号中高于1/2采样率的频率，消除潜在的混叠成分后，由采样电路和模数转换器实现信号从模拟量到数字序列的变化。存储器存储接收到的数字信息并由数字信号处理器完成FFT运算，最后将频谱显示出来。,五、扫频外差频谱仪,扫频外差频谱仪,外差式频谱分析仪采用外差技术来提取信号的频率分量，即将通带固定的中频放大器作为选频滤波器，将本地振荡器作为扫频器件，本地振荡器输出的振荡频率从低到高连续扫动，和输入被测信号中的各频率分量逐个混频，使信号各频率分量依次进入中频放大器从而被提取出来。该类频谱分析仪利用扫频技术，采用外差接收方法进行频率调谐，实现频谱分析。具有频率范围宽、灵敏度高、频率分辨立可变的优点。当不能进行是实时分析。,六、频谱分析仪的主要技术特性,1、选择性 频谱分辨率：指频谱分析仪能够分辨的最小谱线间隔，它表征了频谱分析仪能够区分两个频率相邻的信号能力。是放映频谱分析仪频率特性的主要性能指标。,分辨带宽：RBW（-3dB带宽）：窄带滤波器的-3dB带宽用于区别两个等幅信号的最小频率间隔的能力。实际上，频率分辨力是由频谱分析仪中窄带滤波器的带宽决定的，因此通常把窄带滤波器的3dB带宽认为是频谱分析仪的频率分辨力。,-60dB带宽BW60dB：窄带滤波器的-60dB带宽用于区别两个信号幅度不等的情况。,形状因子：为了描述滤波器频率选择特性的优劣，把滤波器在-60dB处的带宽与-3dB处的带宽之比称为滤波器通带特性的形状因子FF。,动态频率特性与自适应关系,影响分辨率的因素,扫频范围SPAN 扫描时间ST,本振的稳定度 本振的相位噪声,2、灵敏度,频谱分析仪的灵敏度定义为：在特定的分辨带宽下或归一化到1Hz带宽时的本振噪声，常以dBm为单位一般数量级为-100-150dBm。灵敏度主要取决于仪器内部的噪声电平。噪声电平的大小由系统带宽、玻尔兹曼常数以及绝对温度决定，通常小于-90dBm。一般情况下，频谱分析仪能够测量的最小信号电平通常应高于噪声电平10dB。,3、动态范围,混频器的内部失真 内部噪声电平 本振的噪声边带,扫描宽度、分析时间、扫频速度,扫频宽度、分析时间和扫频速度是反映频谱分析仪扫频特性的三个主要的性能指标。,

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