第6章信号分析和频域测量.

现代电子测量第1页第九章信号分析和频域测量9.1频谱分析的基本概念9.2扫描式频谱仪9.3付里叶分析仪9.4频谱仪在频域测试中的应用9.5谐波失真度测量9.6调制度测量现代电子测量第2页9.1频谱分析的基本概念9.1.1频谱1.基本概念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。频谱测量的基础是付里叶变换。频谱类型：离散谱（线状谱），连续谱。2.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能量谱和功率谱现代电子测量第3页3非周期信号的频谱频谱密度函数F(jω)是ω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(jω)=F*(-jω);f(t)为虚函数时，有F(jω)=-F*(-jω)。无论f(t)为实函数或虚函数，幅度谱|F(jω)|关于纵轴对称，相位谱ej(ω)关于原点对称。4离散时域信号的频谱序列付氏变换：以ej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2π)。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。nnjjenfeF][)(deeFnfnjj)(21][现代电子测量第4页5快速付氏变换FFT：实现离散付氏变换、进行时-频域分析的一种极迅捷有效的算法。FFT算法经过仔细选择和重新排列中间计算结果，完成计算的速度比离散付氏变换有明显提高，在数字式频谱仪等仪器中得到广泛应用。最常见的FFT算法：基2的时间抽取法，即蝶形算法。若频谱分析的记录长度为N（N常取2的幂次），进行离散付氏变换所需的计算次数约为N2，蝶形算法需要的次数为Nlog2N。时域周期非周期连续离散频域周期非周期连续离散付氏变换现代电子测量第5页9.1.2信号的频谱分析技术频谱分析的内容：信号本身的频率特性分析，如对幅度谱、相位谱、能量谱、功率谱等进行测量；对线性系统非线性失真的测量，如测量噪声、失真度、调制度等。频谱分析仪的基本原理:FFT分析法：适于瞬态信号的频谱测量。非实时分析法:在任意瞬间只有一个频率成分能被测量，无法得到相位信息。适用于连续信号和周期信号的频谱测量。扫频式、差频式现代电子测量第6页频谱分析仪分类分析处理方法：模拟式、数字式、模数混合式基本工作原理：扫描式、非扫描式处理的实时性：实时、非实时频率轴刻度：恒带宽（线性刻度）恒百分比带宽（对数刻度）输入通道数目：单通道、多通道工作频带：低频、高频、射频、微波等现代电子测量第7页模拟式频谱仪：以扫描式为基础，采用滤波器或混频器将被分析信号中各频率分量逐一分离。所有早期的频谱仪几乎都属于模拟滤波式或超外差结构，并沿用至今。数字式频谱仪：非扫描式，以数字滤波器或FFT为基础。精度高、性能灵活，但受数字系统工作频率限制。单纯数字式谱仪一般用于低频段实时分析，尚达不到宽频带高精度。现代电子测量第8页9.2扫描式频谱仪9.2.1滤波式频谱分析技术1.基本原理用带通滤波器选出待分析信号用检波器将该频率分量变为直流信号显示器将直流信号的幅度显示出来带通滤波器的中心频率是多个或可变的并行滤波式扫频调谐滤波式扫频外差滤波式数字滤波式现代电子测量第9页并行滤波式频谱仪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ux检波也可以是多个检波器后再接电子扫描开关现代电子测量第10页扫频调谐滤波式频谱仪中心频率可调谐的窄带滤波器;结构简单，电调谐滤波器损耗大、调谐范围窄、频率特性不均匀、分辨率差，适用于窄带频谱分析.视频检波器X放大Y放大ux电调谐滤波器锯齿波发生器现代电子测量第11页扫频外差式频谱仪X放大Y放大检波扫描信号发生器fxLOfLIF滤波窄带滤波器中心频率固定将要分析的频率分量搬到固定的滤波器处进行滤波现代电子测量第12页数字滤波式频谱仪数字滤波器可以实现与并行滤波式等效的实时分析。滤波器的中心频率由时基电路控制。数字滤波式频谱仪在现代频谱分析仪中占有重要地位。频率分辨力高，具有高稳定性、可重复性和可编程性等优点。uxA/D数据缓存数字滤波器数字检波平均显示时基地址控制现代电子测量第13页2.带通滤波器的性能指标带宽3dB带宽(半功率带宽)分辨率带宽（RBW）反映滤波器区分两个相同幅度、不同频率的信号的能力实际滤波器理想滤波器3dB点3dB带宽A20fA20f10.707f0f2f1RBWRBWRBW现代电子测量第14页波形因子dBff1f23dB60dB0－20－40－60B3dBB40dBB60dB3dBf0dBf反映区分两个不等幅信号的能力，也称带宽选择性波形因子定义：dBdBBBSF3603/60/也可用40dB带宽与3dB带宽之比表示。波形因子较小的滤波器的特性曲线更接近于矩形，故波形因子也称矩形系数现代电子测量第15页•等绝对带宽或等信息量带宽：线性频率刻度下对称0dB对数频率-10dB-20dB-30dB-40dB-50dB0.2f00.5f0f02f05f0倍频程选择性1倍频程1倍频程恒带宽与恒百分比带宽•恒百分比带宽:绝对带宽B与中心频率f0的比值（即相对带宽）是常数。对数刻度下频率特性对称。常用“倍频程选择性”表示远离中心频率一倍频率处（0.5f0和2f0）的滤波器衰减量。滤波器响应时间（建立时间）信号从加到滤波器到获得稳定输出（达到稳幅幅度的90％）所需的时间TR。它与绝对带宽B成反比：TR∝1/B。响应时间短，测量速度快；窄带滤波器建立时间长，但频率分辨率高、信噪比好。响应时间限制扫描分析速度，影响实时性。现代电子测量第16页9.2.2外差式频谱仪基本思想——超外差式收音机无线电接收机中普遍使用的自动调谐方式改变扫频本振频率来捕获待测信号不同频率分量fifxfxfL=fI+fxfxfIfi现代电子测量第17页实施频谱分析的传统途径，在高频段占据优势。频率范围宽、灵敏度高、频率分辨率可变，目前频谱仪中数量最大的一种。由于被分析的频谱依次被顺序采样，不能进行实时分析。只能提供幅度谱，不能提供相位谱。1外差式频谱仪的组成视频滤波X放大Y放大fx检波扫描信号发生器LOfLIF滤波中频信号处理输入电路现代电子测量第18页2输入通道相当于宽频段、窄带宽的外差式自动选频接收机。前端。输入衰减：避免电平过高引起失真，阻抗匹配。低噪声放大：从电平上保证获得较佳混频效果。低通滤波：滤除分析范围以外的频率分量。混频：频率变换现代电子测量第19页镜像频率交叠问题如果输入频率的范围大于2fI，将与镜频在本振处交叠。通常的频谱仪输入频率非常宽，一般的抑制镜频滤波器难以实现调谐。解决办法是选择高中频，本振频率相应提高。AffIfXfLfimagΔf=fI输入滤波镜像频率频率变换|fL±fX|=fI现代电子测量第20页抑制镜频的高中频解决方案ffI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fI=fL-fXfI=fimag-fL镜频范围远在输入频率范围之上，两者不会交叠；中频频率越高，镜频距本振越远，可避免因交叠而带来的滤波器实现问题。用固定调谐的低通滤波器滤去镜频。现代电子测量第21页多级混频高中频很难实现窄带带通滤波和性能良好的检波，需要进行多级变频（混频）处理。第一混频实现高中频频率变换，再由第二、三级甚至第四级混频将固定的中频逐渐降低。每级混频之后有相应的带通滤波器抑制高次谐波交调分量。低通滤波带通滤波带通滤波射频输入100KHz~3GHz第一本振4GHz~6.9GHz3.9GHz第二本振第三本振3.56GHz340MHz329.3MHz10.7MHz固定中频？现代电子测量第22页3中频信号预处理完成固定中频信号的自动增益放大、分辨率滤波等处理。中频滤波器的带宽通常可程控，以提供不同的频率分辨率。中频信号幅度调节：自动增益电路。末级混频的增益必须能够以小步进精密调节，以保持后续电路中的最大信号电平固定而不受前端的影响。中频滤波器：减小噪声带宽、分辨各频率分量。频谱仪的分辨率带宽由最后一个中频滤波器的带宽决定。数字滤波器选择性较好、没有漂移，能够实现极稳定的窄分辨率带宽。4检波器中频信号：调幅波包络检波器：产生与中频信号的电平成正比的直流电平。由一个二极管和一个并联RC电路串接而成。合适的时间常数选择，频率扫描速度太快检波器会来不及响应。现代电子测量第23页5视频滤波器用于对显示结果进行平滑或平均，以减小噪声影响。基本原理：实质是低通滤波器，当视频滤波器截止频率小于分辨率带宽时，视频系统跟不上中频信号包络的快速变化，而使信号的起伏被“平滑”掉。应用：噪声测量。特别是RBW较大时，减小VBW将削弱噪声峰峰值的变化，当VBW/RBW0.01时，效果明显。6踪迹处理频谱仪进行一次扫描所得的频谱图的迹线即“踪迹”（Trace）、“扫迹”、“轨迹”、“轨迹线”。标记（Marker）：最大/最小值、相对幅度或频率，有助于改善相对测量精度、减小读数误差。踪迹平均处理：对同一输入信号多次扫描所得的踪迹进行的平均。线性加权踪迹平均、指数加权踪迹平均现代电子测量第24页7参数之间的相互关系参数“联动”（Coupling）设置。（1）扫描时间、扫描宽度、频率分辨率、视频带宽扫描时间受限于中频滤波器和视频滤波器的响应时间。若不满足所需的最短扫描时间，滤波器未达到稳态，会导致信号的幅度损耗和频率偏移。分辨率带宽RBW、视频带宽VBW、扫描时间ST及扫描宽度Span应当联动设置。VBWRBW：ST不受VBW影响，与RBW2成反比：VBWRBW：ST与VBW成线性反比。)(2VBWRBWRBWSpanKSTVBW设置原则：在不增加ST的前提下尽可能实现滤波平均。参数联动设置的经验公式：正弦测量——RBW/VBW=0.3~1；脉冲测量——RBW/VBW=0.1；噪声测量——RBW/VBW=9现代电子测量第25页频谱仪的幅度测量上限由允许输入的最大电平决定，下限取决于仪器固有噪声或本底噪声。因为放大、检波及A/D转换器件的动态范围都很小，不可能在同一次测量的设置下同时达到这两个限制。用户会根据不同需要选择最大显示电平（参考电平），输入衰减、中频增益是两个决定性因素。输入信号过大可能导致第一混频受损，因此高电平输入必须衰减，衰减量取决于第一混频及其后续部分的动态范围。混频器电平过高，失真产生的频率分量将会干扰正常显示；衰减量过大则会导致信噪比降低，减小动态范围。因此，输入衰减及中频增益的选择需折中考虑。实际应用中，即使参考电平非常低，通常也会将输入衰减设置为最小值（如9dB），以获得较好的匹配，提高幅度测量精度。（2）输入衰减、中频增益、参考电平现代电子测量第26页9.2.3外差式频谱仪的主要性能指标输入频率范围频率扫描宽度频率分辨率频率精度扫描时间相位噪声/频谱纯度幅度测量精度动态范围灵敏度/噪声电平本振直通/直流响应本底噪声1dB压缩点和最大输入电平频率指标幅度指标现代电子测量第27页输入频率范围正常工作的最大频率区间，由本振频率范围决定。通常可从低频段至射频段、甚至微波段，如1KHz~4GHz。频率扫描宽度（Span）分析谱宽、扫宽、频率量程、频谱跨度。表示一次测量（或频率扫描）所显示的频率范围，可以小于或等于输入频率范围。自动调节或人为设置。频率分辨率（Resolution）表征将最靠近的两个相邻频谱分量分辨出来的能力。主要由中频滤波器的带宽（RBW）决定，但最小分辨率还受本振频率稳定度的影响。中频滤波器的3dB带宽决定了可区分的两个等幅信号的最小频率间隔。如果区分不等幅信号，分辨率就与滤波器的形状因子有关。现代谱仪通常具有可变的RBW，按照1-3-9或1-2-5的典