第5章 频域测量..

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幅度(功率)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Ot)(1tvLLOw()wj1V离散频谱Ot)(1tvOw()wj1V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3f2f1f1f2f3ffV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ux同时测量Aff1f2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ux电调谐滤波器锯齿波发生器fAVtLfHf……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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RFLOIFXLOIFfffXfLOfLOfXLOIFfffXf中心频率固定为IFfLOfXfXLOIFfff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XfLfIf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XLOIFfff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XLIFnfmffRFLOIFXfLfXLmixNfMffXLIFfffXLIFfff有两个频率成分都可通过中频滤波器IFLXfffIFLXfff需要的不需要的镜像频率，记为imagf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XfXfIFfXfLfimagf频率变换测量误差IFff解决方法：提高中频频率，从而增加镜像频率fimag和频率分量fX的频率间距交叠fA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AXfLfimagfIFf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4GHz~6.9GHz3.9GHz第二本振第三本振3.56GHz340MHz329.3MHz10.7MHz主要性能指标输入频率范围频谱仪可以测量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）将最近邻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3dBLO混频器锯齿波检波器输入频谱3dB10kHz10kHzRBW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（SweepTime，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扫描时间与频率扫描宽度、分辨带宽、视频滤波带宽相关相位噪声VfLf理想本振信号频谱VfLf实际本振信号频谱kHzf10dBc90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（NoiseFloor）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1dB压缩1dB压缩点确定放大器的线性工作区1dB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5.3.1FFT分析仪原理5.3.2FFT分析仪的实现第5章频域测量5.3傅里叶分析仪5.3.1FFT分析仪原理5.3.2FFT分析仪的实现FFT分析仪原理及组成低通滤波取样电路ADCsfFFT数字信号处理器输入衰减器显示器衰减器：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FFTVtVf2Sf0NffSstep第n个节点对应的频率值为2,...,1,0,NnNfnfSnFFT计算结果的频率范围:2~0Sf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0Vf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ADCsfFFT数字信号处理器数字滤波数字正弦波Lf中频信号基带信号fLfHf（a）0fLfH-fLff（b）（c）00频谱搬移ADC输出的待测中频带限信号频谱数字正弦波频谱，fL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fstep=fS/N可知，为提高频谱分辨力，可降低采样速率fS、增加FFT分析点数N过低的fS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，Δf=fS/N频率范围：由采样频率fS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；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5.3.1FFT分析仪原理5.3.2FFT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；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）：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/HzAAPNACfTfoff1Hzf本振信号测量载波电平幅度AC测量频偏foff处的相位噪声幅度APN频谱仪测量相位噪声分两步：CoffPNoffAfAfA)()(A(foff)是距载波频偏foff处1Hz带宽内的单边带相位噪声，单位为dBc（1Hz）；AC是载波电平，单位为dBm；APN(foff)是距载波频偏foff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1.时频关系及傅立叶变换的四种形式2.滤波式频谱分析仪原理3.外差式频谱仪原理4.傅立叶分析仪原理5.基本概念分辨力带宽、相位噪声、单边带相位噪声