电子测量第七章频域测量(新)

·扫频仪(频率特性分析仪)的原理与应用·光点扫描式和光栅增辉式扫频仪线性系统频率特性·频谱仪(频谱分析仪)的用途、原理与分类·扫频外差式频谱仪的原理、特性和应用信号的频谱分析在微波（300MHz～300GHz）主要用网络分析仪，自学。但这种划分不是绝对的，实际上有些扫频仪可能工作到更高的频率，而有些网络分析仪可能工作到更低的工作频率。应当指出，这里讲的“网络”是指由器件、元件组成的电子网络。当年提出“网络分析仪”这一名字时，还没有计算机网络等现代网络的概念。第七章频域测量基础知识复习1.频率与波长：毫米波厘米波分米波米波f10~1mm10~1cm1m~10cm10~1mc30~300GHz3~30GHz0.3~3GHz30~300MHzfλ=2.集总参数和分布参数：高频（30~300MHz）以下波段，即波长大于1m的情况这时元器件为集总参数（元件尺寸波长）参数集中在R、L、C等元件中，认为与导线无关。微波（300MHz~300GHz），即波长小于1m的情况这时元器件为分布参数（元件尺寸≈波长）参数分布在腔体、窗口、微带线等微波器件中，与路径有关。概述•信号的频谱分析和线性系统的频率特性是频率测量的主要内容•目前，信号频谱分析的主要工具是扫频外差式频谱分析仪，通过它来完成信号本身的分析和线性系统的非线性失真系数测量•频率特性的基本测量方法取决于加到被测系统的测试信号。据此可分为静态点频测量、动态扫频测量和伪随机信号测量等7.1频谱分析仪的概述一.信号的时域与频域分析信号的时域和频域特性在数学上可表示为一对傅里叶变换关系：deFtftj)(21)(()()jtFftedt图7-1时域与频域观测之间的关系示波器和频谱仪是从不同角度观测同一个电信号，各有不同的特点。示波器从时域上容易区分电信号的相位关系，如图7-2a中是基波与二次谐波起始峰值对齐的合成波形（线性相加）；图7-2b是基波与二次谐波起始相位相同合成的波形，两者合成波形相差很大，在示波器上可以明显地看出来。而在频谱仪上仍是两个频率分量，看不出差异如图7-1。可见，示波器和频谱仪有各自的特点。图7-2不同相位合成的波形(a)(b)图7-1时域与频域观测之间的关系从另一个角度来看，即使频率分析只能给出幅度频谱，往往也能在一些方面达到时域分析达不到的效果。现代频谱仪可以在一屏显示相差80dB的信号。（Vx/V0=10000）。而有经验的测试人员也很难在示波器图形中发现正弦波内包含的小于1%的谐波成分。从灵敏度来看，示波器灵敏度一般在mV级。而频谱仪则可达到μV级。因此，示波器是最常用的仪器。而频谱仪能够提供更深刻，更严格的分析。频谱仪的主要用途现代频谱仪有着极宽的测量范围，观测信号频率可高达几十GHz，幅度跨度超过140dB。故使频谱仪有着相当广泛的应用场合，以至被称为射频万用表，成为一种基本的测量工具。目前，频谱仪的主要应用于如下一些方面：1.正弦信号的频谱纯度2.调制信号的频谱3.非正弦波（如脉冲信号、音频、视频信号）的频谱4.通信系统的发射机质量5.激励源响应的测量6.放大器的性能测试7.噪声频谱的分析8.电磁干扰的测量音频信号与频谱演示高效能沟通者（语音频谱分析）Themanwhocanthinkanddoesnotknowhowtoexpresswhathethinksisatthelevelofhimwhocannotthink.•高效能沟通者激发热情、信任•低效能沟通者=没有思想•心诚面善•高效能沟通者有更多的机会•多寻找团队合作的机会mp3播放器FFT频谱滤波器（均衡器）CD对人而言是很好的音乐，对狗而言却很怎么样。狗的听觉很发达，它们能听到的音频范围要远比人的宽得多，如人类只能听到16～20000赫兹的振动音，而狗却能听到高达一百万赫兹的振动音。据测试，狗的听觉是人的16倍。它可以区别出节拍器每分钟振动96次、100次、133次和144次之间的微小差别。这对人而言，是难以想像的。MP3是一种有损格式，它提供了多种不同“位速”的选项—也就是用来表示每秒音频所需的编码数据位数。典型的速度介于每秒128和320kb之间。与此对照的是，CD上未经压缩的音频位速是1411.2kbit/s（16位/采样点×44100采样点/秒×2通道)。高音C之王帕瓦罗蒂（资料）二、频谱仪的工作原理频谱仪从工作原理上可分为模拟式与数字式两大类。模拟式频谱仪是以模拟滤波器为基础的；数字式频谱仪是以数字滤波器或快速傅里叶变换为基础的。分类如下：模拟式（滤波式）实时----并行滤波法顺序滤波法非实时可调滤波法扫频外差法数字式（计算式）数字滤波法快速傅里叶变换（FFT）计算法（一）多滤波器并行分析又称为多通道滤波器分析。下图中并行的N个滤波器覆盖了整个频谱仪的工作范围。受到滤波器数目的限制，其工作频率范围不可能很宽。并行滤波器的优点是：由于它未对信号做复杂处理，因而分析速度快。同时，因滤波器和检波器均不共用，可以不考虑电路切换带来的建立时间和各路信号间的时间差，分析工作基本可以认为是实时的。滤波器带宽相同的称为恒定带宽分析仪，其频率轴刻度为均匀刻度。适合分析频率分布比较均匀的信号滤波器带宽按一定比例增长的称为恒百分比分析仪，其频率轴刻度为对数度，适合分析频率范围较宽的信号。与并行分析类似的几种频谱分析在同一时间只处理、显示一个支路的滤波、检波结果，电路简化，准实时。共用检波和处理显示电路，因滤波器需要一定建立时间，非实时。数字滤波器和检波器工作稳定可靠，性能和一致性较好，近似实时。数字式频谱仪①数字滤波法：是仿照模拟频谱仪，用数字滤波器代替模拟滤波器，如图所示。图中，数字滤波器的中心频率可由控制/时基电路使之顺序改变。所谓数字滤波，其主要功能是对数字信号进行过滤处理。由于输入/输出都是数字序列，所以数字滤波器突实际上是一个序列运算加工过程。与模拟滤波器相比它具有滤波特性好、可靠性高、体积小、重量轻、便于大规模生产等优点。但是，目前数字系统速度还不够高，故在使用上还有局限性。数字滤波式频谱仪方案②快速傅里叶（FFT）分析法：是一种软件计算法。现已有专门的FFT(快速傅里叶)计算器，将它与数据采集和显示电路相配合，则可组成频谱仪，如图所示。通常采用DSP（DigitalSignalProcessor）数字信号处理器来完成FFT的频谱分析功能。在速度上明显超过传统的模拟式扫描频谱仪，能够进行实时分析。应当指出，通常应用的大多是外差式模拟频谱仪。较好的现代频谱仪则采用模拟与数字混合的方案。纯数字式FFT频谱仪目前主要用于低频段，但随着数字技术的进步，数字式频谱仪有着很好的发展前景。快速傅里叶变换式频谱仪方案（二）扫频外差式频谱分析1.模拟式频谱仪思路：我们一起来设计频谱仪f0f0+Fff0+Ffff移动滤波器滤波器不动上面移动频谱方案一：并联滤波法方案二：移动滤波法方案三：扫频外差法逆向思维设计思想成功的典范：改变滤波器来找频谱是以百变对应万变，难度自然大，而扫频外差法是将频谱逐个移进不变的滤波器是以不变对应万变。（二）扫频外差式频谱分析仪基础知识：超外差接收机（收音机、电视机、通信、雷达等接收机）本地振荡器何谓？外差：早期电台同发fs、fL超外差：fL移入接收机本振：fL成了本地振荡器fs混频器中频放大器检波器放大器高频调谐电路fL决定选择性1.外差频谱仪工作原理现说明扫频外差频谱仪的工作原理。外差式频谱仪的原理可以简述为：扫频的本振与信号混频后，使信号的各频谱分量依次地移入窄带滤波器，检波放大后与扫描时基线同步显示出来。其要点是移频滤波。1.外差频谱仪工作原理被测信号中的N个频谱分量可以用一个频率连续扫动的扫频本地振荡器产生的fL进行混频。被测信号中的n个频谱分量在不同时刻使混频输出落入到中频滤波器的通带中：IxnLnfff通常令本地振荡幅度保持不变，则混频器输出与被测的第n个频谱分量fxn的幅度成正比，检波后可在Y方向上显示该频谱分量大小。2.扫频发生器的扫速和中频滤波器的动态特性随着扫描速度的提高，滤波器频率特性将向扫频方向偏移。图中为静态特性和依次提高扫速时的动态特性曲线。可以看出动态频率特性有以下特点：(1)顶部最大值下降；(2)特性曲线被展宽；(3)扫速愈高，偏移愈严重。其原因是由于通常与频率特性有关的电路，实际上是由动态元件L、C等元件组成的(如调谐电路)，信号在其上建立或消失都需要一定的时间，扫频速度太快时，信号在其上来不及建立或消失，故谐振曲线出现滞后且展宽，出现了“失敏”或“钝化”现象。dtdf扫速：tffs线性扫频：3.扫频法测得的谱线变为动态特性曲线假设被测信号为一个700kHz的单一频率信号，当扫频信号扫过759.97~760.03kHz时，混频信号经过中心频率为60kHz的滤波器输出的信号频谱就和滤波器传递函数相同。首先，明确一下在频谱仪显示屏上看到的频谱图是被测信号的谱线，还是中频窄带滤波器的幅频特性的图形？例：fL-fs=fI760–700=60kHz760.010-700=60.010kHz760.015-700=60.015kHz760.020-700=60.020kHz………。。。。。。60.015±15HzfI=60KHz是扫频的本振使信号频谱分量依次移入窄带滤波器的。实际上也是信号逐渐地扫过窄带滤波器的，这相当于用扫频信号测绘窄带滤波器的幅频特性。频谱仪屏幕上显示的是以信号谱线为中心的窄带滤波器的幅频特性曲线。4.用动态特性显示带来的问题及处理问题：由于外差式频谱仪显示的是一个个滤波器的动态特性就可能使得两个靠得很近的两个谱线互相叠加在一起。另外，动态特性曲线的峰值和中心频率也会随扫速改变。22ssdBKBB滤波器的动态带宽Bd不仅和滤波器结构有关，还和其静态特性和扫频速度有关。（7-7）动态特性带宽（Bd）与扫频速度(γ)及静态分辨力(Bs)的关系•1)静态特性带宽一定时，动态特性带宽随γ的减小而减小。适当减慢扫速可以减小Bd。•2）扫频速度γ固定时，一定有一个Bs使得Bd最小。•3)获得高的动态分辨力是使用频谱仪的重要问题。γ的选择以获得较高的动态分辨率为准则。同时还应考虑分析时间的影响。即一方面，γ越小，Bd就越接近Bq另一方面，γ越小，则意味着分析时间越长。应该取两者的折衷。现在的频谱分析仪大多能自动配置扫描时间（AUTO）,根据选取的扫频宽度和分辨力带宽自动地选择最快的可允许扫描时间三、频谱仪的主要技术指标和应用（一）频谱分析仪的主要技术指标1.有效频率范围是指在满足仪器性能指标的情况下，仪器能分辨的最高频率范围。目前可达几Hz到几十GHz。2.频率分辨力、边缘因子和波形因子频率分辨力：能够分辨的最小谱线间隔。叠加后的显示图形中心处比最高处凹了3dB。这时把两条频谱线的频率间隔或者一个频率特性曲线的6dB带宽称为分辨力带宽（RBW）边缘分辨力（ER）通常把两信号相差60dB，能分辨出小信号时，两信号之间的频率差称为动态显示边缘分辨力，简称边缘分辨力。波形因子滤波器频率特性的两个侧边越陡，分辨边缘处小信号的能力越强。定义该特性曲线中下降一定dB值时滤波器带宽与它的3dB带宽的比值为波形因子。8.分析时间或扫描时间•扫频宽度又称“分析谱宽”，是指频谱仪在一次测量分析过程中（即一个扫描正程）显示的频率范围。分为“全扫”和“窄扫”两种。•完成一次频谱所需的时间称为分析时间，实际上就是一次扫描正程时间，即扫描时间。•扫频宽度与分析时间之比就是扫频速度。典型产品简介下表给出了几种型号频谱仪的技术性能参数。几种型号频谱仪的技术性能38万元型号频率范围分辩力带宽灵敏度动态范围频率准确度幅度准确度HP8593E9kHz～26.5GHz30Hz～30MHz-117dBm103dB1.2kHz～10GHz±3dBAgilentE4440A3Hz～26.5GHz1Hz～2MHz-145dBm114Db1kHz～10GHz±3DbR3271A100Hz～26.5GHz10Hz～3MHz-123dB