近代电子测量技术-频谱仪

频域测量——频谱分析仪频谱分析仪是使用不同方法在频域内对信号的电压、功率、频率等参数进行测量并显示的仪器。幅度(功率)时域测量频域测量频率与时域的关系以频谱形式显示出所测信号分解的每个正弦波的幅度随频率变化的情况就是频域测量。频谱分析的基本概念广义上，信号频谱是指组成信号的全部频率分量的总集；狭义上，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：在频域内测量信号的各频率分量，以获得信号的多种参数。频谱测量的基础是付里叶变换。频谱的两种基本类型离散频谱（线状谱），各条谱线分别代表某个频率分量的幅度，每两条谱线之间的间隔相等连续频谱，可视为谱线间隔无穷小，如非周期信号和各种随机噪声的频谱.调制失真噪声频谱分析的类型频谱分析仪的分类按分析处理方法：模拟式频谱仪、数字式频谱仪、模拟/数字混合式频谱仪；按基本工作原理：扫描式频谱仪、非扫描式频谱仪；按处理的实时性：实时频谱仪、非实时频谱仪；按频率轴刻度：恒带宽分析式频谱仪、恒百分比带宽分析式频谱仪；按输入通道数目：单通道、多通道频谱仪；按工作频带：高频、射频、低频等频谱仪。频段分配频谱分析仪是使用不同方法在频域内对信号的电压、功率、频率等参数进行测量并显示的仪器。一般有实时分析法、非实时分析法两种实现方法。实时分析法实时分析法又包括：并行滤波式（模拟）FFT分析法（数字）频谱仪的实时与非实时分析并行滤波式每个滤波器之后都有各自的检波器，无需电子开关切换及检波建立时间，因此速度快，能够满足实时分析的需要。但是可显示的频谱分量数目取决于滤波器的数目，所以需要大量的滤波器。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带通滤波器的性能指标（一）带宽通常是指3dB带宽，或称半功率带宽分辨率带宽（RBW）反映了滤波器区分两个相同幅度、不同频率的信号的能力实实实实实实实实实实3dB实3dB实实A20f3dBRBW带通滤波器的性能指标（二）波形因子波型因子反映了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为滤波器60dB带宽与3dB带宽之比。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带通滤波器的性能指标（三）滤波器响应时间（建立时间）信号从加到滤波器输入端到获得稳定输出所需的时间。通常用达到稳幅幅度的90％所需的时间TR来表述，它与绝对带宽B成反比：TR∝1/B。宽带滤波器的响应时间短，测量速度快；窄带滤波器建立时间较长，但频率分辨率更高、信噪比好。响应时间限制了频谱仪的扫描分析速度，影响实时频谱分析的实现。并行滤波器组处理（基于模拟滤波器或FFT－数字滤波）在特定时段中对时域数字信号进行FFT变换，得到频域信息并获取相对于频率的幅度、相位信息。可充分利用数字技术和计算机技术，非常适于非周期信号和持续时间很短的瞬态信号的频谱测量。但其分析速率带宽受ADC采样速率限制，适合分析窄带信号。FFT分析法实时(FFT)分析仪方框图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。扫频式分析：使分析滤波器的频率响应在频率轴上扫描。差频式分析（外差式分析）：利用超外差接收机的原理，将频率可变的扫频信号与被分析信号进行差频，再对所得的固定频率信号进行测量分析，由此依次获得被测信号不同频率成分的幅度信息。这是频谱仪最常采用的方法。扫频外差方式频谱仪的实时与非实时分析（二）现代频谱仪将外差式扫描频谱分析技术与FFT数字信号处理技术相结合，兼有两种技术的优点：前端仍采用传统的外差式结构，而在中频处理部分采用数字结构，中频信号由ADC量化，FFT则由通用微处理器或专用数字逻辑实现。这种方案充分利用了外差式频谱仪的频率范围和FFT优秀的频率分辨率，使得在很高的频率上进行极窄带宽的频谱分析成为可能，整机性能大大提高。滤波器扫描测试外差式频谱仪外差式频谱仪的组成输入通道中频信号预处理检波器视频滤波器踪迹处理主要技术参数参数之间的相互关系外差式频谱仪的频率变换原理与超外差式收音机相同：利用无线电接收机中普遍使用的自动调谐方式，通过改变扫频本振的频率来捕获待测信号的不同频率分量。也称扫频外差式频谱仪。扫频外差式方案是实施频谱分析的传统途径，在高频段占据优势地位。外差式频谱分析仪频率范围宽、灵敏度高、频率分辨率可变，是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，因而不能进行实时分析。这种分析仪只能提供幅度谱，不能提供相位谱。外差式频谱仪的组成包括输入通道、混频电路、中频处理电路、检波和视频滤波等部分。输入通道（一）输入通道也称前端，主要由输入衰减、低噪声放大、低通滤波及混频等几部分组成，功能上相当于一台宽频段、窄带宽的外差式自动选频接收机。用于控制加到仪器后续部分的信号电平，并对输入信号取差频以获得固定的中频。输入衰减：一方面避免因信号电平过高而引起的失真，同时起到阻抗匹配的功能，尽可能降低源负载与混频器之间的失配误差低噪声放大：对输入电平进行调整，保证混频器输入电平满足一定的幅度要求，获得较佳混频效果输入通道（二）频率变换原理输入通道（二）外差式频率变换原理AffIfXfLfimagΔf=fI输入滤波镜像频率频率变换|fL±fX|=fI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，本振频率也相应提高输入通道（三）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。因此用固定调谐的低通滤波器在混频之前滤去镜频即可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。利用更多级的变频实现频率扩展（2～4级）利用谐波混频进一步扩展频率中频信号预处理（一）中频信号预处理主要是在被检测之前完成对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：由自动增益电路完成。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：用于减小噪声带宽、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。中频信号预处理（二）AgilentESA-E系列频谱分析仪原理图AgilentPSA系列频谱分析仪原理框图AgilentPSA系列频谱分析仪全数字中频部分原理框图检波器（一）在模拟式频谱仪中，采用检波器来产生与中频交流信号的电平成正比的直流电平，以获取待测信号的幅度信息。常用包络检波器。最简单的包络检波器由一个二极管和一个并联RC电路串接而成。只要恰当地选择检波器的R、C值，就可获得合适的时间常数以确保检波器跟随中频信号的包络变化而变化。频率扫描速度的快慢也会对检波输出产生影响，扫速太快会使检波器来不及响应。检波器（二）频谱分析仪有时域功能可用，此时扫频宽度设置成零扫频带宽（ZeroSpan）。视频滤波器（一）视频滤波器用于对显示结果进行平滑或平均，以减小噪声对信号幅度的影响。基本原理：视频滤波器实质是低通滤波器，它决定了驱动显示器垂直方向的视频电路带宽。当视频滤波器的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，因此使信号的起伏被“平滑”掉。应用：主要应用于噪声测量，特别是在分辨率带宽（RBW）较大时。减小视频滤波器的带宽（VBW）将削弱或平滑噪声峰-峰值的变化，当VBW/RBW0.01时，平滑效果非常明显。视频滤波器（二）视频滤波视频带宽使噪声变得平滑，从而可以更简便地识别非常小的信号踪迹处理（一）频谱仪进行一次扫描所得的频谱图的迹线即“踪迹”（Trace），也有“扫迹”、“轨迹”、“轨迹线”等不同译法。标记（Marker）：踪迹上特定的幅度点或频率点借助标记功能可以非常方便、直观地实现多种功能，如找最大/最小值、测量相对幅度或频率等，并有助于改善相对测量精度、减小读数误差。踪迹平均处理：为了平滑图像、降低噪声，对同一输入信号多次扫描所得的踪迹进行的处理。踪迹平均的基本算法是将来自多个踪迹的相同频点上的数据一一进行加权平均，形成一个平滑踪迹。两种踪迹平均线性加权踪迹平均：即算术平均，采用相同的加权系数，是一种最便捷的数据加权计算。niiavgSnA11其中：n——加权因子，即进行平均的踪迹数目Aavg——平均后的踪迹值Si——未经平均的各次踪迹的测量值，i=1,2,…,n踪迹处理（二）踪迹处理（三）指数加权踪迹平均：也称扫描平均、视频平均，是在每个扫描点上采用指数加权的方法得到新的平均踪迹。指数加权的原则是最新（最近）的踪迹样本或记录的权最重，先前踪迹的样本或记录的权依序呈指数减小。计算式如下：111nnavgAnnSA其中n——加权平均因子，即已完成扫描的踪迹数Aavg——平均之后的踪迹值Sn——未经平均的当前踪迹的测量值An-1——前一次扫描的平均踪迹值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频谱仪能正常工作的最大频率区间。现代频谱仪的频率范围通常可从低频段至射频段，甚至微波段。下限频率由本振馈通所影响；上限频率由本振扫描范围及中频频率决定毫米波段的输入频率可由谐波混频至较低的频段来进行处理。频率指标（一）输入频率范围频率指标（一）频率扫描宽度（Span）另有分析谱宽、扫宽、频率量程、频谱跨度等不同叫法。通常根据测试需要自动调节，或人为设置。扫描宽度表示频谱仪在一次测量（也即一次频率扫描）过程中所显示的频率范围，可以小于或等于输入频率范围。频率指标（二）频率分辨率（Resolution）表征了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（即RBW）决定，但最小分辨率还受本振频率稳定度的影响。对滤波式频谱分析仪而言，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。现代频谱仪通常具有可变的RBW，按照1-3-9或1-2-5的典型步进变化。最小的一档RBW值就是频率分辨率指标，如90Hz。数字滤波器模拟滤波器跨度3kHzRESBW100HzRBW(1)RBW(2)3dB10kHz10kHzRBWRBW(3)10kHzRBW=10kHzRBW=1kHz10kHz失真产物60dBBW=15kHz7.5kHz3dB60dBRBW(4)显示的噪声基底与RBW成正比，更窄的RBW意味着更高的灵敏度！RBW(5)频率指标（三）频率精度即频谱仪频率轴的读数精度，与参考频率（本振频率）稳定度、扫描宽度Span、分辨率带宽RBW等多项因素有关：CHzBRBWNSpanASpanffrefx%1%其中：Δf——绝对频率精度，单位Hz；ref——参考频率（本振频率）相对精度；fx——频率读数；N——完成一次扫描所需的频率点数；A%——Span的精度，B%——RBW的精度，C——频率常数。不同的频谱仪有不同的A、B、C值。频率指标（四）扫描时间（SweepTime，简作ST）即进行一次全频率范围的扫描、并完成测量所需的时间，也叫分析时间。通常扫描时间越短越好，但为保证测量精度，扫描时间必须适当。与扫描时间相关的因素