第6章信号分析和频域测量PPT课件
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第2页
现代电子测量
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e j(ω)关于原点对称。
0dB -10dB -20dB -30dB
倍频程 选择性
•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
-40dB
特性对称。常用“倍频程选择
-50dB
性”表示远离中心频率一倍频
0.2f0
0.5f0
f0
2f0
1倍频程 1倍频程
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
窄带滤波器
ux 前置 放大器
窄带滤波器 窄带滤波器
门 门 门
检波
Y放大
窄带滤波器 门
脉冲分配器
脉冲 发生器
阶梯波 发生器
X放大
也可以是多个检波器后再接电子扫描开关
第9页
扫频调谐滤波式频谱仪
现代电子测量
ux 电调谐 滤波器
视频 检波器
Y放大
锯齿波 发生器
X 放大
中心频率可调谐的窄带滤波器;
时域ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
周期 非周期 离散 连续
付
离散
氏 连续
变 周期
换 非周期
第4页
频域
现代电子测量
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
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。
4 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。
F(ej) f[n]ejn n
第3页
f[n]1 F(ej)ejnd
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.
第10页
扫频外差式频谱仪
现代电子测量
fx
IF 滤波
检波
Y 放大
fL LO
扫描信号 发生器
X 放大
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
第11页
数字滤波式频谱仪
现代电子测量
uxA /D 数 据 缓 存数 字 滤 波 器 数 字 检 波 平 均 显 示
3dB带 宽
现代电子测量
RBW RBW RBW
3dB点
0
f
3dB带宽(半功率带宽)
0
f1 f0 f2
f
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
第13页
波形因子
dB
现代电子测量
dB 3dB 0
B 3dB
60dB
－ 20
－ 40
3dB
－ 60
B 40dB B 60dB
f1
f2
f
f0
f
波形因子定义： S6F /03B 6d 0B /B 3dB
也可用 40dB带 宽 与3dB带宽之 比表示。波形因子较小的滤波
反映区分两个不等幅信号 的能力，也称带宽选择性
器的特性曲线更接近于矩形， 故波形因子也称矩形系数
第14页
恒带宽与恒百分比带宽
现代电子测量
• 等绝对带宽或等信息量带宽：线性频率刻度下对称
第7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
第8页
现代电子测量
并行滤波式频谱仪
时 基 地 址 控 制
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。
第12页
2.带通滤波器的性能指标
带宽
A2 理 想 滤 波 器
A2 实际滤波器
1 0.707
现代电子测量
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
第1页
现代电子测量
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
2
现代电子测量
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N log2N。
第5页
频谱分析仪分类
现代电子测量
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
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现代电子测量
模拟式频谱仪：
现代电子测量
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e j(ω)关于原点对称。
0dB -10dB -20dB -30dB
倍频程 选择性
•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
-40dB
特性对称。常用“倍频程选择
-50dB
性”表示远离中心频率一倍频
0.2f0
0.5f0
f0
2f0
1倍频程 1倍频程
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
窄带滤波器
ux 前置 放大器
窄带滤波器 窄带滤波器
门 门 门
检波
Y放大
窄带滤波器 门
脉冲分配器
脉冲 发生器
阶梯波 发生器
X放大
也可以是多个检波器后再接电子扫描开关
第9页
扫频调谐滤波式频谱仪
现代电子测量
ux 电调谐 滤波器
视频 检波器
Y放大
锯齿波 发生器
X 放大
中心频率可调谐的窄带滤波器;
时域ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
周期 非周期 离散 连续
付
离散
氏 连续
变 周期
换 非周期
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频域
现代电子测量
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
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。
4 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。
F(ej) f[n]ejn n
第3页
f[n]1 F(ej)ejnd
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.
第10页
扫频外差式频谱仪
现代电子测量
fx
IF 滤波
检波
Y 放大
fL LO
扫描信号 发生器
X 放大
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
第11页
数字滤波式频谱仪
现代电子测量
uxA /D 数 据 缓 存数 字 滤 波 器 数 字 检 波 平 均 显 示
3dB带 宽
现代电子测量
RBW RBW RBW
3dB点
0
f
3dB带宽(半功率带宽)
0
f1 f0 f2
f
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
第13页
波形因子
dB
现代电子测量
dB 3dB 0
B 3dB
60dB
－ 20
－ 40
3dB
－ 60
B 40dB B 60dB
f1
f2
f
f0
f
波形因子定义： S6F /03B 6d 0B /B 3dB
也可用 40dB带 宽 与3dB带宽之 比表示。波形因子较小的滤波
反映区分两个不等幅信号 的能力，也称带宽选择性
器的特性曲线更接近于矩形， 故波形因子也称矩形系数
第14页
恒带宽与恒百分比带宽
现代电子测量
• 等绝对带宽或等信息量带宽：线性频率刻度下对称
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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
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现代电子测量
并行滤波式频谱仪
时 基 地 址 控 制
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。
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2.带通滤波器的性能指标
带宽
A2 理 想 滤 波 器
A2 实际滤波器
1 0.707
现代电子测量
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
第1页
现代电子测量
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
2
现代电子测量
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N log2N。
第5页
频谱分析仪分类
现代电子测量
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
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现代电子测量
模拟式频谱仪：