电子测量技术(西电版)第7章 频域测量技术

第7章 频域测量技术
图7- 1 信号的时域波形及频域频谱
第7章 频域测量技术
从时域t方向描述的电信号就是我们在示波器上看到的 波形f(t)， 从频域f方向看到的这个信号可表示为一组沿频 率轴步进的正弦信号的集合， 即S(ω)， 每一个正弦信号代 表这个电信号在频率点所具有的分量值， 也称为信号的频 谱或频谱分量。
本章主要介绍信号的频谱分析技术及线性系统的频率 特性测量技术， 包括频谱分析仪、 失真度测量仪、 扫频仪 及网络分析仪等的测量原理。
第7章 频域测量技术
7.1
7.1.1
对于任何一个信号， 既可以在时域进行分析和测量来获取 各种特征， 又可以在频域进行分析和测量来获取各种特征， 其中频域分析和测量在电子、 通信、 生物医学等方面有着 非常广泛的应用。
第7章 频域测量技术
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7.1 信号频谱分极及频谱分析仪 7.2 信号的失真度测量 7.3 线性系统频率特性的测量 7.4 网络分析仪 思考与练习
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前面我们讨论了信号及测量系统在时域内的有关特 征及测量方法,本章将讨论信号及测量系统在频域内的 有关特征及测量方法。 对许多测量来说， 频域测量和 时域测量同样重要。
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调制域分析仪测量信号的频率、 相位和信号出现的时 间间隔随时间的变化规律。 振荡信号源的相位噪声特性用 谱密度来表征， 因而相位噪声的分析也要用到频谱分析。 对网络的分析也是通过信号分析来进行的， 因而与信号的 频率分析技术密切相关。 数字信号处理机是新发展起来的 一类分析仪， 它采用FFT和数字滤波等数字信号处理技术， 对信号进行包括频谱分析在内的多种分析。
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例如， 在通信技术中， 蜂窝无线电系统的载波信号 的谐波会干扰工作于同一谐波频率下的其他系统， 所以 从事通信工程的技术人员常常需要检查蜂窝无线电系统 的载波信号的谐波成分。 调制在载波上的信息失真也是 通信领域内关切的问题之一， 如果三阶交调失真分量落 在工作频带内， 就会影响通信质量。 对于这些问题， 只 能通过频域测量来确定信号的谐波分量。 此外， 信号的 频谱占用情况也正受到越来越多的应用项目的关注， 如 电子产品的传输频谱宽度必须满足EMI、 EMC的相关要 求。 可见， 频域测量在电子测量中占有很重要的地位， 对频域测量的原理、 方法及应用进行研究具有现实意义。
频谱是对信号及其特性的频率域描述。 一个在时域看 来是复杂波形的信号， 它的频谱可能是简单的， 在时域 不容易获取信号的有关信息在频域可能是容易获取的。 一 般来说， 确定性信号存在着傅立叶变换， 由它可获得确 定的频谱。 随机信号只能就某些样本函数的统计特征值作 出估算， 如均值、 方差等， 这类信号不存在傅立叶变换， 对它们的频谱分析指的是它的功率谱分析。
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一个电信号的特性可以用一个随时间变化的函数f(t) 来表示， 同时也可以用一个频率f或角频率ω=2πf的函数 S(ω)来描述， 这两种表示之间的关系在数学上可表示为 一对傅立叶变换关系：
S f tejtdt f t 1 Sejtd
2π
上述关系可以定性地用图7-1来表示。
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频域测量的两个基本问题是信号的频谱分析和线性系统 的频率特性测量。 进行频域分析和测量的电子仪器有很多种， 其中， 频谱分析仪是采用滤波器或傅立叶变换的方法， 分析 信号中所含的各个频率分量的幅值、 功率、 能量和相位关系。 选频电压表采用调谐滤波的方法， 选出并测量信号中感兴趣 的频率分量。 失真度测量仪则与之相反， 采用陷波的方法将 信号中基频滤去， 测量剩下的各次谐波分量和噪声的大小， 以及它们与基频的比值。 调制度分析测量是对各种频带的射 频信号进行解调， 恢复调制信号， 测量调制度。
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然而频谱仪也有它的特点， 例如， 一个失真很小的正 弦波信号利用示波器观察就很难看出来， 一个复杂波形内 各频率分量的大小就更难以确定， 而用频谱仪就能定量测 出很小的频率分量。 所以时域分析和频域分析各具特点， 各自适用于不同的场合， 两者互为补充。
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7.1.2
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对信号的频域分析主要采用频谱分析仪， 频谱分析仪 分析和测量一个电信号在频率轴各点频谱分量的分布情况。 时域分析主要采用电子示波器， 用示波器分析和测量一个 电信号在时域的有关特征和信息。 实际的频谱分析仪通常 只给出幅度谱和功率谱， 不直接给出相位信息， 因此， 如 果两个信号内的基波幅度相等， 二次谐波幅度也相等， 但 基波与二次谐波的相位差不等， 则用频谱仪测量这两个信 号所显示的频谱图没有什么区别， 但用示波器观察这两个 信号的波形却明显不同。
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(2)实时和非实时的分类方法主要是针对低频频谱仪而言 的， 如语言信号的分析处理， 系统的实时控制等， 都要求对 信号进行实时分析。 “实时”并非纯粹指快， 实时分析所达 到的速度与信号的带宽和要求的频率分辨力有关。 一般认为， 所谓实时分析， 是指在长度为T的时间内完成的频率分辨力 达到1/T Hz的谱分析。 当然只能在一定的频率范围内进行实 时分析。
频谱分析仪种类繁多， 可以从多种角度对它们进行分 类。 例如， 可分为模拟式、 数字式、 模拟数字混合式； 实时型、 非实时型； 恒带宽分析、 恒百分比带宽分析； 单通道型、 多通道型。 按工作频带， 还可以分为高频、 低频等等。 按工作原理， 大致可以归为滤波法和计算法两 大类。 下面就上述几种分类， 对各类仪器的特点和应用对 象作一简要说明。
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(1)模拟式频谱仪以模拟滤波器为基础构成， 用滤波器来 实现信号中各频率成分的分离。 所有的早期频谱仪几乎都离 不开模拟滤波器。 至今， 这种方法还在各种频段的频谱仪中 广泛使用。 数字式频谱仪是以数字滤波器或快速傅立叶变换 为基础而构成的， 特别是FFT算法的问世， 大大改变了频谱 分析技术。 数字式仪器由于受到数字系统工作速度的限制， 目前还多为数百千赫以下的低频频谱仪， 如被分析声频带或 振动频带的仪器所采用。 它们具有精度高、 性能灵活、 能 满足声频带与振动信号分析中的多功能要求等特点。