频谱、信号、功率分析原理

功率探头
二极管探头
灵敏度高 主要应用于 未调制正弦 波信号
热偶 动态范围有限 测量真正的平均功率
在一定电平范围内对平 均功率的高精度测量， 最佳选择是高精度热偶 探头，例如 NRV-
Z51/Z55
结合两种探头优 点： 智能探头 NRP Z11/Z21/Zxx
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探头类型
热偶
l 使用精确50 Ohm阻抗，由于被测试的RF功率使得电阻升温，传感器测 试升高的温度
| 52
幅度测量精度
误差来源 绝对误差 频率响应 衰减器误差 中频增益误差 线性误差 带宽切换误差 失配误差
| 53
Questions?
| 54
功率测量
功率测量基础 吸收式智能功率计NRP 反射式高精度功率计NRT
| 55
功率与电压的单位换算关系
dB =10 lg P P0
dBm =10 lg P 1mW
有效值
采样
线性/对数查找表： 有效值、平均值检波器
线性 对数
检波器的选择
微 处理器
显示
水平轴 500个 像素点
平均值 “线性检波器”
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平均值检波器
∑ UAV
=
1⋅ N
N
ui
i=1
有效值检波器
∑ U RMS =
1 N
⋅
N i =1
ui2
检波数据处理的显示方式
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数字中频处理，IQ信号的获取
中频滤波器
模拟滤波器 对数放大器 包络检波器
视频滤波器
混频器
中频放大器 数字滤波器
输入
本地振荡器
FFT 滤波器
PLL
检波器 y
x 显示
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中频滤波器:数字滤波器
Anti aliasing
bandpass 12 bit
IF 20.4 MHz
A D
32 MHz
特点: 真正的高斯形状 波形因子4.6 最小扫描时间
DANL10 Hz
−10dB + (10 • lg
RBWNoise )dB + Hz
RFATT
− 2.5dB
LDANL 平均显示噪声电平 DANL 规定的平均噪声电平 (R&S 数据表: RBW=10 Hz,
RFATT = 0 dB)
RBWNoise RBW滤波器的等效噪声带宽
RFAtt RF 衰减器
突发脉冲的测量
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多时隙测量
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R&S NRP-Z系列功率探头
探头
NRP-Z11 NRP-Z21 NRP-Z22 NRP-Z23 NRP-Z24 NRP-Z51 NRP-Z55 NRP-Z91 NRP-Z27 NRP-Z37 NRP-Z81
探头类型
多通道 多通道 多通道 多通道 多通道 热耦 热耦 多通道 带功分器 带功分器 宽带功率计
矢量信息 幅度误差 矢量误差 相位误差
正弦波信号：时域和频域
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频域和时域的信号分析
|6
周期信号的频谱
|7
正弦波测试
|8
AM调制信号
|9
FM调制信号
| 10
QPSK调制信号
QPSK信号
| 11
脉冲调制信号
| 12
脉冲信号分析
| 13
频谱仪工作原理
频谱仪的实现方式 频谱仪的主要设置参数 频谱仪的结构
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NRP-Z81 宽带功率探头 RF带宽达30MHz 频率范围50MHz-18GHz
| 81
显示方式的创新
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NRP功率探头的多种连接方式
源
PGZ0
G
NRP 功率探头
USB 适配器 NRP-Z4
USB 适配器 NRP-Z3
触发信号 | 83
AC 电源
NRP主机
频谱仪 FSQ/FSU/FSP 安装了 FS-K9 信号源 SMU/SMJ/SMATE SMA, SMF
中频信号 IF
模拟中频 AD
滤波器
转换器
A D
采样时钟
数字变频并分解
cos NCO
sin 欠采样
I存储器 I数据 处 理 器
Q数据 Q存储器
触发
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频谱分析仪的特性指标
滤波器特性（频率参数） 相位噪声（频谱纯度参数） 接收机的固有噪声（电平参数） 系统非线性（电平参数） 动态范围（电平参数） 最小扫描时间（时间参数）
频率范围
10 MHz ～ 8 GHz 10 MHz ～18 GHz 10 MHz ～18 GHz 10 MHz ～ 18 GHz 10 MHz ～18 GHz DC ～ 18 GHz DC ～ 40 GHz 9 kHz ～ 6 GHz DC ～ 18 GHz DC ～ 26.5 GHz 50MHz ～ 18 GHz
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中频滤波器特性
| 36
滤波器形状测量
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不同中频滤波器对测试结果的影响
| 38
分辨相邻的信号
蓝色踪迹： RBW= 3 kHz
红色踪迹： RBW=30 kHz
| 39
蓝色踪迹： RBW= 3 kHz
红色踪迹： RBW=30 kHz
相位噪声
| 40
频谱分析仪的固有噪声
LDANL
=
频谱分析与功率测试
Jun. 2010
分销商培训
频谱分析原理
信号分析原理 频谱仪工作原理 频谱分析仪的特性指标
|2
源自文库
信号分析原理
时域/频域/调制域分析 周期信号频谱 调制信号 脉冲调制信号
|3
时域/频域/调制域分析
时域
波形信息 幅度 周期 频率
频域
幅频信息 频率、功率 谐波、杂波 噪声、失真
|4
调制域
-2.5 dB
修正因子 (对数定标的平均)
不同的滤波器6 dB带宽和等效噪声带宽与 3 dB带宽的关系
滤波器类型
6 dB 带宽 等效噪声带宽
4-极点滤波器 5-极点滤波器 （模拟） （模拟）
1.480 * B3dB 1.464 * B3dB 1.129 * B3dB 1.114 * B3dB
理想高斯滤波器 (数字)
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NRP智能功率探头新技术
内置CPU技术,一个NRP探头内含一个功率计 对任一信号高精确度的测量 全动态范围内的时间门控功能 用户可以定义积分时间从10μs到0.3s 定向耦和器或衰减器的S参数可以下载到功率探头的存储器中以修正
精度
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NRP指标
并行处理三个独立的功率测量路径达到极高的性能指标 动态范围达到90dB 功率测量范围200pW(-67dBm)到200mW(+23dBm) 频率范围DC/10MHz到18GHz/40GHz
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频谱仪的实现方式
外差式频谱仪 硬件结构 重要参数 实现方法 FFT分析仪 FFT IQ信号，矢量分析
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频谱仪的实现方式－外差式频谱仪
| 16
频谱仪的主要设置参数－频域
频率测试范围 中心频率和频率跨度 起始频率和终止频率 电平显示范围 参考电平和量程跨度 测试带宽 分辨带宽 视频带宽 扫描时间
二极管探头
l 利用二极管的平方率区域测量功率，也应用于通过式探头
智能探头技术
l 多通道的二极管探头动态范围大，数据处理内置，可以进行连续波、 矢量调制信号、TDMA和雷达脉冲信号测试
| 59
热耦探头
| 60
二极管探头
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内部结构
| 62
功率测量的基本原理
调制信号包络 电压/场强
P(t) Pe (t) PEP Pavg
dBμV
=20
lg
V
1μV
dBμA
=20
lg
I
1μA
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0dBm = 107dBμV
如何选择合适的仪器 ?
功率计
l 精度高 l 宽带, 不可选频 l 动态范围有限 (最大约 90 dB)
频谱仪
l 可选频率
– 信道功率测量 – 邻信道功率测量
l 高动态范围 (160 dB 测量范围)
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探头类型
k = 1 通过补偿可以达到
Q mixer
IF
I
Lowpass filter
LO 90°
I mixer Q
IF
filter coefficients Lowpass filter
I 2+ Q2
IF envelope voltage
LO
filter coefficients
NCO 优点:
小波形因子 => 更高的灵敏度 快速扫描 更高的带宽精度测量可以得到更高的电
瞬时功率 包络功率 包络峰值功率 平均功率
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二极管的平方率
| 64
功率测量
脉冲功率 Pp
___ Pavg
Pp = ( tp / T )
如果占空比 tp/T 已知, 可以由平均功率 Pavg计算得出脉冲功率
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功率测量
W-CDMA 3.84 MHz 带宽
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峰值功率
峰值因子 ≈ 10 dB
NRP-Z28 / Z98 带电平控制的功率 探头
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定向功率测量
G
发射源
前向功率
反向功率
NRT- Z44
负载
POWER REFLECTION METER NRT
FWD SENSOR
PORT
POWER
SCALE
AVG ENV
AUTO ΔREF
dBm ΔW
CONF UTIL
MENU
SENS
CORR LOCAL SEL
TSweep
≅
k
•
Span RBW2
TSweep Span
RBW K 因子
最小扫描时间 频率扫描跨度 分辨带宽 (3 dB 带宽) 模拟滤波器 2.5
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扫描时间的影响
测试结果未校准!
蓝色踪迹： 电平和频率产生误差
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频率测量精度
光标读数模式 ±(频率读数×参考频率误差+0.5%×频率跨度 +10%×分辨带宽+最后显示位×1/2) 计数器模式 ±(频率读数×参考频率误差+最后显示位×1/2)
Pavg 平均功率
如何选择合适的探头 ?
热耦探头
优点：
• 测量不确定度非常小
• 直接把功率转化为热量 ⇒ 温度不同 ⇒ 功率
Ploss
• 测量平均功率, 不考虑信号的波形和调制
• R&S 的探头一直可以覆盖到 DC
Pi
Pr
Pth
uout
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如何选择合适的探头 ?
热敏探头
局限性 • 测试量程 30 ～ 50 dB • 响应速度慢 – 没有包络信息，没有时间门 • 是所有频谱成分能量的总和 (例如： 谐波) • 最小测量的功率受热敏探头的灵敏度限制。 • 最小测量的功率还受测试装置对周围环境温度起伏的免疫能力 • 最大输入功率主要受使用材料耐热指标的限制
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如何选择合适的探头 ?
二极管探头
优势
• 灵敏度高
• 对测量调制信号的峰值功率、包络功率必不可少
• 快速的响应 (峰值检波)
• 传输特性的变压部分使探头获得了大动态
将瞬时功率通过二极管变换成交流电压
Pi
→ 非线性检波
→ 非线性低通滤波器
Pr
uout
uAC
uout
局限性 • 在平方律中工作方式和热敏探头类似 • 频响高 • 在平方律之外波形、调制类型、调制频率和温度都会对测量产生影响
1.415 * B3dB 1.065 * B3dB
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显示的噪声本底与RF衰减器
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显示本底噪声与RBW带宽
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运用衰减器判别伪信号
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接收机的非线性特性
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频谱仪自身非线性产物的鉴别
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截止点
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1-dB 压缩点
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动态范围
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频域测试最小扫描时间
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衰减器
大信号衰减 阻抗匹配、抑制非线性 获得最佳动态范围
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混频器/本振/滤波器
混频器 基波混频/谐波混频 固定中频，避免与可调滤波器相关的难题 本振调谐 滤波器/预选器 抑制镜像频率 提高抗过载能力
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本振信号相位噪声
| 22
低中频对镜像的影响
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高中频对镜像的抑制
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功率范围
-67 dBm ～ +23 dBm -67 dBm ～ +23 dBm -57 dBm ～ +33 dBm -47 dBm ～ +42 dBm -42 dBm ～ +45 dBm -30 dBm ～ +20 dBm -30 dBm ～ +20 dBm -67 dBm ～ +23 dBm -24 dBm ～ +26 dBm -24 dBm ～ +26 dBm -60 dBm ～ +20 dBm
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频谱仪的主要设置参数－时域
测试范围 中心频率 测试时间 电平显示范围 参考电平和量程跨度 测试带宽 分辨带宽 视频带宽
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频谱仪的结构
RF前端 衰减器 滤波器（预选器） 混频器 本振 中频信号处理 中频放大器 中频滤波器 视频滤波器
检波器 最大峰值 最小峰值 自动峰值 取样 RMS AV 准峰值
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NRP功率计接口
一个功率计主机可以同时连接1~4个功率探头 以太网接口(选件) 可以电池供电(选件) 采用新的界面使操作更加容易
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NRP智能功率探头
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NRP探头对于调制信号同样达到很 高的精度
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S参数修正技术
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连续平均功率测量
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突发脉冲的测量
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平精度 用于噪声或类噪声信号 没有温度或老化漂移
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中频滤波器: FFT 滤波器
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FFT结果分析
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中频滤波器（RBW）特性
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视频滤波器
视频滤波 器
(平滑)
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输入信号的处理及显示
噪声经过中频滤波器和视 频滤波器
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检波器
“对数检波器”
最大 峰值
最小 峰值 视 频 信 号
REM LLO
REFLECTION
SCALE SWR RFL
AUTO
ON/STBY
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定向功率测量