信号分析和频谱测量

输入频率 范围 fI = fL - fX fI
本振频率 范围
镜像频率 范围 fI = fimag- fL f
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。用固定调谐的低通滤波器滤去镜频。
第20页
电子测量原理
多级混频
固定中频？
射频输入 100KHz ~3GHz
3.9GHz 低通滤波 4GHz~6.9GHz 第一本振 带通滤波 3.56GHz 第二本振
340MHz 带通滤波 329.3MHz 第三本振
10.7MHz
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。
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
电子测量原理
扫频调谐滤波式频谱仪
ux 电调谐 滤波器
锯齿波 发生器 视频 检波器
Y放大
X 放大
中心频率可调谐的窄带滤波器; 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.
4 检波器
中频信号：调幅波 包络检波器：产生与中频信号的电平成正比的直流电平。 由一个二极管和一个并联RC电路串接而成。合适的时间常 数选择，频率扫描速度太快检波器会来不及响应。
第22页
电子测量原理
5 视频滤波器
用于对显示结果进行平滑或平均，以减小噪声影响。 基本原理：实质是低通滤波器，当视频滤波器截止频率小 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， 而使信号的起伏被“平滑”掉。 应用：噪声测量。特别是RBW较大时，减小VBW将削弱 噪声峰峰值的变化，当VBW/RBW < 0.01 时，效果明显。
第17页
电子测量原理
2 输入通道
相当于宽频段、窄带宽的外差式自动选频接收机。 前端。 输入衰减：避免电平过高引起失真，阻抗匹配。 低噪声放大：从电平上保证获得较佳混频效果。 低通滤波：滤除分析范围以外的频率分量。 混频：频率变换
第18页
电子测量原理
镜像频率交叠问题
A
频率变换 输入滤波 镜像频率
第5页
电子测量原理
频谱分析仪分类 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
第6页
电子测量原理
模拟式频谱仪：
第2页
电子测量原理
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。 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。
第24页
电子测量原理
（2）输入衰减、中频增益、参考电平
频谱仪的幅度测量上限由允许输入的最大电平决定， 下限取决于仪器固有噪声或本底噪声。因为放大、检波及 A/D转换器件的动态范围都很小，不可能在同一次测量的 设臵下同时达到这两个限制。用户会根据不同需要选择最 大显示电平（参考电平），输入衰减、中频增益是两个决 定性因素。 输入信号过大可能导致第一混频受损，因此高电平输 入必须衰减，衰减量取决于第一混频及其后续部分的动态 范围。混频器电平过高，失真产生的频率分量将会干扰正 常显示；衰减量过大则会导致信噪比降低，减小动态范围。 因此，输入衰减及中频增益的选择需折中考虑。 实际应用中，即使参考电平非常低，通常也会将输入 衰减设臵为最小值（如9dB），以获得较好的匹配，提高 幅度测量精度。
F (e
j
)
n


f [n]e
j n
第3页
1 f [n] 2



F (e j )e jnd
电子测量原理
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。
无线电接收机中普遍使用的自动调谐方式 改变扫频本振频率来捕获待测信号不同频率分量
fi fx
fx
fi fL= fI+fx
第16页
fx fI
电子测量原理
1 外差式频谱仪的组成
中频信号处理 fx 输入 电路 fL LO IF 滤波 检波 视频 滤波 Y放大
扫描信号 发生器
X放大
实施频谱分析的传统途径，在高频段占据优势。 频率范围宽、灵敏度高、频率分辨率可变，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，不能进行实 时分析。只能提供幅度谱，不能提供相位谱。
Δ f = fI
fI
fX
fL
fimag
f
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， 本振频率相应提高。
| fL± fX | = fI
第19页
电子测量原理
抑制镜频的高中频解决方案
频率变换 低通滤波
第10页
电子测量原理
扫频外差式频谱仪
fx
IF 滤波 f LO L
检波
Y 放大
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
电子测量原理
数字滤波式频谱仪
ux
A/D
数据缓存
数字滤波器 时基地址控制
数字检波平均
显示
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23页
电子测量原理
7 参数之间的相互关系
参数“联动”（Coupling）设臵。 （1） 扫描时间、扫描宽度、频率分辨率、视频带宽 扫描时间受限于中频滤波器和视频滤波器的响应时间。若 不满足所需的最短扫描时间，滤波器未达到稳态，会导致信 号的幅度损耗和频率偏移。分辨率带宽RBW、视频带宽VBW、 扫描时间ST及扫描宽度Span应当联动设臵。 VBW>RBW：ST不受VBW影响，与RBW2成反比：
ST K Span RBW 2 ( RBW VBW )
VBW<RBW：ST与VBW成线性反比。 VBW设臵原则：在不增加ST的前提下尽可能实现滤波平均。 参数联动设臵的经验公式：正弦测量——RBW/VBW=0.3~1； 脉冲测量——RBW/VBW=0.1；噪声测量——RBW/VBW=9
第12页
电子测量原理
2.带通滤波器的性能指标 带宽
A2 理想滤波器 实际滤波器
A2 1 0.707
RBW
3dB带宽
RBW
3dB点 0 f
RBW f0
0
f1
f2
f
3dB带宽(半功率带宽)
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
电子测量原理
波形因子
dB
滤波器响应时间（建立时间）
信号从加到滤波器到获得稳定输出（达到稳幅幅度的90％ ）所需的 时间TR。它与绝对带宽B成反比：TR∝1/B。 响应时间短，测量速度快；窄带滤波器建立时间长，但频率分辨率 高、信噪比好。响应时间限制扫描分析速度，影响实时性。
第15页
电子测量原理
9.2.2
外差式频谱仪
基本思想——超外差式收音机
电子测量原理
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
电子测量原理
9.1
9.1.1 频谱
频谱分析的基本概念
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 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
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。 周期 非周期 离散 连续 付 氏 变 换
第4页
时域
离散 连续 周期 非周期
频域
电子测量原理
9.1.2 信号的频谱分析技术
第25页
电子测量原理
9.2.3 频率指标
第14页
电子测量原理
பைடு நூலகம்
恒带宽与恒百分比带宽
• 等绝对带宽或等信息量带宽：线性频率刻度下对称
0dB -10dB -20dB -30dB -40dB -50dB 0.2f 倍频程 选择性
0
0.5f
2f f 0 0 0 1倍频程 1倍频程
5f 0 对数频率
•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 特性对称。常用“倍频程选择 性”表示远离中心频率一倍频 率处（0.5f0 和2f0 ）的滤波器衰 减量。
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。
第7页
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。
dB 0 3dB B 3dB
60dB
－20 B 40dB －40 B 60dB f0 f
3dB f1 f2 f
－60
波形因子定义： SF60 / 3 B60dB / B3dB 反映区分两个不等幅信号 的能力，也称带宽选择性
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
电子测量原理
9.2
9.2.1 1.基本原理
扫描式频谱仪
滤波式频谱分析技术
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
电子测量原理
并行滤波式频谱仪
窄带滤波器 窄带滤波器 ux 前臵 放大器 窄带滤波器 门 门 门 检波 Y放大
第21页
电子测量原理
3 中频信号预处理
完成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：自动增益电路。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：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。
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
6 踪迹处理
频谱仪进行一次扫描所得的频谱图的迹线即“踪迹” （Trace）、“扫迹”、“轨迹”、“轨迹线”。 标记（Marker）：最大/最小值、相对幅度或频率，有助 于改善相对测量精度、减小读数误差。 踪迹平均处理：对同一输入信号多次扫描所得的踪迹进 行的平均。线性加权踪迹平均、指数加权踪迹平均