RF_fundamentals 频谱分析基础

射频基础知识
2011 销售大学预习资料
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May 9-11, 2011
Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential
示波器测量幅度相对于时间的变化
简单例子:正弦波
– 纵轴表示幅度 – 横轴表示时间 – 频率表示单位时间内的周期个数
dB = 10 log (P2 / P1)
P1 和P2 是功率值

为什么使用对数坐标代替线性坐标?
– 使微小信号能够和大信号显示在同一坐标系下 ( 更高的动态范围)
– 如果信号在示波器显示中下降3个格，幅度损失 30% – 如果信号在频谱分析仪上下降3个格 (在 10dB/div), 它损失了99.9%幅度 (信号比原来减小 了1,000倍)
– 这个范围之内的频率可以分析 – 在这个范围内频带是平坦的而不像示波器会滚降 – 通常从9kHz或100kHz开始到几个GHz
– 频谱分析仪的前端一般不能像示波器一样接收直流信号
14 May 9-11, 2011 Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential
– 在示波器上看到的很干净的正弦波可能包含在 时域波形中不易察觉的谐波成分，但在频域很 容易看到
Distortion
通信Communications
– – – – 现代无线通信技术多基于频域 分配频段 通信信道 需要确定占用带宽，调制质量等特性
Modulation
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May 9-11, 2011
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– 与示波器的volts/div控制不同，通常会预留一定的空间(4-6dB) 防止在有多个频 点与参考电平到达同样功率是出现的削波 – 一些频谱分析仪允许参考电平和衰减单独控制
– 通常以 dBm为单位
– 还可以使用以下单位：dBmV, dBµV, dBmA, dBµA, dBµW
– 通常参考电平位于屏幕网格的最上方
调幅信号
周期性脉冲波
瞬态信号
脉冲信号
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4/23/2015
RF Fundamentals Training
为什么需要在频域分析信号?
噪声Noise
– 所有的有源电路均会产生噪声，这些噪声在多 大程度上会影响整个设计? – 噪声从哪里来? (EMI) – 信噪比测量
Noise
失真Distortion
重要的频谱分析概念 参考电平
示波器使用 Volts/div 进行控制
– 用户调节示波器，设定希望观测信号时使用的幅度 – 示波器调整通道前端衰减/放大倍数到合适的值，使示波器的全屏幕显示 （如10div）能够充分利用A/D转换器的有效范围
参考电平是频谱分析仪类似的控制功能
– 告知频谱分析仪信号会有多大 – 通常通过RF通道的衰减设置控制
重要的频谱分析概念
无杂散动态范围 (SFDR)
我们关心两种杂散（Spurs） – 输入相关的杂散和残留杂散 输入相关的杂散（spurs）是那些由于输入信号和频谱分析仪相互干扰 造成的
– 如果输入信号移除，这些杂散消失
– 通常是由于信号与频谱分析仪的信号混频 造成的
– 指标给出了2次3次谐波失真和2次3次交 调失真
– 可能具有垂直位置控制，在用户需要时在垂直方向上移动
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4/23/2015
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重要的频谱分析概念
无杂散动态范围 (SFDR)
动态范围是在测量一个大信号时同时可以观测微弱信号的能力 ‘杂散峰值’是低幅度信号，用户可能关心也可能不关心 SFDR无杂散动态范围很关键，因为它使用户了解看到的杂散峰值是否 是真实信号的一部分
重要的频谱分析概念
功率vs电压计算
dB也可以用来计算电压
dB = 20 log (V2 / V1)
dB 变化 +20dB +10dB +6dB +3dB -3dB 功率变化 100x 10x 4x 2x 0.5x 0.25x 0.1x 0.01x 电压变化 10x ~3.2x ~2x ~1.4x ~0.7x ~0.5x ~0.3x 0.1x
– RBW越低(越窄) 计算速 度越慢，但频率分辨更 细同时底噪更低 – RBW越高(越宽)计算速 度越快，但频率分辨率 变粗底噪更高
同一信号的两种显示
宽 RBW
10 May 9-11, 2011 Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential
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May 9-11, 2011
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稍微复杂一些的例子
方波实际是很多正弦波叠加的结果
时域观测
频域观测
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May 9-11, 2011
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所有复杂信号都可以看做是一组正弦波的组合
Amplitude (power)
时域: 正弦波的叠加
傅里叶分析描述相等的测试
频域: 一组独立的正弦信号
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May 9-11, 2011
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更多例子
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May 9-11, 2011
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重要的频谱分析概念
捕获带宽
捕获带宽是仪器一次采集能够获得的频谱范围
扫频式频谱分析仪
Attenuator Low-Pass RF Down-Converter Resolution Envelop Video Bandwidth Detector Bandwidth Filter (SLVA) Filter Display
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May 9-11, 2011
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重要的频谱分析概念
dBm, dBc
什么是 dBm? 如前所述, dB 表示两种功率值的比 值 dB之后的字符表示比较的参考标准 是什么
– dBm 参考标准是一个毫瓦
窄 RBW
重要的频谱分析概念
对数坐标
示波器使用线性坐标,通常是 伏/格 频谱分析仪常使用对数坐标，表示为dBx (关于 ‘x’后面有更多介绍) 什么是dB?
– – – – – dB是两种功率电平间的比例关系表达式 0dB 表示1:1 10dB表示10:1 20dB表示100:1 30dB表示1000:1
– – – – –
dBmV 参考的是一个毫伏 dBµV 参考的是一个微伏 dBmA参考的是一个毫安 dBµA参考的是一个微安 dBµW参考的是一个微瓦
dBc 是相对测量值
dBm 是绝对测量值
12 May 9-11, 2011 Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential
Input
YIG Pre-Selector Sweep Generator Swept Tuned Local Oscillator
Y
捕获带宽BW = RBW
X
Stepped Spectrum Analyzer
残留杂散（spurs）是由仪器和环境带来 的
– 在输入信号移除后还会存在
– 通常由内部噪声源如时钟、晶振等， 或 者是屏蔽不好带来的外部噪声
– 表示为 Residual Response
17 May 9-11, 2011 Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential
重要的频谱分析概念
中心频率和分析范围 Center Frequency and Span
示波器FFT典型的分析方式是DC到 (1/2采样率) Hz

频谱分析仪的典型方法是设定一个中心频率CF (因为它在屏幕显示的中心)
– 通常是载波频率
在中心频率两侧可以观测的频率区域称作频率范围SPAN
Span
A/sqrt(2) T = 1/ f
3 May 9-11, 2011
RMS Amplitude (Power)
Frequency
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同一信号的两种不同观测结果
请记住-电子是不知道会被什么仪器测量的 正弦波是最简单的例子
Amplitude
A Time
f = 1/ T
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May 9-11, 2011
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频谱分析仪测量幅度（功率）相对于频率的变化
简单例子：正弦波
– 纵轴代表幅度的有效值 – 横轴代表频率 – 频谱分析仪在某一时刻只测量感兴趣的一定范围的频率，其他频率成分滤 除掉，从效果上看是特定频率的功率计.
13 4/23/2015 RF Fundamentals Training
重要的频谱分析概念
输入信号频率范围
示波器规定的带宽是指从DC直流到-3dB点的频率
3%
Amplitude
10% 在频率到达 -3 dB点(带宽点） 时 ，测量得到的信号幅度有 30%的衰减
20%
30%
Frequency
频谱分析仪使用频率范围定义
Center Frequency
9 May 9-11, 2011 Trinity Product Champion Training - Tektronix Confidential
重要的频谱分析概念
分辨率带宽(RBW)
分辨率带宽RBW定义了在频域多小的一个频率可以被分辨出来 在分辨率带宽内，所有功率被看做是同一频率成分的功率 如果两个载波间的频率差是1KHz，只有分辨率带宽RBW小于1KHz时 才能区别出它们 速度和分辨率带宽的关系
– – – – – – 30dBm = 1W 20dBm = 0.1W 10dBm = 10mW 0dBm = 1mW -10dBm = 0.1mW -20dBm = 10µW

什么是dBc? dBc 还是指两个功率值的比值 比较的参考是载波的功率而不是一个 固定的数值
– – – – – – 30dBc = 载波大小的1000倍 20dBc =载波大小的100倍 10dBc =载波大小的10倍 0dBc =载波大小的1倍 -10dBc =载波大小的10分之一 -20dBc =载波大小的100分之一
重要的频谱分析概念
显示平均噪声电平(DANL)
DANL表示频谱分析仪有多低的 噪声
– 也被称作底噪 noise floor
在没有输入情况下测量
单位是 dBm/Hz 可视噪声是由RBW分辨率带宽 设定值决定的
– 噪声是宽带信号 – 缩窄RBW设定会降低显示噪声 水平
降低RBW = 降低 Noise 每降低10倍RBW同时降低10倍噪声
where V1 and V2 are in Volts
源自文库

计算功率略有不同
dB = 10 log (P2 / P1)
-6dB -10dB -20dB
where P1 and P2 are power in Watts
请注意：功率变化时电压变化的平方 (这就是在电压公 式中前面有2倍的原因)
技术要点: • 功率Power •每 3dB的变化代表一倍或一半功率的变化 • 每10dB的变化代表 10x倍功率变化 • 电压Voltage • 每6dB的变化代表一倍或一半的电压变化 • 每20dB 的变化代表10x 倍电压变化
– 简单地说，如果信号上升进入SFDR，它来自与真是信号 – SFDR之下的信号可能是实际有的，也可能来自于测试仪器本身
为了准确测量信号，由频谱分析仪带来的信号失真必须控制在测量水平 之下
载波 Carrier
什么是 SFDR?
杂散Spurs (实际存在吗l?)
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May 9-11, 2011
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