频谱分析仪基础教程修正版
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频谱分析仪基础
2
概要
• • • • • 第一章 信号分析简介 第二章 频谱仪工作原理 第三章 频谱仪面板介绍 第四章 频谱仪重要指标 第五章 频谱仪跟踪源简介
3
第一章 信号分析简介
1.1 信号的分类 1.2 为什么要进行频域测量 1.3 频谱分析仪典型应用
4
1.1 信号的分类：
按表现形式分：连续波信号，模拟调制信号，数字 调制信号，噪声信号。 对信号的分析包括：时域分析，频域分析，调制域 分析。
28
2.3.1 功能单元简介
在讨论这些单元怎样一起工作前，先来了解一下 每一个部分： • a. RF输入衰减器： 是一个步进衰减器，位于输 入信号和第一个混频器之间，用于调节到达第一 个混频器的信号电平大小，以防止由于电平过高 或宽带信号引起混频器增益压缩或失真。
29
• b. 混频器：三端口器件，把信号从一个频 率变换成另一个频率。输入信号有两个， 分别是输入信号fsig和本振信号fLO。由于 混频器是非线性器件，它的输出是这两个 频率的和或差。我们感兴趣是这两个频率 的差，即中频信号fIF，如图所示。 混频器调谐公式： fsig = fLO - fIF
描述信号最直接的途径是采用时域表征方式 （如示波器）。描述信号另一个途径是利用频 域表征方式，付式理论将时域和频域表征联系 起来，适当利用付式级数，付式变换和离散付 式变换（DFT）能将时域函数X（t）变换成频域 函数X（f）。
9
频域测量仪器相对于时域测量仪器有一些优点： • a. 较之时域测量具有更高的灵敏度。由于窄带频 域测量带宽几乎可以被任意压缩，故能大大减少 测量中的噪声。窄带测量还能除去某些频率上的 强干扰信号。例如在测量正弦波谐波失真（示波 器不限百分之几，而频谱仪往往允许到0.01％）； • b. 某些系统原本就与频域有关，如：电信系统中 所用的频分复用系统（FDM）；
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2.2 频谱仪分类
• 按照工作原理分，频谱有两种基本的类型：实时 频谱仪和扫频调谐式频谱仪。 • 实时频谱仪包括多通道滤波器（并联型）频谱仪 和FFT频谱仪。 • 扫频调谐式频谱仪包括扫描射频调谐型频谱仪和 超外差式频谱仪。
20
2.2.1 实时频谱仪
• 实时频谱仪能同时显示其现实频率内的所有频 率分量，而且保留了相位信息，不仅能分析周 期信号、随机信号，而且能分析瞬时信号，显 示相位关系。 a. 多通道频谱仪：信号同时送到每一个滤波器， 滤波器的输出表示输入信号中进该滤波器通带 内的那部分能量，显示出是各滤波器通带内的 信号的合成信号。 优点：速度快，可构成实时测量系统。 缺点：由于受滤波器数量及带宽限制，这类 频谱仪主要工作在音频范围。
21
b. FFT分析仪：
图11 FFT频谱仪简化框图
22
FFT频谱仪的核心：就是以函数进行付立叶变换的 数学计算为基础的计算机分析。能完成多通道滤 波器式频谱仪相同的功能。一般工作在 DC~100kHz的低频段。 优点：可测非周期信号，保留相位信息。 缺点：相对来说频率范围小、灵敏度低、动态范围 小。
5
图1 AM信号
图2 FM信号
6
图3 连续波信号及噪声
图4 数字调制信号
7
• 完整的信号分析内容
带内测试项目 信号频率 频道内（In-channel） 频道外（out of channel） 平均/峰值功率 调制精度 邻道功率比
带外测试项目 谐波 远端杂波
8
•
•
1.2 为什么要进行频域测量？
10
• c. 多重信号在频域中更容易分离。利用频谱仪能区分这些 频率成分并精确加以测量，而用示波器则难以做到。如图 所示，在频域中信号的频率成分可很清楚的辨别出来。
时域分析
图5 时域与频域的关系
频域分析
11
1.3 频谱分析仪典型应用
图6 频谱分析仪典型应用
12
信号的频域指标
信号功率 信号频率 相位噪声 杂波抑制 谐波抑制
23
图12 FFT(快速傅立叶变换)
24
2.2.2 扫描调谐式频谱仪：
这类频谱仪对输入信号按时间顺序进行调谐，因 此只能分析在规定的时间内频谱几乎不变化的周 期重复信号。 • 扫描射频调谐型频谱仪： 利用中心频率可电调的 带通滤波器来调谐和分辨输入信号。这类频谱仪 价格便宜，但分辨率、灵敏度都较差。
25
图13 扫频频谱仪
26
• 超外差式频谱仪： 应用最广泛的是超外差式频谱 仪，它是按外差方法选择所需频率分量，这种方 法固定中频，只改变本振频率，这类频谱仪频率 分百度文库率、灵敏度和测量频率范围都比较好。（工 作原理类似于AM收音机）
27
2.3 超外差式频谱分析仪
图14 传统超外差式频谱仪原理简图
30
图15 fLO= fIF +fsig
31
• c. 本振（LO）: 是一压控振荡器（VCO）,扫描发 生器调谐LO以使它的频率与斜波电压成比例。并 且扫描发生器同步视频信号的采样，以便根据输 入信号的频率校准显示器的水平（频率）轴。 • d. 低通滤波器： 防止高频信号进入混频器，同时 也抑制中频频率的信号进入混频器，以免产生假 响应。 比如：fIF =3.6GHz, fLO=3.6GHz~6.5HGz, fsig=0~2.9GHz 如果输入端同时有1GHz,8.2GHz信号， 对于1GHz fLO= fIF +fsig=4.6GHz 对于8.2GHz fLO= fIF -fsig=4.6GHz
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第二章 频谱仪工作原理
2.1 频谱仪定义
2.2 频谱仪分类 2.3 超外差式频谱分析仪
2.4 实际频谱仪的一些改进
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2.1 频谱仪定义
一切信号,不管它是编码型的、发射型的或 是其它什么类型的；不管是周期重复的、瞬态 的还是随机的，其基本参数之一就是频谱特性。 用于频域内分析这些信号参数的仪器叫做频谱 仪。或者说频谱仪是把信号的能量作频率的函 数显示出来的测量仪器。它实质上是一台被校 准于正弦波有效值的峰值响应的选频电平表。
图7 信号的频域指标
13
图8 器件三阶交调性能测试
14
图9 调制信号的矢量描述
15
图10 调制信号的误差
16
技术小结
根据信号的特性，可将信号分为： 非调制连续波信号（CW信号）； 调制信号 根据信号存在形式，可将信号分为： 连续稳定信号； 周期变化信号（例如：TDMA信号）； 瞬变信号等 分析CW信号，可利用时域和频域分析法； 分析调制信号精度，需进行解调分析； 分析周期变化信号，需利用选时分析能力； 分析瞬变信号，需具备存储分析功能。
频谱分析仪基础
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概要
• • • • • 第一章 信号分析简介 第二章 频谱仪工作原理 第三章 频谱仪面板介绍 第四章 频谱仪重要指标 第五章 频谱仪跟踪源简介
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第一章 信号分析简介
1.1 信号的分类 1.2 为什么要进行频域测量 1.3 频谱分析仪典型应用
4
1.1 信号的分类：
按表现形式分：连续波信号，模拟调制信号，数字 调制信号，噪声信号。 对信号的分析包括：时域分析，频域分析，调制域 分析。
28
2.3.1 功能单元简介
在讨论这些单元怎样一起工作前，先来了解一下 每一个部分： • a. RF输入衰减器： 是一个步进衰减器，位于输 入信号和第一个混频器之间，用于调节到达第一 个混频器的信号电平大小，以防止由于电平过高 或宽带信号引起混频器增益压缩或失真。
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• b. 混频器：三端口器件，把信号从一个频 率变换成另一个频率。输入信号有两个， 分别是输入信号fsig和本振信号fLO。由于 混频器是非线性器件，它的输出是这两个 频率的和或差。我们感兴趣是这两个频率 的差，即中频信号fIF，如图所示。 混频器调谐公式： fsig = fLO - fIF
描述信号最直接的途径是采用时域表征方式 （如示波器）。描述信号另一个途径是利用频 域表征方式，付式理论将时域和频域表征联系 起来，适当利用付式级数，付式变换和离散付 式变换（DFT）能将时域函数X（t）变换成频域 函数X（f）。
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频域测量仪器相对于时域测量仪器有一些优点： • a. 较之时域测量具有更高的灵敏度。由于窄带频 域测量带宽几乎可以被任意压缩，故能大大减少 测量中的噪声。窄带测量还能除去某些频率上的 强干扰信号。例如在测量正弦波谐波失真（示波 器不限百分之几，而频谱仪往往允许到0.01％）； • b. 某些系统原本就与频域有关，如：电信系统中 所用的频分复用系统（FDM）；
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2.2 频谱仪分类
• 按照工作原理分，频谱有两种基本的类型：实时 频谱仪和扫频调谐式频谱仪。 • 实时频谱仪包括多通道滤波器（并联型）频谱仪 和FFT频谱仪。 • 扫频调谐式频谱仪包括扫描射频调谐型频谱仪和 超外差式频谱仪。
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2.2.1 实时频谱仪
• 实时频谱仪能同时显示其现实频率内的所有频 率分量，而且保留了相位信息，不仅能分析周 期信号、随机信号，而且能分析瞬时信号，显 示相位关系。 a. 多通道频谱仪：信号同时送到每一个滤波器， 滤波器的输出表示输入信号中进该滤波器通带 内的那部分能量，显示出是各滤波器通带内的 信号的合成信号。 优点：速度快，可构成实时测量系统。 缺点：由于受滤波器数量及带宽限制，这类 频谱仪主要工作在音频范围。
21
b. FFT分析仪：
图11 FFT频谱仪简化框图
22
FFT频谱仪的核心：就是以函数进行付立叶变换的 数学计算为基础的计算机分析。能完成多通道滤 波器式频谱仪相同的功能。一般工作在 DC~100kHz的低频段。 优点：可测非周期信号，保留相位信息。 缺点：相对来说频率范围小、灵敏度低、动态范围 小。
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图1 AM信号
图2 FM信号
6
图3 连续波信号及噪声
图4 数字调制信号
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• 完整的信号分析内容
带内测试项目 信号频率 频道内（In-channel） 频道外（out of channel） 平均/峰值功率 调制精度 邻道功率比
带外测试项目 谐波 远端杂波
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1.2 为什么要进行频域测量？
10
• c. 多重信号在频域中更容易分离。利用频谱仪能区分这些 频率成分并精确加以测量，而用示波器则难以做到。如图 所示，在频域中信号的频率成分可很清楚的辨别出来。
时域分析
图5 时域与频域的关系
频域分析
11
1.3 频谱分析仪典型应用
图6 频谱分析仪典型应用
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信号的频域指标
信号功率 信号频率 相位噪声 杂波抑制 谐波抑制
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图12 FFT(快速傅立叶变换)
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2.2.2 扫描调谐式频谱仪：
这类频谱仪对输入信号按时间顺序进行调谐，因 此只能分析在规定的时间内频谱几乎不变化的周 期重复信号。 • 扫描射频调谐型频谱仪： 利用中心频率可电调的 带通滤波器来调谐和分辨输入信号。这类频谱仪 价格便宜，但分辨率、灵敏度都较差。
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图13 扫频频谱仪
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• 超外差式频谱仪： 应用最广泛的是超外差式频谱 仪，它是按外差方法选择所需频率分量，这种方 法固定中频，只改变本振频率，这类频谱仪频率 分百度文库率、灵敏度和测量频率范围都比较好。（工 作原理类似于AM收音机）
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2.3 超外差式频谱分析仪
图14 传统超外差式频谱仪原理简图
30
图15 fLO= fIF +fsig
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• c. 本振（LO）: 是一压控振荡器（VCO）,扫描发 生器调谐LO以使它的频率与斜波电压成比例。并 且扫描发生器同步视频信号的采样，以便根据输 入信号的频率校准显示器的水平（频率）轴。 • d. 低通滤波器： 防止高频信号进入混频器，同时 也抑制中频频率的信号进入混频器，以免产生假 响应。 比如：fIF =3.6GHz, fLO=3.6GHz~6.5HGz, fsig=0~2.9GHz 如果输入端同时有1GHz,8.2GHz信号， 对于1GHz fLO= fIF +fsig=4.6GHz 对于8.2GHz fLO= fIF -fsig=4.6GHz
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第二章 频谱仪工作原理
2.1 频谱仪定义
2.2 频谱仪分类 2.3 超外差式频谱分析仪
2.4 实际频谱仪的一些改进
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2.1 频谱仪定义
一切信号,不管它是编码型的、发射型的或 是其它什么类型的；不管是周期重复的、瞬态 的还是随机的，其基本参数之一就是频谱特性。 用于频域内分析这些信号参数的仪器叫做频谱 仪。或者说频谱仪是把信号的能量作频率的函 数显示出来的测量仪器。它实质上是一台被校 准于正弦波有效值的峰值响应的选频电平表。
图7 信号的频域指标
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图8 器件三阶交调性能测试
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图9 调制信号的矢量描述
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图10 调制信号的误差
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技术小结
根据信号的特性，可将信号分为： 非调制连续波信号（CW信号）； 调制信号 根据信号存在形式，可将信号分为： 连续稳定信号； 周期变化信号（例如：TDMA信号）； 瞬变信号等 分析CW信号，可利用时域和频域分析法； 分析调制信号精度，需进行解调分析； 分析周期变化信号，需利用选时分析能力； 分析瞬变信号，需具备存储分析功能。