1、江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院6.1 频率特性测试仪6.2 频谱分析仪器6.3 付里叶分析仪6.4 扫描式频谱仪6.5 频谱分析仪在频域测试中的应用6.6 谐波失真度测量6.7 调制度测量6.8 频谱仪的使用方法第第六六章章 频域测量仪器频域测量仪器江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院本章重点本章重点扫频信号的产生扫频信号的产生扫频法测量电路的幅频特性曲线扫频法测量电路的幅频特性曲线扫频外差式频谱显示技术扫频外差式频谱显示技术频谱仪的工作原理及其应用频谱仪的工作原理及其应用本章难点本章难点扫频测量技术
2、扫频测量技术外差式频谱仪工作原理外差式频谱仪工作原理第第六六章章 频域测量仪器频域测量仪器江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院6.1 6.1 频率特性测试仪频率特性测试仪扫频仪主要参数：扫频仪主要参数： 中心频率中心频率f0及可调范围；及可调范围；扫频频偏：扫频频偏：f表示调频信号在表示调频信号在f0+f范围内连续改变；范围内连续改变；扫频线性：指扫频信号频率变化规律与预定的扫频规律之扫频线性：指扫频信号频率变化规律与预定的扫频规律之间的吻合程度；间的吻合程度；频率标记：在幅频特性曲线上同时显示表示频率值的标记；频率标记：在幅频特性曲线上同时显示表示频率值的标记；扫频信号幅度：扫频仪输出的
3、等幅扫频信号的最大值。扫频信号幅度：扫频仪输出的等幅扫频信号的最大值。 6.1.1 6.1.1 概述概述江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院点频测量法线性系统频率特性的经典测量法 每次只能将加到被测线性系统的信号源的频率调节到某一个频点。依次设置调谐到各指定频点上，依次设置调谐到各指定频点上，分别测出各点处的参数，分别测出各点处的参数，再将各点数据连成完整的曲线，从而得到频率特性测量结果。 所得频率特性是静态的，无法反映信号的连续变化； 测量频点的选择对测量结果有很大影响，特别对某些特性曲线的锐变部分以及失常点，可能会因频点选择不当或不足而漏掉这些测
4、量结果。6.1.2 6.1.2 频率特性的测量法频率特性的测量法江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院扫频测量法 频率源的输出能够在测量所需的范围内连续扫连续扫描描，因此可以连续测出各频率点上的频率特性结果并立即显示特性曲线。优点：优点：扫频信号的频率连续变化，扫频测量所得的频率特性是动态频率特性，也不会漏掉细节。不足不足：如果输入的扫频信号频率变化速度快于系统输出响应时间，则频率的响应幅度会出现不足，扫频测量所得幅度小于点频测量的幅度。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院6.1.3 6.1.3 扫频测量技术扫频测量技术幅频特性的扫频测量法幅频特性
5、的扫频测量法u1示波器的水平扫描信号示波器的水平扫描信号 u2扫频信号，频率变化扫频信号，频率变化与扫描信号幅度变化同与扫描信号幅度变化同步。步。 u3电路输出信号，体现电电路输出信号，体现电路幅频特性路幅频特性u4检波器取出的包络信检波器取出的包络信号，其形状即是被测电号，其形状即是被测电路的幅频特性曲线路的幅频特性曲线. 江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院1.1.扫频源的基本工作原理扫频源的基本工作原理 能产生扫频输出信号的频率源称为扫频信号发生器或扫频信号源扫频信号源，简称扫频源。它既可作为独立的测量用信号发生器，又可作为频率特性测量类仪器的
6、前端。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院扫频源的基本工作原理（续）扫频源的基本工作原理（续） 典型的扫频源应具备下列三方面功能： 产生扫频信号扫频信号（通常是等幅正弦波）； 产生同步输出的扫描信号扫描信号，可以是三角波、正弦波或锯齿波等； 产生同步输出的频率标志频率标志，可以是等频率间隔的通用频标、专用于某项测试的专用频标及活动频标。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院2.2.扫频源的主要特性扫频源的主要特性 对扫频源通常的技术要求技术要求：在预定频带内有足够大的输出功率，且幅度稳定，以获得最大的动态范围
7、； 调频线性好，并有经过校正的频率标记，以便确定频带宽度和点频输出； 为使测量误差最小，扫频信号中的寄生振荡和谐波均应很小； 扫频源输出的中心频率稳定，并可以任意调节； 频率偏移的范围越宽越好，并可以任意调节。 江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院3. 扫频信号的主要工作特性扫频信号的主要工作特性 有效扫频宽度有效扫频宽度 所谓有效扫频宽度，就是指在扫频线和振幅平稳性能符合要求的前提下，一次扫频能达到的最大频率的覆盖范围。一次扫频时能获得的最高fmax和最低fmin的瞬时频率之差就是有效扫频宽度， 用 表示。 f江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学
8、院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院中心频率中心频率 中心频率是指在线性扫频时，频率变化是均匀的，称为频偏。中心频率为：中心频率范围中心频率范围指f0的变化范围，也就是扫频仪的工作频率范围。 即 称为相对扫频宽度。2minmax0fff0ffminmaxminmax02ffffff江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院振幅稳定性振幅稳定性 所谓振幅稳定性，就是指在幅频特性测试中，扫频仪输出的扫频信号的幅度的变化情况。理想情况下，扫频仪输出的扫频信号的幅度恒定不变。通常用寄生调幅系数寄生调幅系数M来表示扫频信号幅度的平稳性，寄生调幅系数越小，表示振
9、幅平稳性越高。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院振幅稳定性振幅稳定性 寄生调幅系数的检查，调节扫频宽度，在有效面积内，使扫频宽度为15MHz，旋转中心频率旋钮找一扫频线落差最大的地方，把最高点和最低点的高度分别记A、B，如图所示。那么M为：M= %100BABA江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院扫频速度（扫频速度（df/dt）：扫频信号的频率随时间的）：扫频信号的频率随时间的变化率变化率 。 扫频信号发生器被测电路峰值检波器扫描发生器XYv1v2v3v4v5关键环节4. 4. 扫频法的原理扫频法的原理 扫频仪的组成：扫频仪的组成：利用示波器的显示原理，把时间轴利用示波器的显示原理，
10、把时间轴变成频率轴。主要由四部分组成：扫频信号发生器变成频率轴。主要由四部分组成：扫频信号发生器、放大显示电路、频率标记发生器和电源。、放大显示电路、频率标记发生器和电源。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院 1)磁调制扫频磁调制扫频 它是利用非线性电感的调频方法，它具有寄生调幅小，相对它是利用非线性电感的调频方法，它具有寄生调幅小，相对扫频宽度大，电路简单等优点。缺点是需要调制功率大，大多采用扫频宽度大，电路简单等优点。缺点是需要调制功率大，大多采用电子管电路，并且用市电作为调制信号。如电子管电路，并且用市电作为调制信号。如BT3（0300M）磁调制扫频振荡器正是利用铁磁材料的导磁率随所
11、加的磁场强磁调制扫频振荡器正是利用铁磁材料的导磁率随所加的磁场强度而变化这一特性来实现扫频的。度而变化这一特性来实现扫频的。5. 5. 获得扫频信号的方法获得扫频信号的方法 磁调制扫频法的原理图如下图所示，图（磁调制扫频法的原理图如下图所示，图（a）中）中L2、C调谐回路调谐回路的谐振频率的谐振频率f0为为 CLf2021江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院式（式（6-1）中）中L 2为绕在高频磁芯为绕在高频磁芯MH上线圈的电感量，若上线圈的电感量，若能用时基系统产生的扫描信号改变能用时基系统产生的扫描信号改变L 2，也就改变了谐振，也就改变了谐振频
12、率。由电磁学理论可知，带磁芯线圈的电感量与磁芯频率。由电磁学理论可知，带磁芯线圈的电感量与磁芯的导磁系数的导磁系数0。成正比：。成正比： L2=0L (6-2)式（式（6-2）中）中L为空芯线圈的电感量。由于高频磁芯为空芯线圈的电感量。由于高频磁芯MH接接在低频磁芯在低频磁芯ML的磁路中，而绕在的磁路中，而绕在ML上的线圈中的电流上的线圈中的电流是交流和直流两部分的扫描电流，如图是交流和直流两部分的扫描电流，如图(6-8b)所示。当扫所示。当扫描电流随时间变化时，使得磁芯的有效导磁系数也随着描电流随时间变化时，使得磁芯的有效导磁系数也随着改变，再由式改变，再由式(6-1)、(6-2)可知，扫描
13、电流的变化就导致可知，扫描电流的变化就导致了了L2及谐振频率及谐振频率f0的变化，实现了的变化，实现了“扫频扫频”。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院2).变容二极管扫频变容二极管扫频 等效电路如图等效电路如图 jCNPsRNPjCV1jojnCCVV0jC变容管在零偏压时的电容。变容管在零偏压时的电容。VPN结的内建电位差，硅管结的内建电位差，硅管=0。6vn电容指数，决定于电容指数，决定于PN结中杂质结中杂质浓度的分布情况，对于突变结浓度的分布情况，对于突变结变容管，变容管， ，而超突变结变，而超突变结变容管容管12n 1n势垒电容与外加电压的关系：势垒电容与外加电压的关系：江苏科技
14、大学电信学院江苏科技大学电信学院工作原理：基于工作原理：基于PN结反向偏置时，结电容与偏结反向偏置时，结电容与偏 置电压有关这一原理置电压有关这一原理 制成的。制成的。变容二极管构成的振荡回路变容二极管构成的振荡回路扫描信号隔直电容偏置电压接振荡器变容管扫频振荡器的优点：变容管扫频振荡器的优点： 电路简单，频偏宽，对调制信号几乎不消耗功率电路简单，频偏宽，对调制信号几乎不消耗功率。它一般用。它一般用 于晶体管化的扫频仪中。于晶体管化的扫频仪中。L江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院 变容二极管法的基本思想是用变容二极管充当振荡回路中的电容，用扫描锯齿
15、波电压去控制变容二极管两端的电压，使其容量随之发生变化，从而使振荡频率随扫描锯齿波的电压变化而变化，而实现调频。图6-9(a)为BT3C频率特性测试仪的扫频振荡器电路。 图6-9(b)是等效电路。振荡电路是一个改进型的电容三点式振荡电路。由于电感L固定，其振荡频率主要由变容二极管的结电容决定。图6-9 扫频法的原理图 图6-9 扫频法的原理图 江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院扫描锯齿波电压加至两变容管V1与V2的中点，控制结电容的变化，使扫频振荡器的频率随锯齿波电压的变化而变化。锯齿波电压的幅度的大小可以改变扫频宽度，即改变扫频振荡器的频偏。改变
16、锯齿波的变化速率可改变扫频速度。图6-9 扫频法的原理图 江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院变容管扫频仪的组成及原理变容管扫 频发生器被测电路峰 值检 波 器 三 角 波扫描发生器XY江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院3)扫频信号的的特性应满足要求扫频信号的的特性应满足要求有足够的扫频范围，即有效的扫频宽度；有足够的扫频范围，即有效的扫频宽度；有良好的扫频线性集电结面积大于发射结面积；有良好的扫频线性集电结面积大于发射结面积；扫频范围可调，具有较好的实用性；扫频范围可调，具有较好的实用性；扫频信号的振幅稳定性较好；扫频信号的振幅稳定性较好；江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院6
17、. 稳幅电路稳幅电路江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院7. 输出衰减器输出衰减器 衰减器由两组构成：一组为粗调衰减器，采用10dB或20dB的步进方式；一组为细调衰减器，采用1dB或2dB的步进步进方式。总的衰减量可达70dB以上，利用衰减显示屏显示衰减的分贝数。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院8. 8. 频率标记频率标记 频率标记是扫频测量中的频率定度 。产生频标的基本方法是差频法，利用差频方式可产生一个或多个频标，频标的数目取决于和扫频信号混频的基准频率的成分。 所用的频率基准的频率稳定度和准确度
18、较高 频标幅度应基本一致、显示整齐 不包含杂频和泄漏进来的扫频信号 多种频标形式以满足不同的显示和测量需要 电路时延尽可能小以减小频率定度误差江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院频标信号产生电路频标信号产生电路 作用是产生具有频率标志的图形，以便作用是产生具有频率标志的图形，以便能在屏幕上直接读出某一点的频率值或某能在屏幕上直接读出某一点的频率值或某一段曲线的频率范围，频标信号通常采用一段曲线的频率范围，频标信号通常采用差频法产生。差频法产生。 江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院频率标记：用于频率值的标定，频率标记简称频标频率标记：用于频率值的标定，频率标记简称频标主要有四种方法（模
19、拟法）：主要有四种方法（模拟法）： 差频法、电压比较法、吸收法、选频法差频法、电压比较法、吸收法、选频法差频法：形成菱形频标，适用于高频扫频仪中。（频标宽差频法：形成菱形频标，适用于高频扫频仪中。（频标宽度）度）扫 频 信 号发 生 器标 准 信 号 发 生 器混 频 器带通滤波器放大器sfminmaxff谐波发生器snf1 2 3n 、江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院图6-14 菱形频标显示图 江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院9. 被测电路被测电路 被测电路是扫频仪所要测试的对象，不属于扫频仪的组
20、成部分。 扫频信号加至被测电路，检波探头（如果被测电路具备检波功能的，用非检波探头，幅频特性响应的信号直接送Y轴电路。）对被测电路的输出信号进行峰值检波，并将检波所得信号送往示波器Y轴电路，该信号的幅度变化正好反映了被测电路的幅频特性，因而在屏幕上能直接观察到被测电路的幅频特性曲线。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院10. 探头探头扫频仪随机带有两条输出电缆（即两个输出探头）和两条输入电缆（即两个输入探头），输出探头有开路探头和匹配探头，输入探头有检波探头和非检波探头。要根据被测电路的输入阻抗和电路的功能选择探头。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电
21、信学院 6.1.3 BT-3C6.1.3 BT-3C频谱特性测试仪频谱特性测试仪BT-3C扫频仪的主要技术参数扫频仪的主要技术参数 中心频率：中心频率：1300MHz范围任意调节；范围任意调节； 扫频宽度：最大频偏扫频宽度：最大频偏15MHz，最小频偏，最小频偏0.5MHz； 扫频非线性系数：小于扫频非线性系数：小于10%（扫频频偏在（扫频频偏在15MHz内）；内）； 输出扫频信号电压：大于输出扫频信号电压：大于0.5V（有效值）；（有效值）； 输出阻抗：输出阻抗：7520%。 频标信号：频标信号：1MHz/10MHz、50MHz、外接。、外接。 扫频信号衰减：粗衰减，扫频信号衰减：粗衰减，1
22、0dB7步进；细衰减，步进；细衰减，19dB步进；步进； 寄生调幅系数：小于寄生调幅系数：小于7%（扫频频偏在（扫频频偏在15MHz内）；内）； 检波探测器性能：输入电容不大于检波探测器性能：输入电容不大于5pF，最大允许直流电，最大允许直流电300V； 示波部分的垂直输入灵敏度：大于示波部分的垂直输入灵敏度：大于250mmV。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院原理框图原理框图有扫频信号产生电路、频标信号形成电路、扫描显示电路、衰减显示电路和电源供电电路五部分组成。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院面板控制说明面板控制说明1 电源按键电源按键2 亮度旋钮亮度旋钮3 X位移旋钮位移旋
23、钮4 X幅度旋钮幅度旋钮5 细衰减按键细衰减按键6 衰减指示屏衰减指示屏7 Y输入端口输入端口8 Y位移旋钮位移旋钮9 扫频输出端口扫频输出端口10 Y增益旋增益旋钮钮11 Y轴显示方式按键轴显示方式按键12 扫频方式按键扫频方式按键 13 频标方式按键频标方式按键14 扫频宽度旋钮扫频宽度旋钮15 频标幅度旋钮频标幅度旋钮 16 粗衰减按键粗衰减按键17 中心频率调节旋钮中心频率调节旋钮18 外频标输入接口外频标输入接口19 屏幕屏幕江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院BT-3C型扫频仪的使用方法型扫频仪的使用方法（1）电气性能的检查）电气性能的检查扫频范围的检查扫频范围的检查扫频频偏的
24、检查扫频频偏的检查寄生调幅系数的检查寄生调幅系数的检查扫频非线性系数检查扫频非线性系数检查扫频输出电压检查扫频输出电压检查江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院（2）使用方法）使用方法 接入电源，按下开关，预热接入电源，按下开关，预热15分钟，调节亮度进行电气性能分钟，调节亮度进行电气性能检查。检查。输出、输入电缆应尽量最短，。输出、输入电缆应尽量最短，。输出端带有检波的被测电路，不应带有检波探头；被测电路输出端带有检波的被测电路，不应带有检波探头；被测电路输出端带有直流时，应选用输出端带有直流时，应选用AC耦合；当被测电缆输入端带有直流耦合；当被测电
25、缆输入端带有直流电位时，应在输出电缆上接隔直电容。电位时，应在输出电缆上接隔直电容。需要特殊频标时，将需要特殊频标时，将“频标选择频标选择”置于外接，在置于外接，在“外接输入外接输入”端加入所需信号电压（大于端加入所需信号电压（大于50mV）。）。 “扫频方式扫频方式”置于置于“点频点频”位置，频偏最小，扫频仪可作为位置，频偏最小，扫频仪可作为一般信号发生器使用。一般信号发生器使用。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院6.2 6.2 频谱分析仪器频谱分析仪器6.2.0 6.2.0 概述概述江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院频谱仪的工作原理频谱仪的工作原理 频谱仪按其原理可分为数字式频
26、谱仪及模拟式频谱议频谱仪按其原理可分为数字式频谱仪及模拟式频谱议两大类两大类 数字式频谱仪江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院6.2. 1 频谱分析的基本概念广义上，信号频谱频谱是指组成信号的全部频率分量的总集；狭义上，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：频谱测量：在频域内测量信号的各频率分量，以获得信号的多种参数。频谱测量的基础是付里叶变换。 频谱的两种基本类型频谱的两种基本类型离散频谱（线状谱），各条谱线分别代表某个频率分量的幅度，每两条谱线之间的间隔相等连续频谱，可视为谱线间隔无穷小，如非周期信号和各种随机噪声的频谱江苏科
27、技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院2. 2. 周期信号的频谱特性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，即谱线代表的是基波及其高次谐波分量的幅度或相位信息；收敛性：各次谐波的幅度随着谐波次数的增大而逐渐减小。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院3 3 非周期信号的频谱频谱函数F (j)是的连续函数，即非周期信号的频谱是连续的。 无论f (t)为实函数或虚函数，幅度谱|F(j)|关于纵轴对称，相位谱e j()关于原点对称。 江苏科技大学电信学院江苏科
28、技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院4 4 离散时域信号的频谱离散时域信号的付氏变换（DFT） 一个非周期离散时间序列的付氏变换定义为： nnjjenfeF )(频谱频谱江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院5. 信号的频谱分析技术 频谱分析以付里叶分析为理论基础，可对不同频段的信号进行线性或非线性分析。信号频谱分析的内容：对信号本身的频率特性分析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，从而获得信号不同频率处的幅度、相位、功率等信息；对线性系统非线性失真的测量线性系统非线性失真的测量，如测量噪声、失真度、
29、调制度等。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院6.2.2 频谱分析仪的基本原理 频谱分析仪是使用不同方法在频域内对信号的电压、功率、频率等参数进行测量并显示的仪器。一般有FFT分析（实时分析）法、非实时分析法两种实现方法。 FFT分析法：在特定时段中对时域数字信号进行FFT变换，得到频域信息并获取相对于频率的幅度、相位信息。可充分利用数字技术和计算机技术，非常适于非周期信号和持非常适于非周期信号和持续时间很短的瞬态信号的频谱测量。续时间很短的瞬态信号的频谱测量。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院非实时分析
30、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。扫频式分析：使分析滤波器的频率响应在频率轴上扫描。 差频式分析（外差式分析）：利用超外差接收机的原理，将频率可变的扫频信号与被分析信号进行差频，再对所得的固定频率信号进行测量分析，由此由此依次获得被测信号不同频率成分的幅度信息。依次获得被测信号不同频率成分的幅度信息。这是频谱仪最常采用的方法。 江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院频谱分析仪的分类按分析处理方法分类：模拟式频谱仪、数字式频谱仪、模拟/数字混合式频谱仪；按基本工作原理分类：扫描式频谱仪、非扫描式
31、频谱仪；按处理的实时性分类：实时频谱仪、非实时频谱仪；按频率轴刻度分类：恒带宽分析式频谱仪、恒百分比带宽分析式频谱仪；按输入通道数目分类：单通道、多通道频谱仪；按工作频带分类：高频、射频、低频等频谱仪。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院6.3 6.3 付里叶分析仪 付里叶分析仪将输入信号数字化，再对时域数付里叶分析仪将输入信号数字化，再对时域数字信息进行字信息进行FFT变换以获得频域表征，属于数字式变换以获得频域表征，属于数字式频谱仪。由于采用微处理器或专用集成电路，速度频谱仪。由于采用微处理器或专用集成电路，速度明显超过传统的模拟式扫描频谱仪，能
32、进行实时分明显超过传统的模拟式扫描频谱仪，能进行实时分析；但它同时受析；但它同时受A/D转换器件的指标限制，通常带转换器件的指标限制，通常带宽是有限的，工作频段较低。宽是有限的，工作频段较低。 江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院6.3.1 FFT分析仪原理 FFT分析仪原理及组成 输入信号首先经过可变衰减器以提供不同的幅度测量范围，然后经低通滤波器除去仪器频率范围之外的高频分量。接下来对信号进行时域波形的采样和量化，转变为数字信息。最后由微处理器利用FFT计算波形的频谱，并将结果显示出来。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院
33、江苏科技大学电信学院FFT分析仪的特点 FFT FFT的基本特性的基本特性 FFT是一种面向记录的算法。将N个采样点作为时间记录输入，得到N个节点的频谱输出，输出记录的复数值同时包含幅度、相位信息。各节点之间的频率间隔fstep由时间记录长度N和采样频率fS决定： fstep=fS /N，第n个节点对应的频率值为fn=fSn/N。 FFT形成的频谱相对于折叠频率ff（ff = fS /2）对称,只需保留（N/2）+1个有效节点，对应于频率从0到fS /2 ，故FFT的输出频率范围为0fS /2，类似于低通滤波。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院 F
34、FTFFT分析仪中的数字混频分析仪中的数字混频 FFT实质上是基带变换，对窄带带通信号有所限制。通过数字混频可实现频谱仪分析频带的选择：借助混频器将ADC的输出与数字正弦波在时域中相乘，则在频域内可实现频谱搬移。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院FFT分析仪数字混频框图模模拟拟滤滤波波取取样样电电路路ADCsfFFT数数字字信信号号处处理理器器数数字字滤滤波波数数字字正正弦弦波波江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院频率分辨率：采样频率一定时，FFT的点数越多，频率分辨率越高。频率分辨率f、采样频率fS和分
35、析点数N三者之间的关系为f=fS/N。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院 降数据率抽取与抗混叠滤波 要提高FFT分析仪的频谱分辨率，可采取降低采样速率fS，或增加FFT分析点数的措施。过低的fS会引起频谱混叠、减小分析带宽，还会导致信噪比下降；FFT的分析点数也不能无限增大，因为过大的数据量使数字信号处理器的负担过重，过长的计算时间也会影响显示刷新速度。 解决方案：在不改变fS和N的前提下对数字信号进行抽取，以此降低数据率。同时还需对抽取后的数据进行滤波，以免频谱混叠。使用数字滤波器可以同时实现抽取和滤波。频率分辨率：频率分辨率：采样频率一定采样频
36、率一定时，时，FFT的点的点数越多，频率数越多，频率分辨率越高。分辨率越高。频率分辨率频率分辨率f、采样频率采样频率fS和和分析点数分析点数N三三者之间的关系者之间的关系为为f=fS/N。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院 频谱泄漏及其处理频谱泄漏及其处理 FFT在原理上是采用有限长的时间记录进行付氏变换，并在总体上不断重复以代表对无限长实际序列的积分。然而在重复波形时，某些波形的形状和相位可能会有瞬变，这种情况下的FFT频谱与付氏变换积分的结果有较大差异，频谱图中会看到谱线的频率范围变宽，这就是频谱泄漏。 常用解决办法是使用窗函数与时间记录使用窗
37、函数与时间记录相乘，相乘，即强迫波形在有限长度的时间记录之外变为零，于是波形不再有瞬变现象。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院FFT分析仪的性能指标 FFT分析仪的信号先在时、频域两个方向上离散化，再对离散序列中N个采样数据（记录）进行分析，所得频谱与周期信号理论上的线谱具有不同的意义，因此需要不同的评价指标。 频率特性频率特性 频率范围：由采样频率fS决定。为防止频谱混叠，一般采用过采样： fS 2.56 fmax ，其中fmax为待分析信号的最高频率。最高fS由ADC的性能决定。 频率分辨率：采样频率一定时，FFT的点数越多，频率分辨率越高。频
38、率分辨率f、采样频率fS和分析点数N三者之间的关系为f=fS/N。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院 幅度特性 动态范围：取决于ADC的位数、数字数据运算的字长或精度。 灵敏度：取决于本底噪声，主要由前置放大器噪声决定。 幅度读数精度：幅度谱线的误差来源包括计算处理误差、频谱混叠误差、频谱泄漏误差以及每次单个记录分析所含的统计误差等。其中统计误差与信号处理方法、谱估计方法、统计平均方法及次数有关，往往需要在改变设置和多次分析之后才能获得较好结果。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院 分析速度 主要取决于N
39、点FFT的运算时间、平均运行时间及结果处理时间。若是实信号的功率谱计算，则速度可以提高一倍。 其他特性 可选的窗函数种类；数据触发方式；显示方式；结果存储、输入/输出功能等。 江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院6.3.2 FFT分析仪的实现 FFT分析的硬件实现可选方案：ASIC、FPGA、DSP选择准则：可编程性、集成度、开发周期、性能、功耗可编程可编程性性集成集成度度开发周开发周期期性能性能功耗功耗ASIC低低较低较低短短较好较好中中FPGA较高较高高高最长最长两者两者相当相当低低DSP最高最高高高较长较长高高江苏科技大学电信学院江苏科技大学电
40、信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院集成电路界ASIC被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。 FPGA是ASIC的近亲，一般通过原理图、VHDL对数字系统建模，运用EDA软件仿真、综合，生成基于一些标准库的网络表，配置到芯片即可使用。它与ASIC的区别是用户不需要介入芯片的布局布线和工艺问题，而且可以随时改变其逻辑功能，使用灵活。 江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院FFT的硬件实现（续） 选用哪种方案实现频谱分析？ ASIC：提供有限的可编程性和集成水平，通常可为某项固定功能提供最佳解决方案； FPGA：可为高度并行或涉及线性处理的高速
41、信号处理提供最佳解决方案，如数字滤波器等的设计； DSP：可为复杂决策分析等功能提供最佳可编程解决方案，如FFT这样具有顺序特性的信号处理。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院滤波式频谱分析技术 滤波式频谱分析仪原理及分类 基本原理：先用先用带通滤波器选出待分析信号，然后用检波器然后用检波器将该频率分量变为直流信号，再送到再送到显示器将直流信号的幅度显示出来。为显示输入信号的各频率分量，带通滤波器的中中心频率是多个或可变心频率是多个或可变的。 6.4 扫描式频谱仪江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院档级滤波
42、式频谱仪 也叫顺序滤波频谱仪，由多个通带互相衔接的通带互相衔接的带通滤波器带通滤波器和共用检波器共用检波器构成。用多个频率固定且相邻的窄带带通滤波器阵列来区分被测信号的各种频率成分，因此得以全面记录被测信号。 前置前置放大器放大器窄带滤波器窄带滤波器窄带滤波器窄带滤波器窄带滤波器窄带滤波器窄带滤波器窄带滤波器门门门门门门门门脉冲分配器脉冲分配器脉冲脉冲发生器发生器阶梯波阶梯波发生器发生器X放大放大Y放大放大ux检波检波江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院并行滤波式频谱仪 与档级滤波式的区别在于每个滤波器之后都有各自的检波器，无需电子开关切换及检波建立
43、时间，因此速度快，能够满足实时分析的需要速度快，能够满足实时分析的需要。但是可显示的频谱分量数目取决于滤波器的数目，所以需要大量的滤波器。Y放放大大前前置置放放大大器器窄窄带带滤滤波波器器窄窄带带滤滤波波器器窄窄带带滤滤波波器器窄窄带带滤滤波波器器检检波波器器检检波波器器检检波波器器检检波波器器电电子子扫扫描描开开关关扫扫描描发发生生器器X放放大大ux江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院扫频滤波式频谱仪 实质是一个中心频率在整个宽带频率范围内可中心频率在整个宽带频率范围内可调谐调谐的窄带滤波器。当它的谐振频率改变时，滤波器就分离出特定的频率分量。 视
44、视频频检检波波器器X放放大大Y放放大大ux 电电调调谐谐滤滤波波器器锯锯齿齿波波发发生生器器江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院数字滤波式频谱仪江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院uxA/D数数据据缓缓存存数数字字滤滤波波器器数数字字检检波波平平均均显显示示时时基基地地址址控控制制江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院6.5 频谱分析仪在频域测试中的应用 除了完成幅度谱、功率谱等一般的测除了完成幅度谱、功率谱等一般的测量功能外，频谱仪还能够用于对如相位噪声、量功能外
45、，频谱仪还能够用于对如相位噪声、邻道功率、非线性失真、调制度等频域参数邻道功率、非线性失真、调制度等频域参数进行测量。进行测量。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院6.5.1 脉冲信号测量 脉冲信号是雷达和数字通信系统中的一类重要信号，它的测量比连续波形困难。如果采用窄分辨带宽进行频谱测量，将呈现出离散的谱线；如果采用较宽的分辨带宽，这些谱线就会连成一片。可见，不同的频谱仪设置可能对同一个脉冲信号的测量结果产生不同影响。江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院脉冲信号测量原理 单脉冲的付氏变换具有采样函数的曲线
46、形状： 2222sin fffV tTnTnTnTTtxn 2cossin21 江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院脉冲信号测量原理（续） 脉冲信号V(f)的谐波位于波形基频（即1/T的整数倍）处，波形频率称为脉冲重复频率PRF，有PRF=1/T。谐波的总体形状或包络与单脉冲的付氏变换相同，呈现采样函数特性，并在1/的整数倍处出现频谱包络的零点。TtfV(f)1/T1/2/ 时域中的重复脉冲时域中的重复脉冲 频域中的脉冲串频谱频域中的脉冲串频谱江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院6.6.1 谐波失真度的定义
47、 非线性失真亦称谐波失真，简称失真非线性失真亦称谐波失真，简称失真。一定频率的信号通过网络后往往会产生新的频率分量，这种现象被称为该网络的非线性失真非线性失真；一个信号的实际波形与理想波形有差异，这种差异被称为信号的非线性失非线性失真真。线性电路意味着频域中的输出信号应具有与输入信号相同的频率，而由输入信号所产生的任何其他频率都被视为是非线性失真。6.6 谐波失真度测量江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院失真模型 产生失真的器件大都是线性器件，只表现出轻微的非线性。这种失真可用幂级数幂级数来模拟： ninninininoutVkVkVkVkkV 33
48、2210其中其中k0：系统输出直流分量；：系统输出直流分量；k1：电路增益；：电路增益；k2及以及以上的其余系数：电路的非线性特性。上的其余系数：电路的非线性特性。如果电路是完如果电路是完全线性的，则除全线性的，则除k1之外的所有系数均应为之外的所有系数均应为0。 由于对渐变形式的非线性，由于对渐变形式的非线性，kn的大小随的大小随n增大而增大而迅速变小，只有二次、三次效应起决定作用。故可迅速变小，只有二次、三次效应起决定作用。故可忽略上式中忽略上式中k3以后的各项，因而得到以后的各项，因而得到简化失真模型简化失真模型： 332210inininoutVkVkVkkV 江苏科技大学电信学院江苏
49、科技大学电信学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院单音、双音输入 单音输入 单音信号即一个单一频率的纯正弦波单音信号即一个单一频率的纯正弦波，将它作为输入信号并测量输出信号的频率成分，可进行最简单的系统失真情况的测试。 将单音信号Vin=Acost 代入简化失真模型式中：单音信号的输出中包含了直流分量、基波及二次、三单音信号的输出中包含了直流分量、基波及二次、三次谐波。次谐波。 tAktAktAkAkAkkttAktAktAkkVout 3cos412cos21cos4321 3cos41cos432cos121cos3322331220332210 江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信
50、学院江苏科技大学电信学院江苏科技大学电信学院单音、双音输入（续1） 由单音信号的输出可以看到： 直流分量受失真模型二次系数直流分量受失真模型二次系数k k2 2的影响，基的影响，基波幅度受三次系数波幅度受三次系数k k3 3的影响；的影响； 基波幅度主要与输入信号幅度A成正比，二次谐波的幅度与A2成正比，三次谐波幅度与A3成正比。 使用分贝（dB）表示幅度，有意味着输入信号电平每变化意味着输入信号电平每变化1dB1dB，基波也将近似变化，基波也将近似变化1dB1dB，二次谐波将改变，二次谐波将改变2dB2dB，三次谐波将改变，三次谐波将改变3dB3dB。 dBdBAAAAA3log203A20
