1、第第7章章 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 一、概述一、概述 二、信号（时频对应关系）二、信号（时频对应关系）三、频谱分析仪的分类三、频谱分析仪的分类 四、顺序滤波式频谱分析仪四、顺序滤波式频谱分析仪 五、五、FFT分析仪分析仪 六、六、外差式频谱分析仪外差式频谱分析仪 一、概 述n频域测试和时域测试的关系频域测试和时域测试的关系n频域测试的主要内容频域测试的主要内容 信号的频谱分析信号的频谱分析 基波、谐波、寄生调制、相位噪声、非相干寄生基波、谐波、寄生调制、相位噪声、非相干寄生信号（杂散）信号（杂散）信号调制情况分析信号调制情况分析 频谱监测频谱监测n频域测试的典型仪器频域测试的典型仪器频谱
2、分析仪频谱分析仪 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理n 频谱分析仪频谱分析仪 也称为信号分析仪也称为信号分析仪n 网络分析仪网络分析仪用于对电子网络的频率响应特性进行分析用于对电子网络的频率响应特性进行分析n 失真度分析仪失真度分析仪用于测量音频电路的失真用于测量音频电路的失真n 射频功率计射频功率计用于精确测量音频和微波信号的功率电平用于精确测量音频和微波信号的功率电平 一、概 述（续）第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理1、时域和频域的关系、时域和频域的关系 时域：横坐标是时间轴时域：横坐标是时间轴 频域：横坐标是频率轴频域：横坐标是频率轴 -从不同角度来描述信号的特征从不同角度来描
3、述信号的特征-具有相同频谱的两个信号，可能在时域具有相同频谱的两个信号，可能在时域 上显示是不同波形的信号上显示是不同波形的信号 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理2、信号的傅立叶分析、信号的傅立叶分析（回顾）（回顾）傅立叶变换和反变换傅立叶变换和反变换 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理 ttxtxFfXftdej2f ffXfXFtxftdej2ff1对于周期信号：对于周期信号：n 周期信号在频域中为离散的谱线周期信号在频域中为离散的谱线n 非周期信号在频域中为连续的谱线非周期信号在频域中为连续的谱线 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理
4、10100cossin2nnnntnBtnAAtx常见信号的频谱常见信号的频谱 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理n 按频率范围按频率范围 -音频范围（音频范围（AF）到到1MHz左右左右 -射频范围（射频范围（RF）到到3GHz左右左右 -微波范围微波范围到到40GHz左右左右 -毫米波范围毫米波范围超过超过40GHzn 按照实现方式按照实现方式 -顺序滤波式顺序滤波式 -FFT分析仪分析仪 -外差式频谱分析仪外差式频谱分析仪 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理特点：实时显示，但需要大量的滤波器特点：实时显示，但需要大量的滤波器四、顺序滤波式频谱分析仪四、顺序滤波式频谱分析仪前置前置
5、放大器放大器检波器检波器阶梯波阶梯波扫描发生器扫描发生器S信号输入信号输入 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理四、顺序滤波式频谱分析仪（续）四、顺序滤波式频谱分析仪（续）问问 题：题：n 滤波器带宽决定了对于频率分辨率滤波器带宽决定了对于频率分辨率 例如：例如：100Hz带宽，表示每根谱线有带宽，表示每根谱线有100Hz的不确的不确定性；定性；两根频谱间距小于两根频谱间距小于100Hz则无法区分，此时则无法区分，此时的谱线表示了在的谱线表示了在100Hz频带内的总能量频带内的总能量n 如何解决滤波器数量太多、不一致性问题如何解决滤波器数量太多、不一致
6、性问题 中心频率可调的模拟滤波器？中心频率可调的模拟滤波器？FFT分析？分析？外差式频谱分析仪？外差式频谱分析仪？Page 230n 扫频滤波式频谱仪扫频滤波式频谱仪问题：中心频率可调，但范围宽、一致性好的滤波器问题：中心频率可调，但范围宽、一致性好的滤波器 难以实现难以实现 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理五、五、FFT分析仪分析仪n FFT分析仪，也称为动态信号分析仪分析仪，也称为动态信号分析仪n 利用利用FFT来实现信号频谱成分的测量来实现信号频谱成分的测量 通过通过ADC,以设定以设定采样率采样率来采样来采样 FFT计算计算 将结果以图形显示出来将结果以图形显示出来 第八章第八章
7、 频谱分析原理频谱分析原理n FFT分析仪的理论基础分析仪的理论基础 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理 10/j2 seNnNknnTxkX频率分量频率分量 离散傅立叶变换（离散傅立叶变换（DFT）ss1TNkNfkkf（1）被采样的信号必须有周期性（周期）被采样的信号必须有周期性（周期T0）；）；（2）观察时间必须是被采样信号周期）观察时间必须是被采样信号周期T0的整数倍。的整数倍。n FFT分析仪的采样分析仪的采样 根据奈奎斯特采样定律，采样频率应至少高于输入信号根据奈奎斯特采样定律，采样频率应至少高于输入信号最高频率的两倍最高频率的两倍 ，信号才可以被不失真的恢复。否则，产，信号才
8、可以被不失真的恢复。否则，产生混叠。生混叠。第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理n 前置的低通滤波器前置的低通滤波器n fs大于大于2.56 fcn 有限次采样有限次采样 加窗加窗 不可能无限次采样，有限次采样相当于 加矩形窗，导致泄露现象，幅度和频率的误差 采用其他窗函数 或者采用频率校正算法 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理n FFT分析仪的性能指标分析仪的性能指标（1）频率特性）频率特性 频率范围频率范围 fs2.56fmax,常见常见 10MHz 采样速率采样速率 由由ADC的速度决定的速度决定 频率分辨力频率分辨力 频率间隔为频率间隔为fs/N（2）幅度特性）幅度特性 动态范
9、围动态范围 由由A/D的位数决定，位数和转换速度矛盾，的位数决定，位数和转换速度矛盾，导致动态范围与最大输入频率是矛盾的导致动态范围与最大输入频率是矛盾的 例如：例如：100KHz带宽时动态范围可达带宽时动态范围可达100dB 灵敏度和精度灵敏度和精度 本机噪声、量化噪声、计算误差等本机噪声、量化噪声、计算误差等 例如：例如：1.5dB,+271.5dB,+27-120dBV-120dBV 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理n FFT分析仪的性能指标分析仪的性能指标（3）分析速度）分析速度 取决于取决于FFT运算、处理时间运算、处理时间（4）其他特性）其他特性 通道数、窗函数种类、平均计算
10、等通道数、窗函数种类、平均计算等 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理六、外差式频谱分析仪六、外差式频谱分析仪 用滤波器依次选出各个频率，测量此频率信号的幅度，得到频谱用滤波器依次选出各个频率，测量此频率信号的幅度，得到频谱1、扫描滤波式频谱分析仪、扫描滤波式频谱分析仪：放大器电调信号（锯齿波）显示器放大器检波器电调谐滤波器 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理优点：结构简单，价格低廉。由优点：结构简单，价格低廉。由于没有混频电路避免了镜像信号于没有混频电路避免了镜像信号缺点：中心频率可调且调整范围缺点：中心频率可调且调整范围很宽的窄带滤波器难以实现
11、很宽的窄带滤波器难以实现，工，工作频带较窄，而且灵敏度低作频带较窄，而且灵敏度低 解决办法：外差式频谱仪解决办法：外差式频谱仪输入频谱输入频谱fxifo 扫频扫频本机振荡器本机振荡器fL（t）xiLoftff )(第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理2、外差式频谱分析仪、外差式频谱分析仪（1）、工作原理：）、工作原理：输入信号频谱：输入信号频谱：fx1 fx2 fxn 扫描扫描电压发生器电压发生器扫频振荡器扫频振荡器fL（t）（可变）（可变）混频器混频器fo=fL（t）-fxn滤波器滤波器检波器检波器显示器显示器 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理结论：结论：扫频外差式频谱仪对被分析的频
12、谱是一个一个扫频外差式频谱仪对被分析的频谱是一个一个顺序采样，所以不是实时检测和显示；顺序采样，所以不是实时检测和显示；由于采用外差接收方法，所以不用大量的滤由于采用外差接收方法，所以不用大量的滤波器波器，这是优于顺序法的特点之一；，这是优于顺序法的特点之一；频谱仪的性能是否良好，与本机振荡器的频率频谱仪的性能是否良好，与本机振荡器的频率稳定度直接相关，故采用锁相频率合成技术，使本稳定度直接相关，故采用锁相频率合成技术，使本机振荡器频率稳定。机振荡器频率稳定。由于中频滤波器以后的电路频带较窄，有利于提高放由于中频滤波器以后的电路频带较窄，有利于提高放大器增益和整机灵敏度；大器增益和整机灵敏度；
13、整机频谱分析仪的频率覆盖范围可以大幅度提高整机频谱分析仪的频率覆盖范围可以大幅度提高 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理典型外差式频谱仪的框图（2）外差式频谱仪的主要参数 频率显示范围（起始和终止频率）电平显示范围（参考电平）分辨率带宽（中频滤波器的3dB带宽）扫描时间（3）外差式频谱分析仪各模块的原理和功能 A、输入电路 输入阻抗：75或50 射频衰减器：060dB 步进 输入滤波器：低通，抑制镜像干扰B、混频器IFinLOfff当当fin=fLO+fIF或或fin=fLO-fIF 时，不能区分，时，不能区分，称为镜像频率。解决办法，混频前加滤波器称为镜像频率。解决办法，混频前加滤波器镜
14、像频率之间的频差为镜像频率之间的频差为2fIF。中频的选择：低中频和高中频中频的选择：低中频和高中频低中频频率范围大于频率范围大于2倍中频时，有重叠倍中频时，有重叠高中频inLOIFfffC、本振 变容二极管（连续）扫频宽度小扫频宽度小 磁调制 （连续）扫频宽度大扫频宽度大 锁相环式或者直接数字合成式频率合成器 （频率稳定度高，频率稳定度高，步进，要求步长小于RBW的1/10）D、二次变频 高中频的窄带滤波器很难实现 E、中频滤波器 分辨率带宽（RBW）：滤波器的3dB带宽 正弦波的频谱显示不是一根谱线，而是滤波器的通带特性曲线扫频时的效果：扫频时的效果：以中心频率可调的固定带宽滤波器扫过整个
15、测量频率以中心频率可调的固定带宽滤波器扫过整个测量频率常见常见RBW：10Hz、30Hz、100Hz、300Hz、1kHz、3kHz、10kHz、30kHz、100kHz、300kHz、1MHz、3MHz 决定频率分辨率决定频率分辨率-RBW影响频谱仪显示的噪声电平影响频谱仪显示的噪声电平影响测试速度影响测试速度F、检波器 作用：把中频信号变成直流信号 类型：峰值检波、平均值检波、有效值检波和准峰值检波器 显示方式：最大、最小、自动、正常、取样、平均 G、视频滤波器（VBW）作用：低通滤波器，用于滤除包络信号中的噪声，平滑显示轨迹 对扫频速度有影响 选择：信噪比大时：VBW=RBW 信噪比小时
16、：VBW10*RBW（4）、外差式频谱分析仪的主要工作特性 A、频率分辨率频率分辨力频率分辨力静态分辨力静态分辨力动态分辨力动态分辨力BqBd定义：频谱仪的分辨力是指能够分辨的最小谱线间隔。定义：频谱仪的分辨力是指能够分辨的最小谱线间隔。即幅频特性的即幅频特性的3dB带宽。带宽。左图：观察到的谱线。左图：观察到的谱线。右图：右图：3dB带宽过宽，带宽过宽，分辨力太低时的图形。分辨力太低时的图形。动动态态特特性性和和静静态态特特性性的的关关系系ak 动态特性和静态特性的关系结论动态特性和静态特性的关系结论动态特性曲线的最大值比静态特性曲线最大值小，且扫动态特性曲线的最大值比静态特性曲线最大值小，
17、且扫频速度频速度越快，降低得越多越快，降低得越多 动态特性曲线最大值出现的频率将偏离谐振频率动态特性曲线最大值出现的频率将偏离谐振频率fo，并向，并向频率频率f增加的变化方向移动，且随增加的变化方向移动，且随的加快（即的加快（即k减小）其减小）其偏离增大。偏离增大。ak 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理动态特性和静态特性的关系结论（续）动态特性和静态特性的关系结论（续）动态特性曲线是不对称的，而且还可能出现振荡现象动态特性曲线是不对称的，而且还可能出现振荡现象。动态特性曲线比静态特性曲线较钝，带宽增大动态特性曲线比静态特性曲线较钝，带宽增大。akBd/BqBdBd0kqBK 0.511.
18、5 22.512345000.5122.0 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理结论结论左图：左图：Bq固定，固定，Bd与扫速关系与扫速关系 kBd/BqBd动态分辨动态分辨力下降力下降右图：扫频速度右图：扫频速度 固定，固定，Bd与与Bq关系曲线关系曲线Bq宽，宽，k1即即 较小时较小时,Bq Bd选择窄的选择窄的Bq有助于提高动态分辨力。有助于提高动态分辨力。Bq窄窄,k1即即 较大时，较大时，BqBd选择窄的选择窄的Bq反而使动态分辨力降低。反而使动态分辨力降低。最佳动态分辨力：最佳动态分辨力：最小的最小的Bd（k=1）第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理B、灵敏度和动态范围、灵敏度
19、和动态范围灵敏度：频谱仪显示微弱信号的能力灵敏度：频谱仪显示微弱信号的能力 取决于仪器的内部噪声取决于仪器的内部噪声（决定于带宽）（决定于带宽）一般为一般为-80-130dB 动态范围：表征频谱仪同时显示大信号和小信号频谱动态范围：表征频谱仪同时显示大信号和小信号频谱 的能力的能力 上限由非线性失真所决定，下限由频谱分析仪的噪声电上限由非线性失真所决定，下限由频谱分析仪的噪声电平决定平决定 60dB以上，可高达以上，可高达90dB 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理不同带宽和衰减下的噪声电平1kHz RBW10kHz RBW100kHz RBW10dB10dBC、扫频宽度和分析时间、扫频宽
20、度和分析时间 扫频宽度（或分析谱宽）：频谱仪在一次分析过程中扫频宽度（或分析谱宽）：频谱仪在一次分析过程中所显示的频率范围。所显示的频率范围。分析时间：完成一次频谱分析所需的时间分析时间：完成一次频谱分析所需的时间 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理（5）参数之间的依赖关系）参数之间的依赖关系 扫描时间、频率跨度、分辨率带宽和视频带宽扫描时间、频率跨度、分辨率带宽和视频带宽 RBW、VBW和扫描时间通常情况下是联动和扫描时间通常情况下是联动 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理2RBWSPANK 扫描时间 参考电平与射频衰减参考电平与射频衰减 RF衰减器与参考电平联动衰减器与参考电平联动
21、 射频衰减器射频衰减器ARF和中频增益和中频增益GIF可作为参考电平的可作为参考电平的函数自动调整函数自动调整 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理频谱分析仪的典型技术参数频谱分析仪的典型技术参数n 频率测量范围：频率测量范围：9KHz-3.6GHzn 幅度测量范围：幅度测量范围：+25-150dBmn 平均噪声电平平均噪声电平DANL：150dBmn 动动 态态 范范 围：围：80dBn 幅幅 度度 精精 度：度：0.65dB0.65dBn 频率扫描时间：频率扫描时间：1ms 2000s 1ms 2000s n 分辨率带宽分辨率带宽 ：1Hz 8MHz(10%1Hz 8MHz(10%步进步
22、进)第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理使用频谱仪时主要设置的工作参数使用频谱仪时主要设置的工作参数:（1）频率显示范围）频率显示范围:中心频率中心频率CF和频率跨度和频率跨度Span（2）电平显示范围：参考电平）电平显示范围：参考电平 Ref level（4）视频带宽：）视频带宽：VBW（5）光标：）光标：Marker（3）频率分辨率：分辨率带宽（中频滤波器带宽）频率分辨率：分辨率带宽（中频滤波器带宽）RBW 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理4、频谱仪的发展趋势、频谱仪的发展趋势 n 高频频谱仪高频频谱仪数字滤波器和数字滤波器和FFT取代模拟中频滤波器，使宽带分析时取代模拟中频滤波器，使宽带分析时的频率分辨力大为提高，可达的频率分辨力大为提高，可达0.0045Hz 频率上限已扩展到数百频率上限已扩展到数百GHz 采用频率合成器作为调谐本振，频率稳定度达到采用频率合成器作为调谐本振，频率稳定度达到10-9/日日 n 低频频谱仪低频频谱仪数字化的实时频谱分析仪数字化的实时频谱分析仪 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理本章作业本章作业 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理7-5、7-6、7-8、7-10、选作思考题：选作思考题：7-14
