1、第五章頻譜分析儀測量,頻譜分析儀測量及噪聲測量,第一節(jié)定義第二節(jié)幾種常見信號(hào)頻譜單脈沖,周期脈沖,調(diào)幅波第三節(jié)頻譜分析儀介紹及其主要性能參數(shù)重點(diǎn):分辨帶寬補(bǔ)充:有關(guān)分辨力的一些問題第四節(jié)幾種測試頻率功率相位噪聲等參數(shù)測試重點(diǎn)講噪聲系數(shù)的測量第五節(jié)噪聲測量,2,電子信號(hào)表述,S（t）=A（t）COS（t）t+（t）參數(shù)：S（t）電子信號(hào)的時(shí)域表述A（t）電子信號(hào)的振幅（t）電子信號(hào)的角頻率（t）電子信號(hào)的相位,由于所有的電信號(hào)都可以有一系列正弦波組合而成，即正弦波是最基本的電信號(hào)。正弦波一般表達(dá)式可以這樣表示。,第一節(jié)定義,問題:1.什么是頻譜分析儀2.為什么要用頻譜分析儀,4,時(shí)域,頻域,傅里

2、葉變換,d,頻域和時(shí)域關(guān)系圖,5,FrequencyversusTimeDomain,6,f（t）,t,V（f）,f,f（t）,t,t,f（t）,V（f）,V（f）,f,f,時(shí)域波形,頻域波形,可以給頻譜儀下如下定義:頻譜儀是一種把射頻和微波信號(hào)顯示成頻率的函數(shù)的儀器.,7,信號(hào),時(shí)域分析：示波器,頻域分析：頻譜儀,信號(hào)周期升降沿峰值電壓,信號(hào)頻率諧波分量信號(hào)功率寄生、交調(diào)信號(hào)邊帶,時(shí)域,頻域,傅里葉變換,第二節(jié)幾種常見信號(hào)頻譜,最單純的信號(hào)是理想正弦波,大的頻譜是一根單一的譜線,其它所有非正弦周期信號(hào)都可用傅氏級(jí)數(shù)展開為一系列正弦諧波的總和.,9,Voltage,Time,Voltage,F

3、requency,SpectrumAnalyzer,Oscilloscope,5.2.1單個(gè)脈沖,10,波形曲線,頻譜分布,5.2.2周期性脈沖頻譜,11,5.2.3調(diào)幅波,12,12,第三節(jié)頻譜分析儀介紹及其主要性能參數(shù),13,動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀,掃頻頻譜分析儀,信號(hào)頻譜分析,概述動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀與掃頻頻譜分析儀,實(shí)時(shí),非實(shí)時(shí),概述頻譜分析儀的不同類型,并聯(lián)濾波器同時(shí)測量,LCD顯示總的頻譜,A,f,f,1,f,2,多通道濾波器式分析儀,可以完成實(shí)時(shí)頻譜測量的儀器除了FFT分析儀，還有多通道濾波器式分析儀等。,概述頻譜儀發(fā)展與用途,主要常用測試類型,.,調(diào)制,失真,噪聲,頻譜分析儀原理框圖Spec

4、trumAnalyzerBlockDiagram,Pre-SelectorOrLowPassFilter,CrystalReference,LogAmp,RFinputattenuator,mixer,IFfilter,detector,videofilter,localoscillator,sweepgenerator,IFgain,Inputsignal,CRTdisplay,混頻器Mixer,RF,LO,IF,input,中頻濾波器IFFilter,分辨率帶寬resolutionbandwidth(RBW),減小帶寬，分辨率提高，同時(shí)也改善了信噪比（SNR），但是，掃描速度和軌跡刷新速度

5、降低。我們可以根據(jù)測量要求在幾方面之間進(jìn)行折中,分辨率帶寬,LC濾波器,晶體濾波器,有源濾波器,數(shù)字濾波器,工作原理中頻濾波器的實(shí)現(xiàn),3MHz100kHz帶寬由LC濾波器來實(shí)現(xiàn)；30kHz1kHz帶寬由晶體濾波器來實(shí)現(xiàn)；300Hz30Hz帶寬由有源濾波器來實(shí)現(xiàn)。,檢波器Detector,包絡(luò)檢波后數(shù)值化處理作為縱坐標(biāo)值,analog-to-digitalconverter(ADC).,“進(jìn)程,負(fù)峰值檢波:顯示進(jìn)程中的最小值,正峰值檢波:顯示進(jìn)程中的最大值,取樣檢波:顯示進(jìn)程中的最后值,23,中頻信號(hào)頻譜儀經(jīng)包絡(luò)檢波器后有四中視頻檢波方式,ROSENFELL檢波,負(fù)峰值檢波,正峰值檢波,取樣檢波

6、,24,視頻濾波器VideoFilter,VIDEOFILTER,低通濾波器，位于包絡(luò)檢波之后ADC之前，限制視頻放大器帶寬，起到平均及平滑作用,analog-to-digitalconverter(ADC).,其他部件OtherComponents,LCDDISPLAY,SWEEPGEN,LO,IFGAIN,frequency,RFINPUTATTENUATOR,LO：localoscillator，isaVoltageControlledOscillator(VCO),掃描斜坡發(fā)生器：sweepgenerator，使LO頻率改變，作為顯示橫坐標(biāo)。,輸入衰減器：步進(jìn)衰減器，用于修正到第一混頻

7、器的功率，否則功率有可能出現(xiàn)混頻器增益壓縮，導(dǎo)致失真。,中頻增益：位于RBW前步進(jìn)，用于顯示垂直幅度，可隨輸入衰減器值改變而改變以維持顯示不變。,協(xié)同工作Howitallworkstogether,3.6,(GHz),(GHz),0,3,6,1,2,4,5,0,3,1,2,3,6,4,5,3.6,SignalRange,LORange,sweepgenerator,LO,LCDdisplay,input,mixer,IFfilter,detector,A,f,3.6,6.5,6.5,AV4032系列多功能微波頻譜分析儀原理框圖和簡介,四次變頻的超外差式掃頻測量接收機(jī),舉例,AV4033系列高性

8、能微波頻譜分析儀原理框圖和簡介,舉例,AV4033系列高性能微波頻譜分析儀原理框圖和簡介,舉例,主要性能頻率范圍,測量諧波,低頻（基帶和中頻信號(hào)）,主要性能頻率與幅度準(zhǔn)確度,用dBm表示絕對幅度,用dB表示相對幅度,相對頻率,頻率,主要性能頻率讀出準(zhǔn)確度,典型的計(jì)算公式:,掃寬2MHz:(頻率讀出x頻率參考誤差,+掃頻寬度1%+分辨率帶寬15%+10Hz“剩余誤差),頻率,主要性能準(zhǔn)確度：頻率讀出準(zhǔn)確度示例,單頻標(biāo)示例:,1%of400kHzspan15%of3kHzRBW10Hzresidualerror,2GHz400kHz掃寬3kHz分辨率帶寬,計(jì)算:(2x10Hz)x(1.3x10/y

9、r.ref.error),9,-7,總計(jì)=,主要性能準(zhǔn)確度:絕對幅度準(zhǔn)確度,絕對幅度（dB）,校準(zhǔn)器準(zhǔn)確度頻率響應(yīng)參考電平不確定度,顯示標(biāo)度準(zhǔn)確度頻率響應(yīng)射頻輸入衰減器參考電平分辨率帶寬顯示標(biāo)度因子,主要性能準(zhǔn)確度:相對幅度準(zhǔn)確度,相對幅度（dB）,適用于改變參考電平時(shí)測量信號(hào)幅度差值顯示標(biāo)度準(zhǔn)確度依賴于：對數(shù)/線性放大器保真度檢波器線性數(shù)字化電路線性獲得最佳準(zhǔn)確度的技術(shù),主要性能準(zhǔn)確度:相對幅度準(zhǔn)確度-顯示標(biāo)度準(zhǔn)確度,相對幅度（dB）,主要性能準(zhǔn)確度:相對幅度準(zhǔn)確度-頻率響應(yīng)平坦度,-1dB,+1dB,0,1波段,當(dāng)信號(hào)在同一諧波波段時(shí),主要性能準(zhǔn)確度:其它不確定度來源,失配(信號(hào)輸入端不是

10、準(zhǔn)確50ohms)由于過載而壓縮失真產(chǎn)物幅度低于對數(shù)放大器的范圍信號(hào)接近噪聲噪聲引起幅度變化信號(hào)間距小于分辨率帶寬,(高電平輸入信號(hào)),主要性能分辨率:分辨率帶寬,.,3dB,3dB帶寬,LO,混頻器,中頻濾波器/分辨率帶寬濾波器(RBW),掃描,檢波器,輸入頻譜,顯示,分辨率帶寬,主要性能分辨率,分辨率帶寬,剩余調(diào)頻,噪聲邊帶,有哪些因素影響分辨率?,分辨率帶寬濾波器類型和選擇性,主要性能分辨率:分辨率帶寬,.,3dB,10kHz,10kHzRBW,主要性能分辨率:分辨率帶寬濾波器類型和選擇性,3dB,60dB,60dBBW,60dBBW,3dBBW,3dBBW,選擇性=,主要性能分辨率:分

11、辨率帶寬濾波器和選擇性,10kHz,RBW=10kHz,RBW=1kHz選擇性15:1,10kHz,失真產(chǎn)物,60dBBW=15kHz,7.5kHz,3dB,60dB,例如,作雙音交調(diào)測試，兩個(gè)信號(hào)間距為10kHz,主要性能分辨率:數(shù)字分辨率帶寬,數(shù)字濾波器,模擬濾波器,SPAN3kHz,RESBW100Hz,典型選擇性模擬15:1數(shù)字5:1,RBW速度提高100Hz3.1030Hz14.4010Hz52.403Hz118.001Hz84.00,主要性能分辨率:剩余調(diào)頻,剩余調(diào)頻信號(hào)“毛草”,影響分辨率帶寬的另一個(gè)因素是頻譜分析儀的本振頻率穩(wěn)定度，本振的短期穩(wěn)定度即剩余調(diào)頻,主要性能分辨率:噪

12、聲邊帶,噪聲邊帶降低對不等幅信號(hào)的分辨率,相位噪聲,（亦稱相位噪聲）,主要性能分辨率:分辨率帶寬影響測量時(shí)間,掃描過快,主要性能靈敏度/顯示平均噪聲電平,掃描,LO,混頻器,射頻輸入,檢波器,象任何有源電路一樣，頻譜儀會(huì)產(chǎn)生并放大噪聲,一般定義它為頻譜分析儀的顯示平均噪聲電平(DANL)，單位dBm,獲取方法是，用最窄分辨帶寬、最小的輸入衰減和最佳的視頻濾波器。,49,主要性能：靈敏度/顯示平均噪聲電平,主要性能靈敏度/顯示平均噪聲電平:中頻濾波器(RBW),減小BW=降低噪聲,100kHzRBW,10kHzRBW,1kHzRBW,顯示平均噪聲電平是中頻濾波器帶寬的函數(shù),噪聲電平變化(dB)=

13、10log(RBWnew)/(RBWold),主要性能靈敏度/顯示平均噪聲電平:視頻帶寬,視頻帶寬平滑噪聲更容易識(shí)別低電平信號(hào),減小視頻濾波器帶寬，我們可以減小噪聲峰峰值,即噪聲得到平滑，原來被噪聲淹沒的信號(hào)可以清晰的顯示出來。,主要性能靈敏度/顯示平均噪聲電平,信號(hào)等于噪聲,靈敏度是能夠測量的最小信號(hào)功率,2.2dB,53,主要性能靈敏度/顯示平均噪聲電平,最窄的分辨率帶寬最小射頻輸入衰減充分視頻濾波（VideoBW.01ResBW),如何獲得最佳靈敏度:,54,主要性能失真,混頻器產(chǎn)生失真,內(nèi)部失真是輸入功率的函數(shù)，所以，定義頻譜分析儀的失真指標(biāo)時(shí)，必須指定輸入功率。,55,主要性能失真,

14、雙音交調(diào),諧波失真,最有影響的失真是二次和三次失真,-50dBc,-50dBc,-40dBc,為減小由于內(nèi)部失真的存在而引起的測量誤差，要求內(nèi)部失真遠(yuǎn)小于測量要求。,56,主要性能失真,失真產(chǎn)物的增量是基波功率增量的函數(shù),雙音交調(diào),諧波失真,三階失真,二階失真,就是二階失真的增長速率是基波增長速率的平方，三階失真的增長速率是基波增長速率的立方。,主要性能失真,失真相對幅度隨著輸入功率電平的變化而變化,f,2f,3f,1dB,3dB,2dB,21dB,20dB,主要性能失真,.,主要性能失真,失真測試:來自內(nèi)部還是外部？,中頻增益,幅度沒有變化=失真來自輸入信號(hào)的一部分(外部),以10dB步進(jìn)改

15、變輸入衰減器,在屏幕上觀察信號(hào):,幅度發(fā)生變化=至少有一部分失真來自于頻譜分析儀內(nèi)部(內(nèi)部),射頻輸入衰減器,主要性能動(dòng)態(tài)范圍：輸入、顯示、測量,動(dòng)態(tài)范圍,主要性能動(dòng)態(tài)范圍,信噪比（dBc）,0,-20,-40,-60,-80,-100,-60,-30,0,+30,.,分辨率帶寬為1kHz的顯示噪聲,分辨率帶寬為100Hz的顯示噪聲,信噪比可以用曲線圖來表示,主要性能動(dòng)態(tài)范圍,動(dòng)態(tài)范圍可以用曲線圖來表示,信噪比（dBc）,-20,-40,-60,-80,-100,-60,-30,0,+30,.,.,TOI,最佳混頻器電平,最大二階動(dòng)態(tài)范圍,顯示噪聲(1kHzRBW),三階,二階,最大三階動(dòng)態(tài)范

16、圍,SOI,主要性能動(dòng)態(tài)范圍,噪聲邊帶,動(dòng)態(tài)范圍,受限于噪聲邊帶,dBc/Hz,顯示平均噪聲電平,動(dòng)態(tài)范圍,壓縮/噪聲,受限于,100kHz,to,1MHz,搜索毛刺的動(dòng)態(tài)范圍依賴于到載波的間距,主要性能動(dòng)態(tài)范圍,實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍是以下中最小的:,一定頻偏的噪聲邊帶,最大動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算,計(jì)算目標(biāo):失真靈敏度,主要性能-動(dòng)態(tài)范圍,+30dBm,-115dBm(1kHzBW&0dB衰減),最大功率電平,-10dBm,-35dBm,-45dBm,增加帶寬或衰減,二階失真,混頻器壓縮,三階失真,信號(hào)/噪聲,范圍,105dB,145dB,測量范圍,最小噪聲基底,70dB范圍,80dB范圍,0dBc,噪聲邊帶,

17、60dBc/1kHz,信號(hào)/三階失真,信號(hào)/二階失真,信號(hào)/噪聲邊帶,主要性能動(dòng)態(tài)范圍,計(jì)算最大動(dòng)態(tài)范圍,主要性能動(dòng)態(tài)范圍,3,計(jì)算示例,頻譜分析儀使用注意事項(xiàng)（1）對電源的要求：220V10%；50Hz5%；（2）對接地線要求：三芯電源線，系統(tǒng)可靠接地共地（3）嚴(yán)防靜電要求（4）對輸入信號(hào)要求：CW，+30dBm（1W）DC，0V（5）組成程控系統(tǒng)時(shí)地址設(shè)置要正確（6）校準(zhǔn)：頻率、幅度、YTF校準(zhǔn),與幅度相關(guān),輸入阻抗及駐波比最大允許輸入電平動(dòng)態(tài)范圍通常把從不加衰減時(shí)的最佳輸入信號(hào)(即P1dB壓縮點(diǎn))起往下直到最小可用信號(hào)電平止,這一信號(hào)幅度變化范圍稱為動(dòng)態(tài)范圍.若再加上用內(nèi)部衰減所能擴(kuò)展的

18、dB數(shù),則稱最大測量范圍.,69,與頻率相關(guān),工作頻率范圍系指頻譜一在滿足所有規(guī)定的性能指標(biāo)的前提下所能接收和測量的頻率范圍.有些頻譜儀可以通過外加混頻器擴(kuò)展到更高頻率使用.,70,掃描時(shí)間即產(chǎn)生掃頻及水平偏轉(zhuǎn)的鋸齒波一個(gè)掃描過程的時(shí)間,通?？稍谌舾蒻s到若干s之間分檔選擇.比如可以通過改變掃描時(shí)間,觀察一個(gè)頻帶內(nèi)的波形.,71,分辨帶寬即決定選擇性的最低中頻濾波器的3dB帶寬B,亦稱靜態(tài)分辨力,在其它條件適當(dāng)配合下,他決定著所能分辨的兩個(gè)相等譜線之間的最小頻率間隔,72,視頻帶寬在檢波后的視頻放大電路中,有時(shí)還有幾種寬度分檔可變的LPF,其帶寬有時(shí)比中頻帶寬還要窄,在觀察到含有強(qiáng)視頻毛刺的頻

19、譜圖時(shí),減小視頻帶寬可以起到平滑作用,使顯示比較清晰.在觀察脈沖等寬帶信號(hào)頻譜時(shí),不應(yīng)采用窄的視頻帶寬.,73,第四節(jié)幾種測試,74,75,5.4.1頻率測量,5.4.2噪聲測量,76,5.4.3AM調(diào)制及交調(diào)測量,77,78,頻譜分析儀基本測量,基礎(chǔ)測量,被測量信號(hào)的頻率,被測量信號(hào)的功率,基礎(chǔ)：對被測信號(hào)自身應(yīng)有一定的了解。一般：對被測信號(hào)應(yīng)知道所在的頻段范圍內(nèi)。高級(jí)：對被測信號(hào)一無所知。,直接設(shè)置,設(shè)置測量范圍,大范圍內(nèi)搜索,79,頻譜分析儀基本測量,調(diào)制信號(hào)測量,調(diào)幅信號(hào),調(diào)頻信號(hào),脈沖調(diào)制信號(hào),掃頻測量,時(shí)域測量,FFT變換,頻域測量,Bessel函數(shù)法,Haberly法,窄帶測量,

20、寬帶測量,80,頻譜分析儀基本測量,調(diào)幅信號(hào),V(t)=Ac1+am(t)COS(2fct),=AcCOS（2fct）+aAc/2COS(2fc+2fm)t+aAc/2COS(2fc-2fm)t,81,掃頻方法測量調(diào)幅信號(hào),調(diào)幅信號(hào),頻譜分析儀基本測量,時(shí)域方法測量調(diào)幅信號(hào)：同步測量法,調(diào)幅信號(hào),頻譜分析儀基本測量,a=,Vmax+Vmin,Vmax-Vmin,FFT變換測量調(diào)幅信號(hào),調(diào)幅信號(hào),頻譜分析儀基本測量,頻譜分析儀基本測量,調(diào)頻信號(hào),v（t）=AcCOS（2fct+SIN2fmt）,=AcCOS（2fct）+Ac/2COS2（fc+fm）t-Ac/2COS2（fc-fm）t,頻域法測

21、量調(diào)頻信號(hào),調(diào)頻信號(hào),頻譜分析儀基本測量,舍棄相位信息,mf=2*10(dB/20)=2*10(-40/20)=0.02f=mf*fm=0.02*1000=20Hz,Bessel函數(shù)法測調(diào)頻信號(hào),調(diào)頻信號(hào),頻譜分析儀基本測量,fmax=mf*fm=2.4048*100=240.48Hz,Haberly法測寬帶調(diào)頻,調(diào)頻信號(hào),頻譜分析儀基本測量,按照規(guī)則計(jì)算寬帶調(diào)頻參數(shù)：尋找三個(gè)鄰近邊帶，其幅度隨距載波愈遠(yuǎn)而依次減小對數(shù)方式，用電壓單位從離開載波算起確定N值，第一對邊帶N=1，第二對N=2=2nVn/(Vn-1+Vn+1),脈沖調(diào)制窄帶測量,脈沖調(diào)制信號(hào),頻譜分析儀基本測量,脈沖調(diào)制寬帶測量,脈

22、沖調(diào)制信號(hào),頻譜分析儀基本測量,頻譜分析儀基本測量,不同分辨率帶寬區(qū)分等幅信號(hào),頻譜分析儀基本測量,分辨帶寬區(qū)分大、小信號(hào),頻譜分析儀基本測量,用頻率跟蹤減小掃寬,頻譜分析儀基本測量,頻標(biāo)比較信號(hào),5.4.4相位噪聲測量,94,5.4.5諧波測試,95,5.4.5噪聲系數(shù)測試,Si/Ni是輸入信噪比So/No是輸入信噪比Bd是器件噪聲帶寬Gd是器件增益,96,噪聲系數(shù)表達(dá)式NF=10lgNo-10lgGd10lgB+174dB所以說:如果知道了輸出噪聲功率,器件增益和帶寬,就可以獲得器件的噪聲系數(shù).下面的測試方法就是基于上面的公式展開的,97,最終應(yīng)用的噪聲系數(shù)測試公式NF=N(GD+GP)1

23、0lgB+174dB+1.7dB(校正因子),98,基本上是分兩步進(jìn)行測試:第一就是測得整個(gè)系統(tǒng)的增益第二就是測得噪聲功率,99,系統(tǒng)增益測試方框圖,100,101,102,104,5.4噪聲系數(shù)測試,105,基本概念手動(dòng)測量兩倍功率方法噪聲系數(shù)測量Y因子法噪聲系數(shù)測量自動(dòng)噪聲系數(shù)測量影響噪聲系數(shù)測試精度的一些因素補(bǔ)充內(nèi)容:級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)計(jì)算,106,106,基本概念,噪聲特性是元件和系統(tǒng)的最重要參數(shù)之一,是元件和系統(tǒng)性能水平的重要體現(xiàn).為了更好的理解噪聲的重要性,我們首先舉一個(gè)較形象了例子:在海邊用望遠(yuǎn)鏡觀察海上的船只.,107,107,108,109,110,111,定義:噪聲即元件或系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的干擾,從而導(dǎo)致電路的性能惡化.最噪聲的量化主要有兩個(gè)參數(shù),他們是相關(guān)的,一個(gè)是噪聲因子,第二個(gè)是噪聲系數(shù).,112,噪聲因子的定義是輸入信噪比與輸出信噪比的比值,即F=(Si/Ni)/(So/No)噪聲系數(shù)是噪聲因子的對數(shù),即:NF=10lgF噪聲系數(shù)的單位是dB,實(shí)際應(yīng)用中通常采用噪聲系數(shù).,