1、第九章 信號(hào)分析和頻域測(cè)量,9.1 信號(hào)的頻譜 9.2 掃描式頻譜儀 9.3 付里葉分析儀 9.4 頻譜儀在頻域測(cè)試中的應(yīng)用 9.5 諧波失真度測(cè)量 9.6 調(diào)制度測(cè)量,9.2.1 濾波式頻譜分析技術(shù),濾波式頻譜分析儀原理及分類 基本原理：先用帶通濾波器選出待分析信號(hào)，然后用檢波器將該頻率分量變?yōu)橹绷餍盘?hào)，再送到顯示器將直流信號(hào)的幅度顯示出來。為顯示輸入信號(hào)的各頻率分量，帶通濾波器的中心頻率是多個(gè)或可變的。 檔級(jí)濾波式頻譜儀 并行濾波式頻譜儀 掃頻濾波式頻譜儀 數(shù)字濾波式頻譜儀,檔級(jí)濾波式頻譜儀,也叫順序?yàn)V波頻譜儀，由多個(gè)通帶互相銜接的帶通濾波器和共用檢波器構(gòu)成。用多個(gè)頻率固定且相鄰的窄帶帶通

2、濾波器陣列來區(qū)分被測(cè)信號(hào)的各種頻率成分，因此得以全面記錄被測(cè)信號(hào)。,這種方法簡(jiǎn)單易行，但在頻帶較寬或較高頻段的情況下需要大量濾波器，儀器體積過大；由于通帶窄，分辨力和靈敏度都不是很高。一般用于低頻段的音頻測(cè)試等場(chǎng)合。,并行濾波式頻譜儀,與檔級(jí)濾波式的區(qū)別在于每個(gè)濾波器之后都有各自的檢波器，無需電子開關(guān)切換及檢波建立時(shí)間，因此速度快，能夠滿足實(shí)時(shí)分析的需要。但是可顯示的頻譜分量數(shù)目取決于濾波器的數(shù)目，所以需要大量的濾波器。,掃頻濾波式頻譜儀,實(shí)質(zhì)是一個(gè)中心頻率在整個(gè)寬帶頻率范圍內(nèi)可調(diào)諧的窄帶濾波器。當(dāng)它的諧振頻率改變時(shí)，濾波器就分離出特定的頻率分量。,掃頻濾波式頻譜儀與檔級(jí)濾波式一樣，是一種非實(shí)

3、時(shí)頻譜測(cè)量。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)是電調(diào)諧濾波器損耗大、調(diào)諧范圍窄、頻率特性不均勻、分辨率差，目前這種方法只適用于窄帶頻譜分析。,數(shù)字濾波式頻譜儀,數(shù)字濾波式頻譜儀在現(xiàn)代頻譜分析儀中占有重要地位。數(shù)字濾波器的形狀因子較小，因而提高了頻譜儀的頻率分辨率；具有數(shù)字信號(hào)處理的高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和可編程性等普遍優(yōu)點(diǎn)。,利用數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)頻分或時(shí)分復(fù)用，因此僅用一個(gè)數(shù)字濾波器就可以實(shí)現(xiàn)與并行濾波式等效的實(shí)時(shí)頻譜儀。用單個(gè)數(shù)字濾波器代替多個(gè)模擬濾波器之后，濾波器的中心頻率由時(shí)基電路控制使之順序改變。,帶通濾波器的性能指標(biāo),帶寬,通常是指3dB帶寬，或稱半功率帶寬,分辨率帶寬（RBW）反映了濾

4、波器區(qū)分兩個(gè)相同幅度、不同頻率的信號(hào)的能力,帶通濾波器的性能指標(biāo)（續(xù)1）,波形因子,波型因子反映了區(qū)分兩個(gè)不等幅信號(hào)的能力，也稱帶寬選擇性,波形因子定義為濾波器60dB帶寬與3dB帶寬之比：,也可用40dB帶寬與3dB帶寬之比表示。波形因子較小的濾波器的特性曲線更接近于矩形，故波形因子也稱矩形系數(shù),等絕對(duì)帶寬或等信息量帶寬：外差式頻譜儀在一次分析過程中所用的分析濾波器帶寬恒定。恒帶寬濾波器的特性曲線在線性頻率刻度下，關(guān)于濾波器的中心頻率f0對(duì)稱,帶通濾波器的性能指標(biāo)（續(xù)2）,恒帶寬與恒百分比帶寬,恒百分比帶寬濾波器的絕對(duì)帶寬B與中心頻率f0的比值（即相對(duì)帶寬）是常數(shù)。掃描式頻譜儀、檔級(jí)濾波式頻

5、譜儀及并行濾波式頻譜儀大多采用恒百分比帶寬分析。,在對(duì)數(shù)刻度下，恒百分比帶寬濾波器的頻率特性曲線關(guān)于其中心頻率f0對(duì)稱。常用“倍頻程選擇性”表示遠(yuǎn)離中心頻率一倍頻率處（0.5f0和2f0）的濾波器衰減量。,帶通濾波器的性能指標(biāo)（續(xù)3）,濾波器響應(yīng)時(shí)間（建立時(shí)間） 信號(hào)從加到濾波器輸入端到獲得穩(wěn)定輸出所需的時(shí)間。通常用達(dá)到穩(wěn)幅幅度的90所需的時(shí)間TR來表述，它與絕對(duì)帶寬B成反比：TR1/B。 對(duì)恒百分比帶寬濾波器，一般用達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出所需的信號(hào)周期數(shù)來代表：nRf0TRTR/T0，表示響應(yīng)時(shí)間內(nèi)的周期數(shù)。 寬帶濾波器的響應(yīng)時(shí)間短，測(cè)量速度快；窄帶濾波器建立時(shí)間較長(zhǎng)，但頻率分辨率更高、信噪比好。響應(yīng)

6、時(shí)間限制了頻譜儀的掃描分析速度，影響實(shí)時(shí)頻譜分析的實(shí)現(xiàn)。,9.5 諧波失真度測(cè)量,9.5.1 諧波失真度的定義 9.5.2 諧波失真度的測(cè)量方法 9.5.3 失真度測(cè)試儀簡(jiǎn)介,9.5.1 諧波失真度的定義,非線性失真亦稱諧波失真，簡(jiǎn)稱失真。一定頻率的信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)后往往會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量，這種現(xiàn)象被稱為該網(wǎng)絡(luò)的非線性失真；一個(gè)信號(hào)的實(shí)際波形與理想波形有差異，這種差異被稱為信號(hào)的非線性失真。線性電路意味著頻域中的輸出信號(hào)應(yīng)具有與輸入信號(hào)相同的頻率，而由輸入信號(hào)所產(chǎn)生的任何其他頻率都被視為是非線性失真。 失真模型 單音、雙音輸入 失真度定義,失真模型,產(chǎn)生失真的器件大都是線性器件，只表現(xiàn)出輕微的非線

7、性。這種失真可用冪級(jí)數(shù)來模擬：,其中k0：系統(tǒng)輸出直流分量；k1：電路增益；k2及以上的其余系數(shù)：電路的非線性特性。如果電路是完全線性的，則除k1之外的所有系數(shù)均應(yīng)為0。 由于對(duì)漸變形式的非線性，kn的大小隨n增大而迅速變小，只有二次、三次效應(yīng)起決定作用。故可忽略上式中k3以后的各項(xiàng)，因而得到簡(jiǎn)化失真模型：,單音、雙音輸入,單音輸入 單音信號(hào)即一個(gè)單一頻率的純正弦波，將它作為輸入信號(hào)并測(cè)量輸出信號(hào)的頻率成分，可進(jìn)行最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)失真情況的測(cè)試。 將單音信號(hào)Vin=Acost 代入簡(jiǎn)化失真模型式中： 單音信號(hào)的輸出中包含了直流分量、基波及二次、三次諧波。,單音、雙音輸入（續(xù)1）,由單音信號(hào)的輸出可

8、以看到： 直流分量受失真模型二次系數(shù)k2的影響，基波幅度受三次系數(shù)k3的影響； 基波幅度主要與輸入信號(hào)幅度A成正比，二次諧波的幅度與A2成正比，三次諧波幅度與A3成正比。 使用分貝（dB）表示幅度，有 意味著輸入信號(hào)電平每變化1dB，基波也將近似變化1dB，二次諧波將改變2dB，三次諧波將改變3dB。,單音、雙音輸入（續(xù)2）,雙音輸入 雙音信號(hào)如Vin=A1cos1t + A2cos2t ，將它作為輸入信號(hào)進(jìn)行失真測(cè)量，代入簡(jiǎn)化失真模型式中有： 其中c0、c1、c12是由k0、k1、k2、k3及A1、A2決定的系數(shù)。 與單音輸入的情況不同，當(dāng)雙音輸入信號(hào)的幅度變化1dB時(shí)，輸出信號(hào)的二次項(xiàng)幅度

9、將變化2dB；三次項(xiàng)將變化3dB。,失真度定義,失真度被定義為全部諧波能量與基波能量之比的平方根值。對(duì)于純電阻負(fù)載，則定義為全部諧波電壓（或電流）有效值與基波電壓（或電流）有效值之比的平方根。失真度D0以百分比（）或分貝（dB）為單位，亦稱失真系數(shù)。,其中u1、u2、um分別表示基頻及其各次諧波的均方根值。,9.5.2 諧波失真度的測(cè)量方法,諧波失真度的測(cè)量方法有很多，例如： 諧波分析法用頻譜儀分別將信號(hào)基波和各次諧波的幅值一一測(cè)出，然后按定義計(jì)算，屬于間接測(cè)量法； 基波抑制法又稱靜態(tài)法，對(duì)被測(cè)器件輸入單音正弦信號(hào)，并通過基波抑制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行直接測(cè)量； 白噪聲法又稱動(dòng)態(tài)法，利用白噪聲作為測(cè)試信號(hào)，

10、測(cè)出被測(cè)器件在通帶內(nèi)的各頻率分量因交調(diào)而產(chǎn)生的諧波。,基波抑制法,由于基波難以單獨(dú)測(cè)量，當(dāng)失真度較小時(shí)，上述失真定義式可近似為：,按照近似式測(cè)量失真度，所得的是諧波電壓總有效值與被測(cè)信號(hào)總有效值之比。近似的條件：當(dāng)失真度小于9時(shí)，可用近似失真度測(cè)量值D代替定義值D0，否則需對(duì)D值進(jìn)行換算或修正。換算公式為：,基波抑制法（續(xù)）,按照近似式進(jìn)行基波抑制法測(cè)量諧波失真度的電路如下圖?；ㄒ种凭W(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)陷波濾波器，專門用于濾掉基波信號(hào)而使其余諧波分量通過。,開關(guān)S先打到1處，測(cè)出被測(cè)信號(hào)的電壓總有效值。適當(dāng)調(diào)節(jié)輸入電平使電壓表指示為某一規(guī)定的基準(zhǔn)電平值，該值完全對(duì)應(yīng)于失真度大小，也就是使近似式中

11、的分母為1這個(gè)過程稱為“校準(zhǔn)”； 開關(guān)打到2處，調(diào)整基波抑制網(wǎng)絡(luò)使電壓表指示最小，表明此時(shí)電路對(duì)基波的衰減量最大。由于基波已被抑制，此時(shí)測(cè)出的是被測(cè)信號(hào)的諧波電壓總有效值。由于電壓表已經(jīng)過校準(zhǔn)，故當(dāng)前指示值就是D值。,白噪聲法,白噪聲法是一種廣譜測(cè)量技術(shù)，屬于諧波失真的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法。它通過白噪聲發(fā)生器產(chǎn)生均勻頻譜密度分布的白噪聲，相當(dāng)于將一系列不同頻率、不同相位的正弦信號(hào)加到被測(cè)電路上，可以得到被測(cè)電路在通帶內(nèi)的任一頻率分量所產(chǎn)生的諧波及其互調(diào)結(jié)果。 測(cè)量電路框圖如下：,白噪聲法（續(xù)）,白噪聲發(fā)生器輸出廣譜噪聲信號(hào)UN，經(jīng)過中心頻率為f0的帶阻濾波器后，輸出頻譜產(chǎn)生縫隙。該信號(hào)通過被測(cè)電路時(shí)，

12、如果存在失真，各噪聲分量的互調(diào)會(huì)導(dǎo)致大量組合頻率，使輸出信號(hào)在f0及附近的頻率處有了新的頻率分量。用選頻電壓表選出f0分量，并測(cè)得其電壓幅度Uout。最終的諧波失真度D可按下式計(jì)算：,其中，Uout為選頻電壓表在頻率f0處的讀數(shù)，U為同一帶寬下其他頻率處的電壓表讀數(shù)。,9.5.3 失真度測(cè)試儀簡(jiǎn)介,失真度儀組成原理 測(cè)量失真度或失真系數(shù)的儀器即失真度儀，它們大多工作于200KHz以內(nèi)的頻帶。下圖所示為一種采用基波抑制法測(cè)量失真度的測(cè)試儀簡(jiǎn)化框圖。,失真度儀組成原理（續(xù)）,被測(cè)信號(hào)經(jīng)過幅度調(diào)節(jié)之后，一面被送到可調(diào)諧的陷波濾波器中濾掉基波，再進(jìn)入檢波器獲得諧波有效值電壓；同時(shí)通過旁路直接進(jìn)入檢波器

13、，獲得信號(hào)中所有頻率成分的總有效值電壓。兩個(gè)代表不同電壓值的信號(hào)通過除法器進(jìn)行計(jì)算，最后顯示出失真測(cè)量值D。 事實(shí)上，許多電路的非線性還會(huì)產(chǎn)生噪聲及電源紋波帶來的其他成分，因此上圖所示的失真度儀所測(cè)的結(jié)果包含了總諧波加噪聲失真，定義式為,主要技術(shù)指標(biāo),失真度通常被用來衡量收錄機(jī)、電聲設(shè)備及信號(hào)發(fā)生器等的輸出性能。其典型技術(shù)指標(biāo)如： 頻率范圍：9Hz600KHz 失真度測(cè)量范圍：0.0190% 失真度測(cè)量精度：59% 靈敏度：0.330mV,9.6 調(diào)制度測(cè)量,9.6.1 調(diào)制度測(cè)量概述 9.6.2 調(diào)幅度測(cè)量 9.6.3 調(diào)頻信號(hào)測(cè)量,9.6.1 調(diào)制度測(cè)量概述,調(diào)制的基本概念 調(diào)制就是對(duì)信號(hào)

14、的源信息進(jìn)行處理，使其變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)男问降倪^程。 一般來說，信號(hào)源信息（即信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號(hào)。基帶信號(hào)往往不能直接傳輸，必須借助另一種頻率比基帶高得多的信號(hào)（即載波）轉(zhuǎn)換成適于傳輸?shù)男盘?hào)。這種適于傳輸?shù)男盘?hào)稱為已調(diào)信號(hào)，基帶信號(hào)則稱調(diào)制信號(hào)。調(diào)制是通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其跟隨基帶信號(hào)幅度的變化來實(shí)現(xiàn)的。,調(diào)制的基本概念（續(xù)）,常見的調(diào)制方式 模擬調(diào)制：幅度調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制（FM）、相位調(diào)制（PM），分別指載波信號(hào)的幅度、頻率或相位隨著基帶信號(hào)的幅度變化而改變，簡(jiǎn)稱調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相； 數(shù)字調(diào)制：主要有脈寬調(diào)制（PWM）、脈沖編碼調(diào)制（

15、PCM）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）、增量調(diào)制（調(diào)制）等。 最常見和最基本的調(diào)制方式是模擬調(diào)制。本章所涉及的調(diào)制度測(cè)量是指對(duì)調(diào)幅、調(diào)頻信號(hào)調(diào)制程度的測(cè)量。,調(diào)幅度的定義： 其中，m上、m下分別稱為上調(diào)幅度和下調(diào)幅度，u0為載波的幅度峰值，U上、U下分別是調(diào)制信號(hào)的正、負(fù)半周幅度峰值。對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行正負(fù)峰值檢波（解調(diào)），即可根據(jù)定義式求出調(diào)幅度大小。,調(diào)制度定義,幅度或頻率被調(diào)制的程度通稱為調(diào)制度，在調(diào)幅波、調(diào)頻波中分別用調(diào)幅度（或稱調(diào)幅深度、調(diào)幅系數(shù)）和調(diào)頻度（或稱調(diào)頻指數(shù)、調(diào)頻系數(shù)）表示調(diào)制度。它是已調(diào)波的重要參數(shù)，反映了載波的幅度、頻率或相位受低頻調(diào)制信號(hào)控制的程度。,調(diào)頻系數(shù)

16、是指最大頻偏與調(diào)制信號(hào)的頻率之比： mf=f / f0 其中,f為調(diào)制信號(hào)的最大頻偏，f0為載波頻率。對(duì)調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行鑒頻，獲得與頻偏成正比的低頻信號(hào)電壓，即可測(cè)出最大頻偏；在已知調(diào)制信號(hào)頻率時(shí)，可由定義式求出調(diào)頻系數(shù)。,9.6.2 調(diào)幅度測(cè)量,雙重檢波法 實(shí)質(zhì)上是利用外差式接收機(jī)的原理，在線性包絡(luò)檢波器中將已調(diào)波恢復(fù)成調(diào)制信號(hào)，以及大小與載波幅度成正比的直流電壓u0；然后用峰值檢波器檢出調(diào)制信號(hào)的峰值電壓U上和U下。用兩個(gè)電壓表分別測(cè)量U上、U下和u0，用歸一化處理技術(shù)使u0設(shè)定為1，則可以直接讀出U上、U下的數(shù)值。 雙重檢波法的測(cè)量精度通常為35%，廣泛應(yīng)用于調(diào)幅度測(cè)量?jī)x中。,功率計(jì)法,這種

17、方法基于已調(diào)波的功率Pm比載波功率P0大m2/2倍的原理，利用功率計(jì)分別測(cè)量Pm和P0，然后根據(jù)下式計(jì)算而得調(diào)幅度m：,m的值越小，用功率計(jì)法測(cè)調(diào)幅度的測(cè)量誤差將越大；當(dāng)m30%時(shí)，測(cè)量精度可優(yōu)于1%。功率計(jì)法通常用于調(diào)幅度測(cè)量?jī)x的定標(biāo)和計(jì)算。,頻譜儀法,正弦信號(hào)調(diào)幅的結(jié)果除了載頻之外還有上、下兩個(gè)邊頻，邊頻的幅度S與調(diào)幅系數(shù)m之間有關(guān)系式,其中C為載頻幅度。,可見，只要用頻譜儀測(cè)出邊頻和載頻的幅度，即可求得調(diào)幅度。動(dòng)態(tài)范圍大于66dB的頻譜儀可以測(cè)出0.1%的m值。頻譜儀法特別適于小調(diào)幅度的測(cè)量，并能同時(shí)測(cè)出非線性失真。 也可以借助標(biāo)記功能直接測(cè)量調(diào)幅度：利用雙標(biāo)記（Marker）進(jìn)行相對(duì)幅度測(cè)量，可得載頻與邊頻的幅度之比，再換算得到調(diào)幅度。,9.6.3 調(diào)頻信號(hào)測(cè)量,測(cè)量原理 除了調(diào)頻度的定義式外，調(diào)頻波的調(diào)制信號(hào)電壓幅度uf與調(diào)制信號(hào)頻偏f有下列關(guān)系：,其中a為比例系數(shù)。測(cè)出uf即可得到f；當(dāng)f0已知時(shí)，只要測(cè)出mf、f中的任何一個(gè)，即可求得另一個(gè)值。,測(cè)量方法,鑒頻器法 先用鑒頻器對(duì)調(diào)制信號(hào)解調(diào)，然后用峰值檢波器檢出Uf，并根據(jù)公式f=auf直接讀出頻偏f，因此可進(jìn)一步根據(jù)定義式計(jì)算得到調(diào)頻系數(shù)mf。此法廣泛用于直讀式頻偏表中。 使用脈沖鑒頻器測(cè)量可以獲得更大的線性鑒頻范圍，測(cè)量精度也可達(dá)到較高。,測(cè)量方法（續(xù)1）,極值法 使用搜索振蕩器找出已