第6章+频域测量new.ppt

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1、第6章 频域测量,6.1 概述 6.2 频谱仪的工作原理 6.3 信号失真度测量 6.4 线性系统频率特性的测量,6.1 概述,广义上，信号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：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 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,频谱分析仪是在用CRT显示输入信号频率-功率（或幅度）分布的仪器，此外还可以对相位噪声、邻道功率、非线性

2、失真、调制度等频域参数进行测量。 6.1.1 时域和频域的关系 一个电信号的特性可以用一个随时间变化的函数 表示，同时也可用一个频率f，或角频率的函数F()表示。各频率分量沿f轴按大小排列的图形，称频谱图。频谱分析仪(简称频谱仪)能测量和显示电信号的频谱，通常只给出振幅谱或功率谱，不直接给出相位信息。,在T1T0/4、T1T0/8、T1T0/16情况下的方波频谱图如下：,时域分析是研究信号的瞬时幅度u与时间t的关系，而频域分析是研究信号中各频率分量的幅值A与频率f的关系。在图6-1中反映了一个由基波和二次谐波合成的非正弦波信号的情况，图6-1a是u、t、f三维坐标示意图；在时域平面上显示的是合

3、成后的波形图，可以反映信号总的瞬时幅度，如图6-1b所示；在频域平面上显示的是各次谐波的谱线，它反映了各种频率分量的幅值，如图6-1c所示。,图6-1 时域与频域的关系示意图,频域分析法可以对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，如测量噪声、失真度、调制度等。 6.1.2 频谱分析仪的主要用途 频谱仪主要应用于以下方面： (1)正弦信号的频谱纯度测量：包括信号的幅度、频率和各寄生频谱的谐波分量的测量；,(2)调制信号的频谱测量：包括调幅波的调幅系数、调频波的频偏和调频系数，以及它们的寄生

4、调制参量的测量； (3)非正弦波的频谱测量：包括脉冲信号、音频视频信号等的测量。 (4)通信系统的发射机质量检测：包括载频频率、频率稳定度、寄生调制，以及频率牵引的测量。 (5)激励源响应的测量：包括滤波器的传输特性、放大器的幅频特性、混频器与倍频器的变换损耗的测量。,(6)放大器的性能测试：包括幅频特性、寄生振荡、谐波与互调失真的测量； (7)噪声频谱的分析； (8)电磁干扰的测量：可测定辐射干扰和传导干扰、电磁干扰等。 6.1.3 频谱分析仪的分类 频谱分析仪的种类主要有： (1)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；,(2)按基本工作原理分类：扫描式频谱

5、仪、非扫描式频谱仪； (3)按处理的实时性分类：实时频谱仪、非实时频谱仪； (4)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； (5)按输入通道数目分类：单通道、多通道频谱仪； (6)按工作频带分类：高频、射频、低频等频谱仪。,周期信号的付氏变换,一个周期为T的信号f(t)可以用复指数级数展开表示为：,其中 cn称为周期信号f(t)的付氏级数系数，或f(t)的频谱系数。付氏级数明确地表现了信号的频域特性。 对应的周期信号付氏变换式为：,频谱密度函数简称频谱,周期信号的频谱特性,频谱密度由无穷个冲激函数组成，位于谐波频率n0处冲激函数的强度是第n个付氏级数系数的2倍。 离散性

6、：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。,脉冲宽度和频带宽度,周期信号的脉冲宽度和频带宽度是两个不同的概念。有效频带宽度与脉冲宽度成反比。 脉冲宽度是时域概念，指在一个周期内脉冲波形的两个零点之间的时间间隔； 频带宽度（带宽）是频域概念，通常规定：在周期信号频谱中，从零频率到需要考虑的最高次谐波频率之间的频段即为该信号的有效占有带宽，亦称频带宽度。实际应用中，常把零频到频谱包络线第一个零点间的频段作为频带宽带。,脉冲宽度与频带宽度对周期信号频谱的影

7、响,连续方波信号的波形如上图所示，它在一个周期内的时域表达式为 其中T0为方波的周期，脉冲宽度为2T1。,可见：当方波的周期T0固定不变时，频域中各条谱线之间的间隔0也是固定的。随着T1（即脉冲宽度）的减小，谱线从集中分布在纵轴附近渐渐变得向两边“拉开”，即频带宽度逐渐增大，而且幅度逐渐变低。,重复周期变化对频谱的影响,如果保持脉冲宽度2T1不变，随着周期T0的增加，谱线间隔0将减小，频谱的包络线被越来越密集的频率间隔取样；T0趋于无穷大，原来的连续方波就近似为一个矩形单脉冲，频谱也相应趋近于连续的取样函数。 可见，时域内的重复周期与频域内谱线的间隔成反比：周期越大，谱线越密集。当时域内的波形

8、向非周期信号渐变时，频域内的离散谱线会逐渐演变成连续频谱。,信号的能量谱,能量谱表述信号的能量随着频率而变化的情况。信号f(t)的能量定义为：,当E() 有限时，f(t)被称为能量有限信号，简称能量信号。 由帕斯瓦尔公式 可知，信号经过付氏变换之后能量保持不变。即令,，因此得到：,能量密度谱，简称能量谱或能谱，表示单位频带内所含能量。任何带宽内的信号能量均与能量谱曲线下相应的面积成正比,信号的功率谱,信号f(t)的功率定义为：,当P()有限时，f(t)为功率有限信号，简称功率信号。由于信号的平均功率时间定义为T，显然一切能量有限信号的平均功率都为零。因此，一般的功率有限信号必定不是能量信号。

9、由帕斯瓦尔公式得 ，令,，则有,功率密度谱，简称功率谱，表示单位频带内的功率,非周期信号的频谱,非周期信号的付氏变换 付氏级数表示仅限于周期信号。如果把非周期信号视为周期无穷大的周期信号，则非周期信号可通过付氏变换表示在频域中。 一个时域非周期信号的付氏变换定义为：,其反变换或逆变换为：,频谱,非周期信号的频谱特性,频谱密度函数F (j)是的连续函数，即非周期信号的频谱是连续的。 当f (t)为实函数时，有F(j) = F*(-j) 。且频谱的实部R()是偶函数、虚部X()是奇函数； 当f (t)为虚函数时，有F(j) = -F*(-j) 。且R()是奇函数、X()是偶函数； 无论f (t)为

10、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。,离散时域信号的频谱,离散时域信号的付氏变换（DFT） 又称为序列的付氏变换：以e jn 作为完备正交函数集，对给定序列做正交展开，很多特性与连续信号的付氏变换相似。 一个非周期离散时间序列的付氏变换定义为：,其反变换为：,频谱,6.1.5 快速付氏变换,快速付氏变换（FFT）：实现离散付氏变换、进行时-频域分析的一种极迅捷有效的算法。 FFT算法经过仔细选择和重新排列中间计算结果，完成计算的速度比离散付氏变换有明显提高，因而在数字式频谱仪等仪器中得到广泛应用。 最常见的FFT算法：基2的时间抽取法，即蝶形算法。若频

11、谱分析的记录长度为N（N常取2的幂次），进行离散付氏变换所需的计算次数约为N2，蝶形算法需要的次数为N log2N。,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，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，如测量噪声、失真度、调制度等。,离散时域信号的频谱特性,离散付氏变换的频谱F(ej)是的周期函数，周期为2，即离散时间序列的频谱是周期性的。 如果离散时间序列是周期性的，在频域内的频谱一定是离散的，反之亦然； 若离散

12、时间序列是非周期的，在频域内的频谱一定是连续的，反之亦然。,6.2 频谱仪的工作原理,6.2.1滤波式频谱仪 1档级滤波式频谱仪 这种频谱分析仪的框图见下图。它由多个通带互相衔接的带通滤波器和一个共享的检波器组成，其原理十分简明。这种方法简单易行，但一方面在频带较宽或较高频段的情况下需要大量滤波器，仪器体积过大，另一方面由于通带窄，分辨率和灵敏度都不是很高。所以这种频谱分析仪一般用于低频段的音讯测试等场合。,档级滤波式频谱仪,2并行滤波式频谱仪 在这种频谱仪中，信号同时加到多个滤波器上，各个频率被同时测量。它与档级滤波式频谱仪的区别在于：在每个滤波器之后都带有自己的检波器，这样就省去了在切换滤

13、波通道后都要等待检波部分重新建立的时间，以满足实时分析的需要。配上一个电子扫描开关，对每一通道的检波结果进行一次巡检，即可获得信号频谱。这样能以非常快的速度在CRT上刷新频谱，其方框图见下图：,并行滤波式频谱仪,3扫频滤波式频谱仪 扫描式频谱分析仪采用单一的、中心频率可以电控调谐的带通滤波器，通过扫描调谐完成整个频带的频谱分析，如下图所示。所得结果是一连续曲线，线上每一点表示一个在相当于滤波器带宽内真实频谱的积分。,扫频滤波式频谱仪,扫频滤波式频谱仪与档级滤波式一样，是一种非实时频谱测量。这种直接扫描调谐滤波器的带宽可做成恒带宽或恒百分比带宽，结构简单，价格低廉。缺点是电调谐滤波器的Q值低、损

14、耗大、频率特性不均匀、调谐范围窄、分辨率差，目前这种方法只适用于窄带频谱分析。 4数字滤波式频谱仪 数字滤波式频谱仪在现代频谱分析仪中占有重要地位。数字滤波器的形状因子较小，因而提高了频谱仪的频率分辨率。它具有数字信号处理的高精度、高稳定性、可重复性和可编程性等普遍优点。,利用数字滤波器可以实现频分或时分复用，因此仅用一个数字滤波器就可以实现与并行滤波式等效的实时频谱仪。用单个数字滤波器代替多个模拟滤波器之后，滤波器的中心频率由时基电路控制使之顺序改变，原理电路如下图所示。,数字滤波式频谱仪,带通滤波器的性能指标,带宽,通常是指3dB带宽，或称半功率带宽,分辨率带宽（RBW）反映了滤波器区分两

15、个相同幅度、不同频率的信号的能力,波形因子,波型因子反映了区分两个不等幅信号的能力，也称带宽选择性,波形因子为滤波器60dB带宽与3dB带宽之比：,也可用40dB带宽与3dB带宽之比表示。波形因子较小的滤波器的特性曲线更接近于矩形，故波形因子也称矩形系数,等绝对带宽或等信息量带宽：外差式频谱仪在一次分析过程中所用的分析滤波器带宽恒定。恒带宽滤波器的特性曲线在线性频率刻度下，关于滤波器的中心频率f0对称,恒带宽与恒百分比带宽,恒百分比带宽滤波器的绝对带宽B与中心频率f0的比值（即相对带宽）是常数。扫描式频谱仪、档级滤波式频谱仪及并行滤波式频谱仪大多采用恒百分比带宽分析。,在对数刻度下，恒百分比带

16、宽滤波器的频率特性曲线关于其中心频率f0对称。常用“倍频程选择性”表示远离中心频率一倍频率处（0.5f0和2f0）的滤波器衰减量。,滤波器响应时间（建立时间） 信号从加到滤波器输入端到获得稳定输出所需的时间。通常用达到稳幅幅度的90所需的时间TR来表述，它与绝对带宽B成反比：TR1/B。 对恒百分比带宽滤波器，一般用达到稳态输出所需的信号周期数来代表：nRf0TRTR/T0，表示响应时间内的周期数。 宽带滤波器的响应时间短，测量速度快；窄带滤波器建立时间较长，但频率分辨率更高、信噪比好。响应时间限制了频谱仪的扫描分析速度，影响实时频谱分析的实现。,外差式频谱仪的频率变换原理与超外差式收音机相同

17、：利用无线电接收机中普遍使用的自动调谐方式，通过改变扫频本振的频率来捕获待测信号的不同频率分量。也称扫频外差式频谱仪。扫频外差式方案是实施频谱分析的传统途径，在高频段占据优势地位。,6.2.2 外差式频谱仪,外差式频谱仪的组成,主要包括输入通道、混频电路、中频处理电路、检波和视频滤波等部分。,外差式频谱分析仪频率范围宽、灵敏度高、频率分辨率可变，是目前频谱仪中数量最大的一种。由于被分析的频谱依次被顺序采样，因而不能进行实时分析。这种分析仪只能提供幅度谱，不能提供相位谱。,参数之间的相互关系,频谱仪的各项参数设置不是孤立的。为了避免引入测量误差，正常工作时这些参数相互之间以某种方式“联动”（Co

18、upling）设置，即只要改变其中任何一项，其余各项参数都会随之自动变化。 扫描时间、扫描宽度、频率分辨率、视频带宽 由于使用了滤波器，扫描时间受限于中频滤波器和视频滤波器的响应时间。若不满足所需的最短扫描时间，滤波器未达到稳态，会导致信号的幅度损耗和频率偏移。为避免因此引起的测量误差，分辨率带宽RBW、视频带宽VBW、扫描时间ST及扫描宽度Span应当联动设置。,9.2.3 外差式频谱仪的主要性能指标,输入频率范围 频率扫描宽度 频率分辨率 频率精度 扫描时间 相位噪声/频谱纯度,幅度测量精度 动态范围 灵敏度/噪声电平 本振直通/直流响应 本底噪声 1dB压缩点和最大输入电平,频率指标,幅

19、度指标,频率指标,输入频率范围 频谱仪能正常工作的最大频率区间，由扫描本振的频率范围决定。现代频谱仪的频率范围通常可从低频段至射频段，甚至微波段，如1KHz4GHz。 频率扫描宽度（Span） 另有分析谱宽、扫宽、频率量程、频谱跨度等不同叫法。通常根据测试需要自动调节，或人为设置。扫描宽度表示频谱仪在一次测量（也即一次频率扫描）过程中所显示的频率范围，可以小于或等于输入频率范围。,频率分辨率（Resolution） 表征了将最靠近的两个相邻频谱分量分辨出来的能力。主要由中频滤波器的带宽（即RBW）决定，但最小分辨率还受本振频率稳定度的影响。 对滤波式频谱分析仪而言，中频滤波器的3dB带宽决定了

20、可区分的两个等幅信号的最小频率间隔。如果区分不等幅信号，分辨率就与滤波器的形状因子有关。 现代频谱仪通常具有可变的RBW，按照1-3-9或1-2-5的典型步进变化。最小的一档RBW值就是频率分辨率指标，如90Hz。,频率精度 即频谱仪频率轴的读数精度，与参考频率（本振频率）稳定度、扫描宽度Span、分辨率带宽RBW等多项因素有关：,其中：f绝对频率精度，单位Hz；ref参考频率（本振频率）相对精度；fx频率读数；N完成一次扫描所需的频率点数；A%Span的精度，B%RBW的精度，C频率常数。不同的频谱仪有不同的A、B、C值。,扫描时间（Sweep Time，简作ST） 即进行一次全频率范围的扫

21、描、并完成测量所需的时间，也叫分析时间。通常扫描时间越短越好，但为保证测量精度，扫描时间必须适当。与扫描时间相关的因素主要有频率扫描范围、分辨率带宽、视频滤波。 现代频谱仪通常有多档扫描时间可选择，最小扫描时间由测量通道的电路响应时间决定。,相位噪声/频谱纯度 相位噪声简称相噪，是频率短期稳定度的指标之一，反映了极短期内的频率变化程度，表现为载波边带，所以也称边带噪声。通常用在源频率的某一频偏上相对于载波幅度下降的dBc数值表示，如在9KHz频偏处90dBc。 相噪由本振信号频率或相位不稳定引起，还与分辨率带宽有关：RBW减小，相噪相应降低。有效设置频谱仪参数可使相噪达到最小，但无法消除。相噪

22、也是影响频谱仪分辨不等幅信号的因素之一。,幅度指标,幅度测量精度 有绝对幅度精度和相对幅度精度之分，均由多方面因素决定。绝对幅度精度是针对满刻度信号的指标，受输入衰减、中频增益、分辨率带宽、刻度逼真度、频响及校准信号本身的精度等的综合影响；相对幅度精度与测量方式有关，在理想情况下仅有频响和校准信号精度两项误差来源，测量精度可以达到非常高。 仪器在出厂前要经过校准，各种误差已被分别记录下来并用于对实测数据进行修正，显示出来的幅度精度已有所提高。,动态范围（Dynamic Range） 即同时可测的最大与最小信号的幅度比。动态范围受限于输入混频器的失真特性、系统灵敏度和本振信号的相位噪声，其上限由

23、频谱仪的非线性失真决定。 灵敏度/噪声电平 频谱仪在特定的分辨率带宽下，或归一化到1Hz带宽时的本底噪声，常以dBm为单位。灵敏度指标描述了频谱仪在没有输入信号时因内部噪声而产生的读数，常用最小可测的信号幅度来代表，数值上等于显示平均噪声电平（DANL）。,本振直通/直流响应 因频谱仪本振馈通而产生的直流响应。对这种零频响应的电平，通常用相对于满刻度响应的dB数度量。频谱仪的低端频率距零频较远（如90KHz）时，该指标可以略去。,实际混频器会产生本振和射频信号。当本振频率与中频的中心频率相同或非常接近时，这个对应于零频（直流）输入的本振信号将通过中频滤波器，即本振馈通。,本底噪声（Noise

24、Floor） 即来自频谱仪内部的热噪声，也叫噪底，是系统固有噪声，也是频谱仪灵敏度的量度。本底噪声会导致输入信号信噪比下降，它在频谱图中表现为接近显示器底部的噪声基线，常以dBm为单位。,1dB压缩点和最大输入电平 1dB压缩点：在动态范围内，因输入电平过高而引起的信号增益下降1dB时的点。1dB压缩点表明了频谱仪过载能力。通常出现在输入衰减0dB的情况下，由第一混频决定。输入衰减增大，1dB压缩点的位置将同步增高。为避免非线性失真，所显示的最大输入电平（参考电平）必须位于1dB压缩点之下。 最大输入电平反映了频谱仪可正常工作的最大限度，它的值一般由通道中第一个关键器件决定：0dB衰减时，第一

25、混频是最大输入电平的决定性因素；衰减量大于0dB时，最大输入电平的值反映了衰减器的负载能力。,6.2.3 频谱分析仪的发展趋势 频谱分析仪的发展主要有以下两个方面 (1)高频频谱仪的发展 高频频谱仪的工作频率已达数十GHz。通过外置混频，分析频率上限已扩展到数百GHz1200 GHz。普遍采用频率合成器作为调谐本振，频率稳定度达到10-9日。采用数字技术，使幅度分辨率达O.01 dB，动态达125 dB，灵敏度达-150 dBm。利用数字滤波器和FFT取代模拟中频滤波器，使带宽分析时的频率分辨率大为提高，可达O.0045 Hz。 (2)低频频谱分析仪的发展 低频频谱分析仪中，除了外差扫描式分析

26、仪外，还有一类是实时频谱分析仪。,现在的低频频谱仪已很少采用扫描式的非实时分析。传统的实时频谱分析仪采用并行滤波器法或时间压缩法，而现在实时频谱分析仪趋向数字化。用数字滤波器代替模拟滤波器，使滤波器特性实现程控，从而使频谱仪的重要指标(频率分辨率、灵敏度)可变。有的频谱仪中用FFT计算代替滤波法作谱分析。用数字计算代替各种形式的检波，提高了精度，扩大了动态范围，并实现了真有效值检波，因而波形适用性强。,由于在现代频谱仪中采用高性能的DSP(数字信号处理)芯片，使分析速度、精度和分辨率等指标不断提高。如采用32位DSP芯片，配上16位AD，很容易使频谱分析动态范围超过100 dB。在速度方面，采

27、用单个FFT芯片l024点复数变换时间可达数百微秒；采用VSLI、DSP的高速流水并行处理实时系统，可在数十微秒内完成这一运算。,6.3 信号失真度测量,6.3.1 谐波失真度的定义 信号的失真可在时域或频域进行测量。脉冲或方波的失真通常用示波器在时域观察，而正弦波的微小失真无法从波形上进行准确的观察，必须用失真度测量仪进行测量。,1. 失真模型 用频谱分析仪测量的大多数“线性电路”失真都是低电平，产生失真的器件大都是线性器件，只表现出轻微的非线性，可用幂级数来模拟： （6-3） 由于对渐变形式的非线性，kn的大小随n增大而迅速变小，只有二次效应和三次效应起决定作用，因而得到简化失真模型： （

28、6-4）,2. 单音输入 单音信号如 ，有 （6-5） 由单音信号的输出可以看到：单音信号的输出中包含了直流分量、基波及二次、三次谐波，直流分量受失真模型二次系数k2的影响，基波幅度受三次系数k3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。,3. 双音输入 双音信号如 ，有 （6-8）,4.失真度定义 失真度被定义为全部谐波能量与基波能量之比的平方根值。失真度 的定义为： （6-9） 其中， 、 ， 分别为基频和各次谐波的有效值电压。 当失真度较小时，可用下式来近似： （6-10）,6.3.2 谐波失真度的测量方法 谐波失真度的测量方法很多

29、，常用的有以下3种。 (1)谐波分析法：用频谱仪分别将信号基波和各次谐波的幅值测出，然后按定义计算，属于间接测量法； (2)基波抑制法：又称静态法，对被测器件输入单音正弦信号，并通过基波抑制网络进行直接测量； (3)白噪声法：又称动态法，利用白噪声作为测试信号，测出被测器件在通带内的各频率分量因交调而产生的谐波。,1. 基波抑制法 按照近似式进行基波抑制法测量谐波失真度的电路如图6-7所示。基波抑制网络实质上是一个陷波滤波器，专门用于滤掉基波信号而使其余谐波分量通过。,图6-7 基波抑制法测量谐波失真度的电路原理图,2. 白噪声法 白噪声法是一种广谱测量技术，属于谐波失真的动态测量方法。它通过

30、白噪声发生器产生均匀频谱密度分布的白噪声，相当于将一系列不同频率、不同相位的正弦信号加到被测电路上，可以得到被测电路在通带内的任一频率分量所产生的谐波及其互调结果。白噪声法测量电路原理如图6-8所示。,图6-8 白噪声法测量谐波失真度的电路原理图,白噪声发生器输出幅度为UN的广谱噪声信号，经过中心频率为f0的带阻滤波器后，f0及附近的频率分量被滤掉，使输出频谱产生了缝隙。该信号通过被测电路时，如果电路不存在谐波失真，就不会产生新的频率分量，输入和输出的频谱分量应相同；反之如果存在失真，由于噪声各分量的互调会导致大量的组合频率，使输出信号在f0及附近的频率处有了新的频率分量。用选频电压表选出f0

31、分量，并测得其电压幅度Uout。最终的谐波失真度 可按下式计算： （6-14） 式中，Uout为选频电压表在频率f0处的读数，U为选频电压表在同一带宽下其他频率处的读数。,6.3.3 失真度测试仪 1. 失真度仪组成原理 失真度仪有很多种型号，图6-9为一种采用基波抑制法测量失真度的测试仪简化框图。,图6-9 基波抑制法测量谐波失真度的电路原理图,被测信号经过幅度调节之后，一面被送到可调谐的陷波滤波器中滤掉基波，再进入检波器获得谐波有效值电压；同时通过旁路直接进入检波器，获得信号中所有频率成分的总有效值电压。两个代表不同电压值的信号通过除法器进行计算，最后显示出失真测量值 。 2. 主要技术指

32、标 失真度通常被用来衡量收录机、电声设备及信号发生器等的输出性能。其一般技术指标如下： 1) 频率范围：10Hz600kHz； 2) 失真度测量范围：0.01100%； 3) 失真度测量精度：510%； 4) 灵敏度：0.330mV。,6.4 线性系统频率特性的测量,6.4.1频率特性测量方法 1点频测量法 点频测量法属于静态测量法，就是逐点测量幅频特性的方法，如图6-10a所示。,图6-10 点频法测量系统的幅频特性,a) 点频法测量系统,b) 逐点描绘的幅频特性,点频法原理简单，需要的仪器也不复杂，所测出的幅频特性是我们需要的电路系统在稳态情况下的静态特性曲线。但由于要逐点测量，操作繁琐费

33、时，而且由于测试频率点是不连续的，测试过程中有可能漏掉特性曲线中的个别突变点。且实际信号包含的频率分量很多，有的信号频谱甚至是连续变化的，而静态法不能反映信号的这种变化，因而其准确度就有偏差。这种方法一般只用实验室测试研究，若用于生产线则效率太低。,2扫频测量法 所谓“扫频”，就是利用某种方法，便激励正弦信号的频率随时间变化按一定规律在一定范围内反复扫动。这种频率扫动的正弦信号称为“扫频信号”。 扫频测量法就是将等幅扫频信号加至被测电路输入端，然后用显示器来显示信号通过被测电路后振幅的变化。由于扫频信号的频率是连续变化的，因此在屏幕上可直接显示出被测电路的幅频特性。 扫频测量法是一种动态测量法

34、，它使我们可以测量被测器件或系统的动态特性。与点频测量法相比，扫频测量法具有以下优点：,1)可实现网络频率特性的自动或半自动测量，特别是在进行电路测试时，人们可以一面调节电路中的有关元件，一面观察荧光屏上频率特性曲线的变化，随时判明元件变化对幅频特性产生的影响，迅速调整，查找电路的故障。 2)由于扫频信号的频率是连续变化的，因此，所得到的被测网络的频率特性曲线也是连续的，不会出现由于点频法中频率点离散而遗漏细节的问题，且能够观察到电路存在的各种冲激变化，如脉冲干扰等，更符合被测电路的应用实际。 3)扫频测量法测量简单、速度快，可实现频率特性测量的自动化，已成为一种广泛使用的方法。,3多频测量法

35、 多频测量是利用多频信号作为激励信号的一种频域测量技术。所谓“多频信号”，是指由若干频率离散的正弦波组成的集合。多频测量将这个“多频信号”作为激励，同时加到被测系统的输入端，并检测被测网络输出信号在这些频率点的频谱，在与输入进行比较之后可以得到被测网络的频率特性。多频测量无需像点频或扫频测量那样将测量信号的频率按顺序逐点或连续变化，这样就大大提高了测量速度。直接数字频率合成(DDS)技术的发展、微处理机的普及应用和基于快速傅里叶变换(FFT)的多频测量的软件实现，更使频域测量系统的自动化进入了新的发展阶段。,4广谱快速测量法 当系统对非线性失真的要求较高时，可采用白噪声作为测量的激励倍号。由于

36、白噪声信号可看成是无穷多个不同频率、相位、幅度的正弦波的集合，测量时也就相当于将一系列不同频率、相位、幅度的正弦波同时加到被测电路上，从而给出动态测量的结果。这种方法称为广谱动态测量法。,6.4.2 相频特性测量 在测量线性系统的相频特性时，以被测电路输入端信号作为参考信号，输出端信号作为被测信号，用相位计测量输出端信号与输入端信号之间的相位差。调节正弦波发生器输出信号的频率，用描点的方法可得到相位差随频率的变化规律，即线性系统的相频特性，如图6-11所示。 当然，相频特性也可采用扫频测量法和多频测量法进行测量。,图6-11 线性系统的相频特性测量,6.4.3 扫频仪 扫频仪能够直接在显示屏上

37、显示放大器、滤波器、鉴频器以及其他有源或无源网络的频率特性，与示波器不同的是，它的横坐标为频率轴，纵坐标为电平值，而且在显示图形上叠加有频率标志，可对电路幅频特性、带宽等进行定量测量。扫频仪大大简化了测量操作，提高了工作效率，达到了快速、直观、准确、方便的目的，在生产、科研、教学上得到了广泛应用，并朝着小型化、宽频带化、数字化、智能化、多用化方向发展。,1基本工作原理 扫频仪是将扫频信号源及示波器的X-Y显示功能结合为一体，并增加了某些附属电路而构成的一种通用电子仪器，用于测量网络的幅频特性。其原理框图如图6-12所示，主要电路包括扫频和频标信号产生、检波放大及显示等几部分。 扫频信号发生器是

38、整个扫频仪的关键，对扫频信号发生器的基本要求是： 1)中心频率范围大且可以连续调节。 2)扫频宽度要宽且可任意调节，常用频偏进行描述。 3)寄生调幅要小。 4)扫描线性度好。,图6-12中，扫频信号发生电路的振荡频率受扫描电压u2所调制。通常u2为周期性的锯齿波电压，它与u1的波形相同，同时作用于扫频信号发生器和X轴放大器，一方面使扫频信号发生器输出信号u3的瞬时频率随扫描电压线性地由低到高变化，另一方面使屏幕上的亮点在水平方向上由左至右匀速移动。这样，亮点水平方向的偏移距离就与扫频信号的频率成正比，也就是屏幕上的X轴对应成了频率轴。为保证扫频信号发生电路产生的扫频信号具有恒定的幅度，扫频信号

39、发生电路还包含了自动增益控制(AGC)稳幅电路。,图6-12扫频仪的原理框图,2动态频率特性 随着扫描速度的提高，频率特性将扫频方向偏移，如图6-14所示。图中I为静态特性，、为依次提高扫速时的动态特性曲线。可以看出动态频率特性有以下特点： 1)扫频测量所得的动态特性曲线峰值低于点频测量所得的静态特性曲线。扫频速度越快，下降越多。 2)动态特性曲线峰值出现的水平位置(频率)相对于静态特性曲线有所偏离，并向频率变化的方向移动。扫频速度越快，偏离越大。 3)当静态特性曲线呈对称状时，随着扫频速度加快，动态特性曲线明显出现不对称性，并向频率变化的方向一侧倾斜。,4)动态特性曲线较平缓，其3dB带宽大

40、于静态特性曲线的3dB带宽。,图6-14 动态特性曲线,其原因是由于通常与频率特性有关的电路，实际上是由动态元件L、C等组成的(如调谐电路)，信号在其上建立或消失都需要一定的时间，扫频速度太快时，信号在其上来不及建立或消失，故谐振曲线出现滞后且展宽，出现了“失敏”或“钝化”现象。 综上所述，测量系统的动态特性必须采用扫频法；而为了得到静态特性，必须选择极慢的扫频速度以得到近似的静态特性曲线，或采用点频法。,3主要技术指标 扫频仪的主要技术指标有：有效扫频带宽、扫频线性、幅度不平坦性等。 (1)有效扫频宽度和中心频率 有效扫频宽度也称扫频频偏，是指在扫频线性和幅度不平坦性符合要求的前提下，一次扫

41、频能达到的最大频率范围，即 （6-16） 不同的测量任务对扫频宽度的要求不同，如需要分辨精细的频率特性时，希望扫频宽度小一些；测量宽带网络时，则希望扫频宽度大一些。有效扫频宽度可通过对扫描电压的大小来调节。,中心频率定义为 （6-17） 而把 称为相对扫频宽度，即 （6-18） 通常把f远小于信号瞬时频率值的扫频信号称为窄带扫频，把f可以和信号瞬时频率相比拟的扫频信号称为宽带扫频。 (2)扫频线性 扫频线性表示扫频信号频率与扫描电压之间线性相关的程度，常用扫频线性系数来表示，定义为 （6-19）,(3)幅度不平坦性 在幅频特性测量中，必须保证扫频信号的幅度保持不变。扫频信号的幅度不平坦性常用它

42、的寄生调幅来表示，定义为 （6-20） 式中，A、B表示扫频信号的最大和最小幅度。 除此之外，扫频仪的主要指标还有扫频时间、输出阻抗、输出电平等。,4扫频仪的分类 (1)按用途划分 按用途划分，扫频仪可分为通用扫频仪、专用扫频仪、宽带扫频仪、阻抗图示仪、微波综合测量仪等。 (2)按频率划分 按频率划分，扫频仪可分为低频扫频仪、高频扫频仪、电视扫频仪等。,5扫频仪的应用 扫频仪的应用范围十分广泛，在无线电通信、广播电视、雷达导航、卫星地球站等领域内，为有关电路的频率特性测量或鉴频器特性的测量，以及研究、分析或改善电路性能等提供了方便的条件。除此之外，扫频仪还能用于传输线特性阻抗的测量。,(1)电

43、路幅频特性的测量 测量电路如图6-15所示。测量时应保证输入输出阻抗的匹配。BT 3型扫频仪的输出阻抗为75 ，如果被测设备输入阻抗也是75，则用空载电缆线连接被测设备。如果被测设备为50，则应在BT 3和被测设备之间加一个阻抗匹配网络。,图6-15 幅频特性测量电路,这种幅频特性的测量为各种电路的调整带来了极大的方便，如滤波器，宽带放大器，调频接收机的中放和高放，雷达接收机，单边带接收机，电视接收机的视频放大、高放和中放通道，以及其他有源和无源四端口网络等，其频率特性都可以用扫频仪进行测量。图6-16给出了典型滤波器的频率特性测量曲线。,图6-16 典型滤波器的频率特性测量曲线,(2)电路参

44、数的测量 1)增益测量 在调好幅频特性的基础上，用粗、细调衰减器控制扫频信号的电压幅度，使它符合被测电路设计时要求的输入信号幅度。衰减器的总衰减量应不小于放大器设计的总增益。记下此时屏幕上显示的幅频高度A，输出总衰减B1(dB)；再将检波探头直接和扫频输出端短接，改变“输出衰减”，使幅频特性的高度仍为A，此时输出衰减的读数若为B2(dB)，则该放大器的增益为 （6-21）,2)带宽测量 被测电路的连接方法同测幅频特性曲线一样。对于宽带电路，可以直接使用扫频仪上的频标，方便地显示和读出频率特性曲线的带宽。有时为了更精确地测量，可以使用外接频标。对于窄带调谐回路，其谐振频率fo可以直观地读出，即曲

45、线峰顶对应的频率。 测量带宽时，先调节扫频仪输出衰减和调整Y增益，使频率特性曲线的顶部与屏幕上某一水平刻度线相切(如图6-17中与AB线相切)；然后保持Y增益不变，将扫频仪输出衰减减小3 dB，则此时屏幕上的曲线将上移而与AB线相交，两交点处的频率就分别为下限截止频率fL和上限截止频率fH。因而被测电路的带宽为 （6-22）,3)回路Q值测量 测量时电路连接和测量方法与测回路带宽相同，在用外接频标测出回路的谐振频率 以及上、下截止频率 和 后，按下面的公式即可计算出回路的Q值。 （6-23）,图6-17 扫频仪测量带宽,本章小结,1信号的频谱分析包括对信号本身的分析和对线性系统非线性失真系数的

46、测量，超外差式频谱分析仪仍是当前频谱分析的主要工具。 2. 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。 3. 时域和频域两种分析方法都能表示同一信号的特性，它们之间是可以互相转换的。 4. 滤波式频谱分析仪基本原理：先用带通滤波器选出待分析信号，然后用检波器将该频率分量变为直流信号，再送到显示器将直流信号的幅度显示出来。,5. 扫描式频谱分析仪采用单一的、中心频率可以电控调谐的带通滤波器，通过扫描调谐完成整个频带的频谱分析。 6. 扫频滤波式频谱仪与档级滤波式一样，是一种非实时频谱测量。 7. 利用数字滤波器可以实现频分或时分复用，因此仅用一个数字滤波器就

47、可以实现与并行滤波式等效的实时频谱仪。 8. 利用无线电接收机中普遍使用的自动调谐方式，通过改变扫频本振的频率来捕获待测信号的不同频率分量，称扫频外差式频谱仪。,9. 外差式频谱仪的频率指标：1)输入频率范围;2)频率扫描宽度;3)频率分辨率;4)频率精度;5)扫描时间;6)相位噪声/频谱纯度 10. 外差式频谱仪的幅度测量精度：1)动态范围;2)灵敏度/噪声电平;3)本振直通/直流响应;4)本底噪声;5)1dB压缩点和最大输入电平 11. 常见频谱分析仪的主要性能包括：1)频率范围;2)分辨率带宽;3)幅值准确度;4)频率准确度;5)扫描时间;6)灵敏度 12. 频谱分析仪除了完成幅度谱、功

48、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、邻道功率、非线性失真、调制度等频域参数进行测量。,13. 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；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真。 14. 失真度被定义为全部谐波能量与基波能量之比的平方根值。失真度 的定义为： （6-9） 其中， 、 ， 分别为基频和各次谐波有效值电压。 15. 谐波失真度的测量方法很多，常用的有：1）谐波分析法；2）基波抑制法；3）白噪声法。,16.点频法就是逐点测量幅频特性的方法，是一种静态测量方法。这种方法原理

49、简单，但操作繁琐费时，频率离散而不连续，可能遗漏掉某些特性突变点。 17. 扫频法在测试过程中，使信号源输出的信号频率能自动地从低到高连续变化，并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，就可以自动地描绘出幅颇特性曲线。 18. 随着扫描速度的提高，动态频率特性有以下特点：）顶部最大值下降；）特性曲线被展宽；）扫速越高，偏移越严重。,思考题与习题,6.1 简述数字滤波式频谱仪的工作原理。 6.2 使用并行滤波式频谱分析仪来测量110MHz的信号，如果要求达到的频率分辨率50kHz，共需要多少滤波器? 6.3 简述外差式频谱仪的组成和工作原理。 6.4 简述外差式频谱仪的主要性能指标。 6.5 如果已将外差式频谱仪调谐到某一输入信号频率上，且信号带宽小于调谐回路带宽，此时停止本振扫描，屏幕将显示什么?,6.6 什么是频谱分析仪的频率分辨率，在外差式频谱仪中，频率分辨率分别和哪些因素有关？ 6.7 要想较完整地观测频率为2