第6章 信號分析和頻域測量

1、現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第1頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第2頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第3頁 nnjjenfeF )( deeFnfnjj)(21現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第4頁時域時域周期周期非周期非周期連續(xù)連續(xù)離散離散頻域頻域周期周期非周期非周期連續(xù)連續(xù)離散離散付付氏氏變變換換現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第5頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第6頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第7頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第8頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第9頁前置前置放大器放大器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器門門門門門門門門脈沖分配器脈沖分配器脈沖脈沖發(fā)生器發(fā)生器階梯波階梯波發(fā)生

2、器發(fā)生器X放大放大Y放大放大ux檢波檢波現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第10頁視頻視頻檢波器檢波器X放大放大Y放大放大ux 電調(diào)諧電調(diào)諧濾波器濾波器鋸齒波鋸齒波發(fā)生器發(fā)生器現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第11頁X放大放大Y放大放大檢波檢波掃描信號掃描信號發(fā)生器發(fā)生器fxLOfLIF 濾波濾波現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第12頁uxA/D數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)緩緩存存數(shù)數(shù)字字濾濾波波器器數(shù)數(shù)字字檢檢波波平平均均顯顯示示時時基基地地址址控控制制現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第13頁3dB帶寬帶寬(半功率帶寬半功率帶寬) ) 分辨率帶寬（分辨率帶寬（RBW）反映濾波器）反映濾波器區(qū)分兩個相同幅度、不同頻率的區(qū)分兩個相同幅度、不同頻率的

3、信號的能力信號的能力實實際際濾濾波波器器理理想想濾濾波波器器3dB點點3dB帶帶寬寬A20fA20f10.707f0f2f1RBWRBWRBW現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第14頁dBff1f23dB60dB0204060B3dBB40dBB60dB3dBf0dBf反映區(qū)分兩個不等幅信號反映區(qū)分兩個不等幅信號的能力，也稱帶寬選擇性的能力，也稱帶寬選擇性波形因子定義：波形因子定義： dBdBBBSF3603/60/ 也可用也可用40dB帶寬與帶寬與3dB帶寬之帶寬之比表示。比表示。波形因子較小的濾波波形因子較小的濾波器的特性曲線更接近于矩形，器的特性曲線更接近于矩形，故波形因子也稱故波形因子也稱矩形系

4、數(shù)矩形系數(shù)現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第15頁 等絕對帶寬或等信息量帶寬：等絕對帶寬或等信息量帶寬：線性頻率刻度下對稱線性頻率刻度下對稱0dB對數(shù)頻率對數(shù)頻率-10dB-20dB-30dB-40dB-50dB0.2f00.5f0f02f05f0倍頻程倍頻程選擇性選擇性1倍頻程倍頻程 1倍頻程倍頻程恒百分比帶寬恒百分比帶寬: :絕對帶寬絕對帶寬B與與中心頻率中心頻率f0的比值（即相對帶的比值（即相對帶寬）是常數(shù)寬）是常數(shù)。對數(shù)刻度下頻率對數(shù)刻度下頻率特性對稱。常用特性對稱。常用“倍頻程選擇倍頻程選擇性性”表示遠(yuǎn)離中心頻率一倍頻表示遠(yuǎn)離中心頻率一倍頻率處（率處（0.5f0和和2f0）的濾波器衰）的濾波

5、器衰減量。減量?，F(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第16頁u 基本思想基本思想超外差式收音機(jī)超外差式收音機(jī) 無線電接收機(jī)中普遍使用的自動調(diào)諧方式無線電接收機(jī)中普遍使用的自動調(diào)諧方式改變掃頻本振頻率來捕獲待測信號不同頻率分量改變掃頻本振頻率來捕獲待測信號不同頻率分量fifxfxfL= fI+fxfxfIfi現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第17頁n實施頻譜分析的傳統(tǒng)途徑，在高頻段占據(jù)優(yōu)勢。實施頻譜分析的傳統(tǒng)途徑，在高頻段占據(jù)優(yōu)勢。視頻視頻濾波濾波X放大放大Y放大放大fx檢波檢波掃描信號掃描信號發(fā)生器發(fā)生器LOfLIF濾波濾波中頻信號處理中頻信號處理輸入輸入電路電路現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第18頁相當(dāng)于寬頻段、窄帶

6、寬的外差式自動選頻接收機(jī)。相當(dāng)于寬頻段、窄帶寬的外差式自動選頻接收機(jī)。前端。前端。u 輸入衰減：輸入衰減：避免電平過高引起失真，阻抗匹配。避免電平過高引起失真，阻抗匹配。u 低噪聲放大：低噪聲放大：從電平上保證獲得較佳混頻效果。從電平上保證獲得較佳混頻效果。u 低通濾波：低通濾波：濾除分析范圍以外的頻率分量。濾除分析范圍以外的頻率分量。u 混頻：混頻：頻率變換頻率變換現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第19頁如果輸入頻率的范圍如果輸入頻率的范圍大于大于2fI，將與鏡頻，將與鏡頻在本振處交疊。通在本振處交疊。通常的頻譜儀輸入頻常的頻譜儀輸入頻率非常寬，一般的率非常寬，一般的抑制鏡頻濾波器難抑制鏡頻濾波器難

7、以實現(xiàn)調(diào)諧。解決以實現(xiàn)調(diào)諧。解決辦法是選擇辦法是選擇高中頻高中頻，本振頻率相應(yīng)提高。本振頻率相應(yīng)提高。AffIfXfLfimagf = fI輸輸 入入 濾濾 波波鏡鏡 像像 頻頻 率率頻頻 率率 變變 換換| fL fX | = fI現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第20頁ffI頻頻率率變變換換輸輸入入頻頻率率范范圍圍本本振振頻頻率率范范圍圍鏡鏡像像頻頻率率范范圍圍低低通通濾濾波波fI = fL- fXfI = fimag- fL鏡頻范圍遠(yuǎn)在輸入頻率范圍之上，兩者不會交疊；中頻頻率鏡頻范圍遠(yuǎn)在輸入頻率范圍之上，兩者不會交疊；中頻頻率越高，鏡頻距本振越遠(yuǎn)，可避免因交疊而帶來的濾波器實現(xiàn)越高，鏡頻距本振越

8、遠(yuǎn)，可避免因交疊而帶來的濾波器實現(xiàn)問題。用固定調(diào)諧的低通濾波器濾去鏡頻。問題。用固定調(diào)諧的低通濾波器濾去鏡頻。現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第21頁高中頻很難實現(xiàn)窄帶帶通濾波和性能良好的檢波，需要進(jìn)行高中頻很難實現(xiàn)窄帶帶通濾波和性能良好的檢波，需要進(jìn)行多級變頻（混頻）處理。多級變頻（混頻）處理。第一混頻實現(xiàn)高中頻頻率變換，再第一混頻實現(xiàn)高中頻頻率變換，再由第二、三級甚至第四級混頻將固定的中頻逐漸降低。由第二、三級甚至第四級混頻將固定的中頻逐漸降低。每級每級混頻之后有相應(yīng)的帶通濾波器抑制高次諧波交調(diào)分量?；祛l之后有相應(yīng)的帶通濾波器抑制高次諧波交調(diào)分量。低低通通濾濾波波帶帶通通濾濾波波帶帶通通濾濾波波射

9、射頻頻輸輸入入100KHz3GHz第第一一本本振振4GHz6.9GHz3.9GHz第第二二本本振振第第三三本本振振3.56GHz340MHz329.3MHz10.7MHz固定中頻？固定中頻？現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第22頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第23頁 用于對顯示結(jié)果進(jìn)行平滑或平均，以減小噪聲影響。用于對顯示結(jié)果進(jìn)行平滑或平均，以減小噪聲影響。u 基本原理基本原理：實質(zhì)是低通濾波器，當(dāng)：實質(zhì)是低通濾波器，當(dāng)視頻視頻濾波器截止頻率小濾波器截止頻率小于分辨率帶寬時，視頻系統(tǒng)跟不上中頻信號包絡(luò)的快速變化，于分辨率帶寬時，視頻系統(tǒng)跟不上中頻信號包絡(luò)的快速變化，而使信號的起伏被而使信號的起伏被“平滑平

10、滑”掉。掉。u 應(yīng)用應(yīng)用：噪聲測量。特別是：噪聲測量。特別是RBW較大時，減小較大時，減小VBW將削弱將削弱噪聲峰峰值的變化，當(dāng)噪聲峰峰值的變化，當(dāng)VBW/RBW 0.01 時，效果明顯。時，效果明顯。 頻譜儀進(jìn)行一次掃描所得的頻譜圖的跡線即頻譜儀進(jìn)行一次掃描所得的頻譜圖的跡線即“蹤跡蹤跡”（TraceTrace）、）、“掃跡掃跡”、“軌跡軌跡”、“軌跡線軌跡線”。u 標(biāo)記標(biāo)記（MarkerMarker）：最大）：最大/ /最小值、相對幅度或頻率，有助最小值、相對幅度或頻率，有助于改善相對測量精度、減小讀數(shù)誤差。于改善相對測量精度、減小讀數(shù)誤差。u 蹤跡平均處理蹤跡平均處理：對同一輸入信號多次

11、掃描所得的蹤跡進(jìn)：對同一輸入信號多次掃描所得的蹤跡進(jìn)行的平均。行的平均。線性加權(quán)蹤跡平均、指數(shù)加權(quán)蹤跡平均線性加權(quán)蹤跡平均、指數(shù)加權(quán)蹤跡平均現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第24頁VBWRBWVBWRBW：STST與與VBWVBW成線性反比。成線性反比。)( 2VBWRBWRBWSpanKST 現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第25頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第26頁頻率指標(biāo)頻率指標(biāo)幅度指標(biāo)幅度指標(biāo)現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第27頁中頻濾波器的中頻濾波器的3dB帶寬決定了可區(qū)分的兩個等幅信號的最小帶寬決定了可區(qū)分的兩個等幅信號的最小頻率間隔。如果區(qū)分不等幅信號，分辨率就與濾波器的形狀頻率間隔。如果區(qū)分不等幅信號，

12、分辨率就與濾波器的形狀因子有關(guān)。因子有關(guān)?，F(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第28頁 CHzBRBWNSpanASpanffrefx%1% 相噪，頻率短穩(wěn)指標(biāo)。表現(xiàn)為載波邊帶，也稱邊帶噪聲。相噪，頻率短穩(wěn)指標(biāo)。表現(xiàn)為載波邊帶，也稱邊帶噪聲。通常用在源頻率的某一頻偏上相對于載波幅度下降的通常用在源頻率的某一頻偏上相對于載波幅度下降的dBcdBc數(shù)值數(shù)值表示，如在表示，如在9KHz9KHz頻偏處頻偏處90dBc90dBc。 相噪由本振頻率或相位不穩(wěn)定引起。相噪由本振頻率或相位不穩(wěn)定引起。有效設(shè)置頻譜儀參數(shù)有效設(shè)置頻譜儀參數(shù)可使相噪達(dá)到最小（可使相噪達(dá)到最?。≧BWRBW減小，相噪降低）減小，相噪降低），但無

13、法消除，但無法消除。相。相噪也是影響譜儀分辨不等幅信號的因素之一。噪也是影響譜儀分辨不等幅信號的因素之一?，F(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第29頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第30頁實際混頻器會產(chǎn)生本振和射頻信號。當(dāng)本振頻率與中頻的中心頻率相同或非常接近時，這個對應(yīng)于零頻（直流）輸入的本振信號將通過中頻濾波器，即本振饋通。現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第31頁RF輸輸入入LOfLADCDDCFFT處處理理顯顯示示LPF中中頻頻預(yù)預(yù)處處理理現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第32頁模模擬擬濾濾波波取取樣樣電電路路ADCsfFFT數(shù)數(shù)字字信信號號處處理理器器數(shù)數(shù)字字濾濾波波數(shù)數(shù)字字正正弦弦波波fLfHf（ a）0fLfH-f

14、Lff（ b）（ c ）00現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第33頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第34頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第35頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第36頁)()()()()()(11qXWpXqXqXWpXpXmkNmmmkNmm 基基2的的N點點FFT計算步驟計算步驟將輸入數(shù)據(jù)做位倒序?qū)⑤斎霐?shù)據(jù)做位倒序進(jìn)行蝶形運算進(jìn)行蝶形運算計算計算xn的頻譜：的頻譜： 由頻譜求平方得功率譜由頻譜求平方得功率譜 10)(NnnkNWnxkX現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第37頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第38頁除了完成幅度譜、功率譜等一般的測量功能外，頻譜儀還能除了完成幅度譜、功率譜等一般的測量功能外，頻譜儀還能

15、夠用于對如相位噪聲、鄰道功率、非線性失真、調(diào)制度等頻夠用于對如相位噪聲、鄰道功率、非線性失真、調(diào)制度等頻域參數(shù)進(jìn)行測量。域參數(shù)進(jìn)行測量?，F(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第39頁AAPNACfTfoff1Hzf本本 振振 信信 號號現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第40頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第41頁 2222sin fffV tTnTnTnTTtxn 2cossin21 TtfV(f)1/T1/2/ 時域中的重復(fù)脈沖時域中的重復(fù)脈沖 頻域中的脈沖串頻譜頻域中的脈沖串頻譜現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第42頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第43頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第44頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第45頁ninnin

16、ininoutVkVkVkVkkV 332210其中其中k0：系統(tǒng)輸出直流分量；：系統(tǒng)輸出直流分量；k1：電路增益；：電路增益；k2及以及以上的其余系數(shù)：電路的非線性特性。上的其余系數(shù)：電路的非線性特性。如果電路是完如果電路是完全線性的，則除全線性的，則除k1之外的所有系數(shù)均應(yīng)為之外的所有系數(shù)均應(yīng)為0。 由于對漸變形式的非線性，由于對漸變形式的非線性，kn的大小隨的大小隨n增大而增大而迅速變小，只有二次、三次效應(yīng)起決定作用。故可迅速變小，只有二次、三次效應(yīng)起決定作用。故可忽略上式中忽略上式中k3以后的各項，因而得到以后的各項，因而得到簡化失真模型簡化失真模型： 332210inininoutV

17、kVkVkkV 現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第46頁 tAktAktAkAkAkkttAktAktAkkVout 3cos412cos21cos4321 3cos41cos432cos121cos3322331220332210 現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第47頁 dBdBAAAAA3log203A20log , 2log202log2032 現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第48頁 ttcttcttcttcttcttctctctctctctccVout12121211211021921821726152413221102cos2cos 2cos 2coscoscos 3cos3cos2cos2coscos

18、cos 現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第49頁失真度失真度D0以百分比（）或分貝以百分比（）或分貝（dB）為單位，亦稱失真系數(shù)。）為單位，亦稱失真系數(shù)。 %1001220 uuDMmm其中其中u1、u2、um分別表示基頻及其各次諧波分別表示基頻及其各次諧波的均方根值。的均方根值。現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第50頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第51頁%1001222 MmmMmmuuD 按照近似式測量失真度，所得的是諧波電壓總按照近似式測量失真度，所得的是諧波電壓總有效值與被測信號總有效值之比。近似的條件：有效值與被測信號總有效值之比。近似的條件：當(dāng)當(dāng)失真度小于失真度小于9時，可用近似失真度測量值時，可用近

19、似失真度測量值D代替定代替定義值義值D0，否則需對，否則需對D值進(jìn)行換算或修正值進(jìn)行換算或修正。換算公式。換算公式為：為： 201DDD 現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第52頁輸輸入入衰衰減減基基波波抑抑制制網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò)有有效效值值電電壓壓表表12S單單音音輸輸入入現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第53頁1. 開關(guān)開關(guān)S先打到先打到1處，處，測出被測信號的電壓總有效值測出被測信號的電壓總有效值。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，該值完全對應(yīng)于失真度大小，也就是準(zhǔn)電平值，該值完全對應(yīng)于失真度大小，也就是使近似式中的分母為使近似式中的分母為1這個過程稱為

20、這個過程稱為“校校準(zhǔn)準(zhǔn)”；2. 開關(guān)打到開關(guān)打到2處，調(diào)整基波抑制網(wǎng)絡(luò)使電壓表指示處，調(diào)整基波抑制網(wǎng)絡(luò)使電壓表指示最小，表明此時電路對基波的衰減量最大。由于最小，表明此時電路對基波的衰減量最大。由于基波已被抑制，此時基波已被抑制，此時測出的是被測信號的諧波電測出的是被測信號的諧波電壓總有效值壓總有效值。由于電壓表已經(jīng)過校準(zhǔn)，故當(dāng)前指。由于電壓表已經(jīng)過校準(zhǔn)，故當(dāng)前指示值就是示值就是D值。值。現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第54頁白白噪噪聲聲發(fā)發(fā)生生器器帶帶阻阻濾濾波波器器被被測測電電路路選選頻頻電電壓壓表表f0f0UoutUNf0現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第55頁%100 UUDout其中，其中，Uout為選頻電壓表在頻率為選頻電壓表在頻率f0處的讀數(shù)，處的讀數(shù)，U為同為同一帶寬下其他頻率處的電壓表讀數(shù)。一帶寬下其他頻率處的電壓表讀數(shù)。 現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第56頁顯顯示示調(diào)調(diào)諧諧陷陷波波濾濾波波器器現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第57頁 MmNmMmNmuuuuND122222現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第58頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第59頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第60頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)代電子測量第61頁現(xiàn)代電子測量現(xiàn)