第6章 信號(hào)分析和頻域測(cè)量

1、第九章 信號(hào)(xnho)分析和頻域測(cè)量 9.1 頻譜分析的基本概念 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(xi b)失真度測(cè)量 9.6 調(diào)制度測(cè)量共七十一頁(yè)9.1 頻譜分析(fnx)的基本概念9.1.1 頻譜1. 基本概念頻譜：廣義上指組成信號(hào)的全部頻率分量的總集。一般的頻譜測(cè)量中常將隨頻率變化的幅度譜稱為頻譜。頻譜測(cè)量的基礎(chǔ)是付里葉變換。 頻譜類(lèi)型：離散譜（線狀譜），連續(xù)譜。2.周期信號(hào)的頻譜特性離散性：頻譜是離散的，由無(wú)窮多個(gè)沖激函數(shù)組成；諧波性：譜線只在基波頻率的整數(shù)倍上出現(xiàn)；收斂性：諧波幅度隨著諧波次數(shù)的增大而逐漸減小。脈沖寬度與頻

2、帶寬度重復(fù)(chngf)周期變化對(duì)頻譜的影響能量譜和功率譜共七十一頁(yè)3 非周期(zhuq)信號(hào)的頻譜頻譜密度(md)函數(shù)F (j)是的連續(xù)函數(shù)，即非周期信號(hào)的頻譜是連續(xù)的。 f (t)為實(shí)函數(shù)時(shí)，F(xiàn)(j) = F*(-j) ;f (t)為虛函數(shù)時(shí)，有F(j) = -F*(-j) 。無(wú)論f (t)為實(shí)函數(shù)或虛函數(shù)，幅度譜|F(j)|關(guān)于縱軸對(duì)稱，相位譜e j()關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱。離散時(shí)域信號(hào)的頻譜序列付氏變換：以e j n作為完備正交函數(shù)集，對(duì)給定序列做正交展開(kāi)。離散時(shí)間序列的頻譜是周期性的(周期為2)。若離散序列是周期的，頻譜一定是離散的，反之亦然；若離散序列是非周期的，頻譜一定是連續(xù)的，反之亦然

3、。共七十一頁(yè)5 快速(kui s)付氏變換FFT：實(shí)現(xiàn)(shxin)離散付氏變換、進(jìn)行時(shí)-頻域分析的一種極迅捷有效的算法。FFT算法經(jīng)過(guò)仔細(xì)選擇和重新排列中間計(jì)算結(jié)果，完成計(jì)算的速度比離散付氏變換有明顯提高，在數(shù)字式頻譜儀等儀器中得到廣泛應(yīng)用。最常見(jiàn)的FFT算法：基2的時(shí)間抽取法，即蝶形算法。若頻譜分析的記錄長(zhǎng)度為N（N常取2的冪次），進(jìn)行離散付氏變換所需的計(jì)算次數(shù)約為N2，蝶形算法需要的次數(shù)為N log2N。時(shí)域周期非周期連續(xù)離散頻域周期非周期連續(xù)離散付氏變換共七十一頁(yè)9.1.2 信號(hào)的頻譜分析(fnx)技術(shù)頻譜分析的內(nèi)容：信號(hào)本身的頻率特性分析，如對(duì)幅度譜、相位譜、能量譜、功率譜等進(jìn)行測(cè)量

4、；對(duì)線性系統(tǒng)非線性失真的(zhn de)測(cè)量，如測(cè)量噪聲、失真度、調(diào)制度等。頻譜分析儀的基本原理:FFT分析法：適于瞬態(tài)信號(hào)的頻譜測(cè)量。非實(shí)時(shí)分析法:在任意瞬間只有一個(gè)頻率成分能被測(cè)量，無(wú)法得到相位信息。適用于連續(xù)信號(hào)和周期信號(hào)的頻譜測(cè)量。掃頻式、差頻式共七十一頁(yè)頻譜分析儀分類(lèi)(fn li)分析處理方法：模擬式、數(shù)字式、模數(shù)混合式基本工作原理：掃描式、非掃描式處理的實(shí)時(shí)性：實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)頻率軸刻度：恒帶寬（線性刻度） 恒百分比帶寬（對(duì)數(shù)刻度）輸入通道數(shù)目：?jiǎn)瓮ǖ?、多通道工作頻帶(pndi)：低頻、高頻、射頻、微波等共七十一頁(yè)模擬式頻譜儀：以掃描式為基礎(chǔ)，采用濾波器或混頻器將被分析信號(hào)中各頻率分量

5、逐一分離。所有早期(zoq)的頻譜儀幾乎都屬于模擬濾波式或超外差結(jié)構(gòu)，并沿用至今。數(shù)字式頻譜儀：非掃描式，以數(shù)字濾波器或FFT為基礎(chǔ)。精度高、性能靈活，但受數(shù)字系統(tǒng)(xtng)工作頻率限制。單純數(shù)字式譜儀一般用于低頻段實(shí)時(shí)分析，尚達(dá)不到寬頻帶高精度。共七十一頁(yè)9.2 掃描式頻譜儀9.2.1 濾波式頻譜分析技術(shù)1.基本原理 用帶通濾波器選出待分析信號(hào)用檢波器將該頻率分量(fn ling)變?yōu)橹绷餍盘?hào)顯示器將直流信號(hào)的幅度顯示出來(lái)帶通濾波器的中心頻率是多個(gè)或可變的 并行濾波式掃頻調(diào)諧濾波式掃頻外差濾波式數(shù)字濾波式共七十一頁(yè)并行(bngxng)濾波式頻譜儀也可以是多個(gè)(du )檢波器后再接電子掃描開(kāi)

6、關(guān)共七十一頁(yè)掃頻調(diào)諧(tioxi)濾波式頻譜儀中心頻率可調(diào)諧(tioxi)的窄帶濾波器;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，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，適用于窄帶頻譜分析. 視頻檢波器X放大Y放大ux電調(diào)諧濾波器鋸齒波發(fā)生器共七十一頁(yè)掃頻外差式頻譜儀X放大Y放大檢波掃描信號(hào)發(fā)生器fxLOfLIF濾波窄帶濾波器中心頻率固定將要分析的頻率分量搬到固定的濾波器處進(jìn)行(jnxng)濾波共七十一頁(yè)數(shù)字濾波式頻譜儀數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)與并行濾波式等效的實(shí)時(shí)分析(fnx)。濾波器的中心頻率由時(shí)基電路控制。 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。頻率分辨力高，具有高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和可編程性等優(yōu)點(diǎn)

7、。共七十一頁(yè)2.帶通濾波器的性能指標(biāo)帶寬(di kun)3dB帶寬(di kun)(半功率帶寬) 分辨率帶寬（RBW）反映濾波器區(qū)分兩個(gè)相同幅度、不同頻率的信號(hào)的能力共七十一頁(yè)波形(b xn)因子反映區(qū)分(qfn)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： 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)共七十一頁(yè) 等絕對(duì)(judu)帶寬或等信息量帶寬：線性頻率刻度下對(duì)稱0dB對(duì)數(shù)頻率-10dB-20dB-30dB-40dB-50dB0.2f00.5f0f02f05f0倍頻程選擇性1倍頻程1倍頻程恒帶寬(di kun)與恒百分比

8、帶寬(di kun)恒百分比帶寬: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)。對(duì)數(shù)刻度下頻率特性對(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。 濾波器響應(yīng)時(shí)間（建立時(shí)間）信號(hào)從加到濾波器到獲得穩(wěn)定輸出（達(dá)到穩(wěn)幅幅度的90 ）所需的時(shí)間TR。它與絕對(duì)帶寬B成反比：TR1/B。響應(yīng)時(shí)間短，測(cè)量速度快；窄帶濾波器建立時(shí)間長(zhǎng)，但頻率分辨率高、信噪比好。響應(yīng)時(shí)間限制掃描分析速度，影響實(shí)時(shí)性。共七十一頁(yè)9.2.2 外差式頻譜儀基本思想超外差式收音機(jī) 無(wú)線電接收機(jī)中普遍使用(shyng)的自動(dòng)調(diào)諧方式改變掃頻本振頻率來(lái)捕獲待測(cè)信號(hào)不同頻率分量fifxfxf

9、L= fI+fxfxfIfi共七十一頁(yè)實(shí)施頻譜分析的傳統(tǒng)途徑，在高頻段占據(jù)優(yōu)勢(shì)。頻率(pnl)范圍寬、靈敏度高、頻率(pnl)分辨率可變，目前頻譜儀中數(shù)量最大的一種。由于被分析的頻譜依次被順序采樣，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。只能提供幅度譜，不能提供相位譜。1 外差式頻譜儀的組成(z chn)視頻濾波X放大Y放大fx檢波掃描信號(hào)發(fā)生器LOfLIF濾波中頻信號(hào)處理輸入電路共七十一頁(yè)2 輸入(shr)通道相當(dāng)于寬頻段、窄帶寬的外差式自動(dòng)選頻接收機(jī)。前端。輸入衰減(shui jin)：避免電平過(guò)高引起失真，阻抗匹配。低噪聲放大：從電平上保證獲得較佳混頻效果。低通濾波：濾除分析范圍以外的頻率分量?；祛l：頻率變換

10、共七十一頁(yè)鏡像頻率(pnl)交疊問(wèn)題如果輸入頻率的范圍大于2fI，將與鏡頻在本振處交疊。通常的頻譜儀輸入頻率非常(fichng)寬，一般的抑制鏡頻濾波器難以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。解決辦法是選擇高中頻，本振頻率相應(yīng)提高。| fL fX | = fI共七十一頁(yè)抑制(yzh)鏡頻的高中頻解決方案鏡頻范圍遠(yuǎn)在輸入頻率范圍之上，兩者不會(huì)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(lái)的濾波器實(shí)現(xiàn)(shxin)問(wèn)題。用固定調(diào)諧的低通濾波器濾去鏡頻。共七十一頁(yè)多級(jí)混頻(hn pn)高中頻很難實(shí)現(xiàn)窄帶帶通濾波和性能良好的檢波，需要進(jìn)行多級(jí)變頻（混頻）處理。第一混頻實(shí)現(xiàn)高中頻頻率變換，再由第二、三級(jí)甚至第四級(jí)混頻將固

11、定(gdng)的中頻逐漸降低。每級(jí)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。固定中頻？共七十一頁(yè)3 中頻(zhngpn)信號(hào)預(yù)處理完成固定中頻信號(hào)的自動(dòng)增益放大、分辨率濾波等處理。中頻濾波器的帶寬通?？沙炭?，以提供不同的頻率分辨率。 中頻信號(hào)幅度調(diào)節(jié)：自動(dòng)增益電路。末級(jí)混頻的增益必須能夠以小步進(jìn)精密調(diào)節(jié)，以保持后續(xù)電路中的最大信號(hào)電平固定而不受前端的影響。 中頻濾波器：減小噪聲(zoshng)帶寬、分辨各頻率分量。頻譜儀的分辨率帶寬由最后一個(gè)中頻濾波器的帶寬決定。數(shù)字濾波器選擇性較好、沒(méi)有漂移，能夠?qū)崿F(xiàn)極穩(wěn)定的窄分辨率帶寬。4 檢波器中頻信號(hào)：調(diào)幅波包絡(luò)檢波器：產(chǎn)生與中頻信號(hào)的電平成正比

12、的直流電平。由一個(gè)二極管和一個(gè)并聯(lián)RC電路串接而成。合適的時(shí)間常數(shù)選擇，頻率掃描速度太快檢波器會(huì)來(lái)不及響應(yīng)。共七十一頁(yè)5 視頻(shpn)濾波器 用于對(duì)顯示結(jié)果進(jìn)行(jnxng)平滑或平均，以減小噪聲影響。 基本原理：實(shí)質(zhì)是低通濾波器，當(dāng)視頻濾波器截止頻率小于分辨率帶寬時(shí)，視頻系統(tǒng)跟不上中頻信號(hào)包絡(luò)的快速變化，而使信號(hào)的起伏被“平滑”掉。 應(yīng)用：噪聲測(cè)量。特別是RBW較大時(shí)，減小VBW將削弱噪聲峰峰值的變化，當(dāng)VBW/RBW RBW：ST不受VBW影響，與RBW2成反比：VBW2.56 fmax頻率分辨率：f=fS/N。動(dòng)態(tài)范圍：取決于ADC的位數(shù)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)運(yùn)算的字長(zhǎng)或精度。靈敏度：取決于本底

13、噪聲，主要由前置放大器噪聲決定。幅度讀數(shù)精度：幅度譜線的誤差來(lái)源包括計(jì)算處理誤差、頻譜混疊誤差、頻譜泄漏誤差以及每次單個(gè)記錄分析所含的統(tǒng)計(jì)誤差等。其中統(tǒng)計(jì)誤差與信號(hào)處理方法、譜估計(jì)方法、統(tǒng)計(jì)平均方法及次數(shù)有關(guān)，往往需要在改變?cè)O(shè)置和多次分析之后才能獲得較好結(jié)果。分析速度：主要取決于N點(diǎn)FFT的運(yùn)算時(shí)間、平均運(yùn)行時(shí)間及結(jié)果處理時(shí)間，實(shí)時(shí)頻譜分析的頻率上限可由FFT的速度推算而得。若是實(shí)信號(hào)的功率譜計(jì)算，則速度可以提高一倍。其他特性：可選的窗函數(shù)種類(lèi)；數(shù)據(jù)觸發(fā)方式；顯示方式；結(jié)果存儲(chǔ)、輸入(shr)/輸出功能等。共七十一頁(yè)9.3.2 FFT分析儀的實(shí)現(xiàn)(shxin)FFT分析的硬件(yn jin)實(shí)

14、現(xiàn)可選方案：ASIC、FPGA、DSP選擇準(zhǔn)則：可編程性、集成度、開(kāi)發(fā)周期、性能、功耗可編程性集成度開(kāi)發(fā)周期性能功耗ASIC低較低短最佳中FPGA較高高最長(zhǎng)兩者相當(dāng)?shù)虳SP最高高較長(zhǎng)高結(jié)論：鑒于頻譜分析通常需要較高的可編程性，因此使用DSP實(shí)現(xiàn)FFT，而使用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波、抽取等其他數(shù)字信號(hào)處理。共七十一頁(yè)FFT的軟件(run jin)實(shí)現(xiàn)基2的時(shí)間抽取DFT算法（蝶形算法）基本原理 對(duì)任何一個(gè)2的整數(shù)次冪N = 2M，總可以通過(guò)M次分解成為2點(diǎn)DFT計(jì)算。M次分解構(gòu)成了從時(shí)域信號(hào)xn到對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)X(k) 的M級(jí)迭代運(yùn)算(yn sun)，每級(jí)均由N/2個(gè)蝶形運(yùn)算組成。計(jì)算方程如下：

15、基2的N點(diǎn)FFT計(jì)算步驟將輸入數(shù)據(jù)做位倒序進(jìn)行蝶形運(yùn)算計(jì)算xn的頻譜： 由頻譜求平方得功率譜 共七十一頁(yè)9.3.3 FFT分析儀與外差式頻譜分析儀 FFT分析儀測(cè)量速度快。外差式譜儀測(cè)量速度受限于分辨率帶寬，在較低頻段區(qū)分緊鄰的譜線需要很窄的RBW，因此導(dǎo)致掃描時(shí)間可能會(huì)長(zhǎng)到無(wú)法忍受。而FFT分析儀的速度僅取決于量化和FFT計(jì)算所需的時(shí)間，在相等的頻率分辨率下，F(xiàn)FT分析儀較外差式頻譜儀快得多。 由于FFT分析儀需使用高速ADC進(jìn)行過(guò)采樣，可分析的頻率范圍受限于A/D器件的速度，因而在頻率覆蓋范圍上FFT分析儀不及外差式頻譜儀。現(xiàn)代譜儀將外差式掃描頻譜分析技術(shù)與FFT數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，兼

16、有兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：前端仍采用(ciyng)傳統(tǒng)的外差式結(jié)構(gòu)，而在中頻處理部分采用(ciyng)數(shù)字結(jié)構(gòu)，中頻信號(hào)由ADC量化，F(xiàn)FT則由通用微處理器或?qū)Ｓ脭?shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)。這種方案充分利用了外差式頻譜儀的頻率范圍和FFT優(yōu)秀的頻率分辨率，使得在很高的頻率上進(jìn)行極窄帶寬的頻譜分析成為可能，整機(jī)性能大大提高。共七十一頁(yè)9.4 頻譜分析儀在頻域測(cè)試(csh)中的應(yīng)用除了完成幅度譜、功率譜等一般的測(cè)量功能外，頻譜儀還能夠用于對(duì)如相位(xingwi)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(cè)量。9.4.1 相位噪聲測(cè)量隨機(jī)性頻率變化的相位不穩(wěn)定度是隨機(jī)的，故被稱為相位噪聲。相位噪聲是本振短期穩(wěn)定度的

17、表征，也是頻譜純度的一個(gè)重要度量指標(biāo)。它通常會(huì)引起波形在零點(diǎn)處的抖動(dòng)，在時(shí)域中不易辨別，在頻域中表現(xiàn)為載波的邊帶，所以常在頻域進(jìn)行測(cè)量。 共七十一頁(yè)測(cè)量(cling)過(guò)程晶振的單邊帶相位噪聲通常(tngchng)指在載波頻率的某一固定頻偏處，在1Hz帶寬內(nèi)相對(duì)于載波電平的幅度，單位為dBc（1Hz）或dBc/Hz。 測(cè)量載波電平幅度AC 測(cè)量頻偏foff處的相位噪聲幅度APN RBW的選擇相位噪聲總是在一定頻偏處進(jìn)行測(cè)量，所以通常需要選擇較小分辨率帶寬。 RBW過(guò)大：無(wú)法抑制頻偏foff處的載波功率，造成進(jìn)入檢波器的內(nèi)部噪聲電平大于被測(cè)相位噪聲電平，因而無(wú)法測(cè)量。 RBW過(guò)小：掃描時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。共

18、七十一頁(yè)動(dòng)態(tài)(dngti)范圍頻譜儀的熱噪聲和系統(tǒng)固有的相位噪聲總是交織在一起，同時(shí)影響著頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍。通常很難區(qū)分。當(dāng)輸入信號(hào)大到足以忽略頻譜儀的熱噪聲效應(yīng)時(shí)，則在較小的載波頻偏處，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍只取決于本振相位噪聲；系統(tǒng)固有相噪會(huì)隨載波頻偏的增加而減小，因而在較大頻偏處，動(dòng)態(tài)范圍更多地受熱噪聲的影響;為了盡可能降低熱噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的限制，盡量提高第一混頻的輸入電平可以獲得(hud)較高的信噪比。但信號(hào)電平過(guò)高會(huì)引入諧波。如果輸入信號(hào)的頻率大于所能測(cè)量的相位噪聲的最大頻偏值，諧波就會(huì)落在感興趣的頻段之外，不致造成任何影響。如果輸入信號(hào)電平超出了儀器的動(dòng)態(tài)范圍，就必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p了。共七

19、十一頁(yè)9.4.2 脈沖信號(hào)(xnho)測(cè)量脈沖(michng)是雷達(dá)和數(shù)字通信中的一類(lèi)重要信號(hào)，它的測(cè)量比連續(xù)波形困難。單脈沖的付氏變換：周期性脈沖串，付氏級(jí)數(shù)： 時(shí)域中的重復(fù)脈沖 頻域中的脈沖串頻譜 由于實(shí)時(shí)性的限制，掃頻式頻譜分析儀無(wú)法完成測(cè)量單脈沖這樣的瞬態(tài)時(shí)間。能夠完成測(cè)量任務(wù)的FFT分析儀的分析帶寬必須能將脈沖信號(hào)包含在內(nèi)。共七十一頁(yè)線狀譜與包絡(luò)(bo lu)譜 當(dāng)RBW比脈沖重復(fù)頻率PRF小時(shí)，頻譜儀能夠區(qū)分每一條諧波的譜線，線狀譜。窄RBW可改善信噪比，顯示結(jié)果與信號(hào)實(shí)際(shj)頻譜非常接近。改變掃描寬度能使被測(cè)頻譜適當(dāng)?shù)丶訉捇蜃冋粫?huì)影響頻譜的形狀。 在用戶并不過(guò)多關(guān)心單

20、獨(dú)譜線的情況下，通過(guò)選擇較寬的RBW（如大于脈沖諧波的PRF），頻譜儀可以顯示脈沖波形的包絡(luò)而不展示譜線的細(xì)節(jié)，包絡(luò)譜或脈沖譜。 共七十一頁(yè)9.5 諧波(xi b)失真度測(cè)量9.5.1 諧波(xi b)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)介共七十一頁(yè)9.5.1 諧波(xi b)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(guò)網(wǎng)絡(luò)后往往會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量，這種現(xiàn)象(xinxing)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

21、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共七十一頁(yè)失真(sh zhn)模型 產(chǎn)生失真的器件大都(ddu)是線性器件，只表現(xiàn)出輕微的非線性。這種失真可用冪級(jí)數(shù)來(lái)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： 共七十一頁(yè)單音、雙音輸入(shr) 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

22、進(jìn)行最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)失真(sh zhn)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：?jiǎn)我粜盘?hào)的輸出中包含了直流分量、基波及二次、三次諧波。 共七十一頁(yè)單音、雙音輸入(shr)（續(xù)1） 由單音信號(hào)的輸出可以(ky)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。共七十一頁(yè)單音、雙音輸入(shr)（續(xù)2） 雙音輸入 雙音信號(hào)如Vin=

23、A1cos1t + A2cos2t ，將它作為輸入信號(hào)進(jìn)行(jnxng)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)幅度將變化2dB；三次項(xiàng)將變化3dB。共七十一頁(yè)失真度定義(dngy) 失真度被定義為全部(qunb)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。共七

24、十一頁(yè)9.5.2 諧波(xi b)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(guò)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)，測(cè)出被測(cè)器件在通帶內(nèi)的各頻率分量(fn ling)因交調(diào)而產(chǎn)生的諧波。共七十一頁(yè)基波(j b)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(dngy)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

25、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： 共七十一頁(yè)基波(j b)抑制法（續(xù)） 按照近似式進(jìn)行基波抑制法測(cè)量諧波(xi b)失真度的電路如下圖。基波抑制網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)陷波濾波器，專(zhuān)門(mén)用于濾掉基波信號(hào)而使其余諧波分量通過(guò)。 共七十一頁(yè) 開(kāi)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，也就是使近似式中的分母為1這個(gè)過(guò)程稱為“校準(zhǔn)”； 開(kāi)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)(c sh)電路對(duì)基波的衰減量最大。由于基波已被抑制，此時(shí)(c sh)測(cè)出的是被測(cè)信號(hào)的諧波電壓總有效值。由于

26、電壓表已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，故當(dāng)前指示值就是D值。共七十一頁(yè)白噪聲(zoshng)法 白噪聲法是一種廣譜測(cè)量技術(shù)(jsh)，屬于諧波失真的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法。它通過(guò)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：共七十一頁(yè)白噪聲(zoshng)法（續(xù)） 白噪聲發(fā)生器輸出廣譜噪聲信號(hào)UN，經(jīng)過(guò)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(guò)(tnggu)被測(cè)電路時(shí)，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

27、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)。 共七十一頁(yè)9.5.3 失真度測(cè)試儀簡(jiǎn)介(jin ji) 失真度儀組成原理(yunl) 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。共七十一頁(yè)失真度儀組成(z chn)原理（續(xù)） 被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)旁路直接進(jìn)入檢波器，獲得信號(hào)中所有頻率成分的總有效值電壓。兩個(gè)代

28、表不同電壓值的信號(hào)通過(guò)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(lái)的其他成分，因此上圖所示的失真度儀所測(cè)的結(jié)果(ji gu)包含了總諧波加噪聲失真，定義式為 共七十一頁(yè)主要(zhyo)技術(shù)指標(biāo) 失真度通常被用來(lái)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(xngnng)。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共七十一頁(yè)9.6 調(diào)制度(zhd)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(dio pn)信號(hào)測(cè)量共七十一頁(yè)9.6.1 調(diào)制

29、度(zhd)測(cè)量概述 調(diào)制的基本概念 調(diào)制就是(jish)對(duì)信號(hào)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^(guò)程。 一般來(lái)說(shuō)，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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。共七十一頁(yè)調(diào)制(tiozh)的基本概念（續(xù)）常見(jiàn)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

30、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（PCM）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）、增量調(diào)制（調(diào)制）等。 最常見(jiàn)和最基本(jbn)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。共七十一頁(yè)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(zhd)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)(

31、zhsh)、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。共七十一頁(yè)調(diào)頻系數(shù)是指最大頻偏與調(diào)制信號(hào)的頻率之比：mf=f / f0其中(qzhng),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)。 共七十一頁(yè)9.6.2 調(diào)幅度(fd)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(fn zh)檢波器檢出調(diào)制信號(hào)的峰值(fn zh)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。 共七十一頁(yè)功率(gngl)計(jì)法 這種方法基于已調(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(rnhu)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。 共七十一頁(yè)頻譜儀法 正弦信號(hào)調(diào)幅(dio f)的結(jié)果除了載頻之外還有上、下兩個(gè)邊頻，邊頻的