電子測(cè)量技術(shù)

電子丈量技術(shù)西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院孫永奎:yksun@6頻域丈量技術(shù)6.1概述6.2頻譜分析儀6.1概述頻域和時(shí)域的關(guān)系頻譜分析常用頻域測(cè)試儀器6.1.1頻域和時(shí)域的關(guān)系時(shí)域丈量頻域丈量時(shí)間頻率振幅頻域與時(shí)域6.1.2頻譜分析在頻域中分析信號(hào)的頻率分量的情況。經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)展傅立葉變換，將信號(hào)表示成一個(gè)基波分量和許多諧波分量之和的方式，確定信號(hào)的頻譜。頻譜密度由無(wú)窮個(gè)沖激函數(shù)組成離散性：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)，即譜線代表的是基涉及其高次諧波分量的幅度或相位信息；收斂性：各次諧波的幅度隨著諧波次數(shù)的增大而逐漸減小。1.周期信號(hào)的頻譜特性頻譜密度函數(shù)F(jω)是ω的延續(xù)函數(shù)當(dāng)f(t)為實(shí)函數(shù)時(shí)，有F(jω)=F*(-jω)當(dāng)f(t)為虛函數(shù)時(shí)，有F(jω)=-F*(-jω)無(wú)論f(t)為實(shí)函數(shù)或虛函數(shù)，幅度譜|F(jω)|關(guān)于縱軸對(duì)稱，相位譜ej(ω)關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱2.非周期信號(hào)的頻譜特性脈沖寬度是時(shí)域概念指在一個(gè)周期內(nèi)脈沖波形的兩個(gè)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔；頻帶寬度〔帶寬〕是頻域概念在周期信號(hào)頻譜中，從零頻率到需求思索的最高次諧波頻率之間的頻段即為該信號(hào)的有效占有帶寬；實(shí)踐運(yùn)用中，常把零頻到頻譜包絡(luò)線第一個(gè)零點(diǎn)間的頻段作為頻帶寬帶3.脈沖寬度和頻帶寬度信號(hào)f(t)的能量定義為4.信號(hào)的能量譜令能量密度譜，簡(jiǎn)稱能量譜或能譜，表示單位頻帶內(nèi)所含能量。任何帶寬內(nèi)的信號(hào)能量均與能量譜曲線下相應(yīng)的面積成正比5.信號(hào)的功率譜信號(hào)f(t)的功率定義為令，那么有功率密度譜，簡(jiǎn)稱功率譜，表示單位頻帶內(nèi)單位頻帶內(nèi)的功率6.信號(hào)的頻譜分析技術(shù)頻譜分析以付里葉分析為實(shí)際根底，可對(duì)不同頻段的信號(hào)進(jìn)展線性或非線性分析對(duì)信號(hào)本身的頻率特性分析對(duì)線性系統(tǒng)非線性失真的丈量7.頻譜分析儀的根本原理FFT分析〔實(shí)時(shí)分析〕法在特定時(shí)段中對(duì)時(shí)域數(shù)字信號(hào)進(jìn)展FFT變換，得到頻域信息并獲取相對(duì)于頻率的幅度、相位信息7.頻譜分析儀的根本原理〔續(xù)〕離散時(shí)域信號(hào)的頻譜特性時(shí)域周期非周期延續(xù)離散頻域周期非周期延續(xù)離散付氏變換7.頻譜分析儀的根本原理〔續(xù)〕非實(shí)時(shí)分析法掃頻式分析差頻式分析〔外差式分析〕8.頻譜分析儀的分類按分析處置方法分類：模擬式頻譜儀、數(shù)字式頻譜儀、模擬/數(shù)字混合式頻譜儀按根本任務(wù)原理分類：掃描式頻譜儀、非掃描式頻譜儀按處置的實(shí)時(shí)性分類：實(shí)時(shí)頻譜儀、非實(shí)時(shí)頻譜儀；按頻率軸刻度分類：恒帶寬分析式頻譜儀、恒百分比帶寬分析式頻譜儀按輸入通道數(shù)目分類：?jiǎn)瓮ǖ?、多通道頻譜儀；按任務(wù)頻帶分類：高頻、射頻、低頻等頻譜儀8.頻譜分析儀的分類〔續(xù)〕模擬式頻譜儀與數(shù)字式頻譜儀模擬式頻譜儀：以掃描式為根底構(gòu)成，采用濾波器或混頻器將被分析信號(hào)中各頻率分量逐一分別。一切早期的頻譜儀幾乎都屬于模擬濾波式或超外差構(gòu)造，并被沿用至今數(shù)字式頻譜儀：非掃描式，以數(shù)字濾波器或FFT變換為根底構(gòu)成。精度高、性能靈敏，但遭到數(shù)字系統(tǒng)任務(wù)頻率的限制。目前單純的數(shù)字式頻譜儀普通用于低頻段的實(shí)時(shí)分析，尚達(dá)不到寬頻帶高精度頻譜分析8.頻譜分析儀的分類〔續(xù)〕實(shí)時(shí)頻譜儀和非實(shí)時(shí)頻譜儀普通以為，實(shí)時(shí)分析是指在長(zhǎng)度為T的時(shí)段內(nèi)，完成頻率分辨率到達(dá)1/T的譜分析；或者待分析信號(hào)的帶寬小于儀器可以同時(shí)分析的最大帶寬。在一定頻率范圍數(shù)據(jù)分析速度與數(shù)據(jù)采集速度相匹配，不發(fā)生積壓景象，這樣的分析就是實(shí)時(shí)的；假設(shè)待分析的信號(hào)帶寬超越這個(gè)頻率范圍，那么是非實(shí)時(shí)分析。8.頻譜分析儀的分類〔續(xù)〕恒帶寬與恒百分比帶寬分析式頻譜儀恒帶寬分析式頻譜儀：頻率軸為線性刻度，信號(hào)的基頻分量和各次諧波分量在橫軸上等間距陳列，適用于周期信號(hào)和波形失真的分析。恒百分比帶寬分析式頻譜儀：頻率軸采用對(duì)數(shù)刻度，頻率范圍覆蓋較寬，能兼顧高、低頻段的頻率分辨率，適用于噪聲類廣譜隨機(jī)信號(hào)的分析。6.1.3常用頻域測(cè)試儀器1.頻率特性測(cè)試儀(掃頻儀)2.頻譜分析儀3.網(wǎng)絡(luò)分析儀6.2頻譜分析儀頻譜分析儀的種類外差式頻譜分析儀頻譜分析儀的主要性能目的頻譜分析儀實(shí)例6.2.1頻譜分析儀的種類按信號(hào)處置方式的不同模擬式頻譜分析儀

數(shù)字式頻譜分析儀模擬數(shù)字混合式頻譜分析儀

模擬式頻譜分析儀

以模擬濾波器為根底，用濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)中個(gè)頻率成分的分別，分別出的頻率分量經(jīng)檢波器檢波成直流后，由顯示器顯示出來(lái)。并行濾波式頻譜分析儀順序?yàn)V波式頻譜分析儀掃描式頻譜分析儀外差式頻譜分析儀〔1〕并行濾波式頻譜分析儀〔2〕順序?yàn)V波式頻譜分析儀〔3〕掃描式頻譜分析儀〔4〕外差式頻譜分析儀數(shù)字式頻譜分析儀數(shù)字濾波式頻譜分析儀快速傅立葉變換〔FFT〕頻譜分析儀以數(shù)字方式對(duì)信號(hào)進(jìn)展頻譜分析，精度高，動(dòng)態(tài)范圍寬，任務(wù)頻率不高?！?〕數(shù)字濾波式頻譜分析儀〔2〕FFT頻譜分析儀模擬數(shù)字混合式頻譜分析儀

將外差技術(shù)和數(shù)字技術(shù)結(jié)合進(jìn)展頻譜分析，頻率范圍廣，分辨力高。時(shí)間緊縮式頻譜分析儀采用數(shù)字中頻的外差式頻譜分析儀6.2.2外差式頻譜分析儀任務(wù)頻率范圍寬，靈敏度高任務(wù)原理

采用外差技術(shù)來(lái)提取信號(hào)的頻率分量，使信號(hào)各頻率分量依次進(jìn)入中頻放大器而被提取出來(lái)進(jìn)展頻譜分析。任務(wù)原理

提高性能的措施

多次變頻以獲得較高靈敏度和分辨力采用鎖相頻率合成技術(shù)提高本地振蕩器的頻率穩(wěn)定度6.2.3頻譜分析儀的主要性能目的頻率分辨力

頻率分辨力是反映頻譜分析儀頻率特性的主要性能目的。指頻譜分析儀可以分辨的最小譜線間隔，表征頻譜分析儀可以區(qū)分兩個(gè)頻率相鄰信號(hào)的才干。頻率分辨力是由頻譜分析儀中窄帶濾波器的帶寬〔3dB帶寬〕決議。其數(shù)值越小，頻率分辨力越強(qiáng)。6.2.3頻譜分析儀的主要性能目的頻率分辨力

6.2.3頻譜分析儀的主要性能目的頻率分辨力

頻率分辨力和本地振蕩器的掃頻速度有關(guān)。這是由與頻譜分析儀的窄帶濾波器的幅頻特性曲線與掃頻速度有關(guān)。當(dāng)掃頻速度為零時(shí)，窄帶濾波器的幅頻特性曲線的3dB帶寬稱為靜態(tài)分辨力。當(dāng)掃頻速度不為零時(shí)，窄帶濾波器的幅頻特性曲線的3dB帶寬稱為動(dòng)態(tài)分辨力。靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍

靈敏度指在給定分辨帶寬、顯示方式和其他影響要素的條件下，頻譜分析儀能丈量最小信號(hào)電平的才干。是反映頻譜分析儀幅度特性的兩個(gè)主要的性能目的。頻譜分析儀的靈敏度主要取決于儀器內(nèi)部的噪聲電平。普通情況下，最小信號(hào)電平通常應(yīng)高于噪聲電平10dB。靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍指頻譜分析儀可以同時(shí)丈量的最大信號(hào)電平與最小信號(hào)電平之差。是反映頻譜分析儀幅度特性的兩個(gè)主要的性能目的。最大信號(hào)電平由頻譜分析儀的最正確輸入電平?jīng)Q議；最小信號(hào)電平由頻譜儀的靈敏度決議。靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍

掃頻寬度、分析時(shí)間與掃頻速度

掃頻寬度是指頻譜分析儀在一次頻譜分析過(guò)程中顯示的頻率范圍，即與顯示屏程度軸起止點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的頻率之差。是反映頻譜分析儀掃頻特性的三個(gè)主要的性能目的。掃頻寬度普通可以調(diào)理。調(diào)寬掃頻寬度，便于察看信號(hào)頻譜的全貌；調(diào)窄掃頻寬度，便于分析信號(hào)頻譜的細(xì)節(jié)。掃頻寬度、分析時(shí)間與掃頻速度

分析時(shí)間是指完成一次掃頻過(guò)程所需求的時(shí)間，也即從頻譜分析儀顯示屏程度軸最左端到最右端掃頻一次所需求的時(shí)間。是反映頻譜分析儀掃頻特性的三個(gè)主要的性能目的。分析時(shí)間主要受分辨帶寬濾波器的限制。掃頻寬度、分析時(shí)間與掃頻速度

掃頻速度是指掃頻寬度與分析時(shí)間之比。是反映頻譜分析儀掃頻特性的三個(gè)主要的性能目的。掃頻速度的大小對(duì)頻譜分析儀的頻率分辨力有較大影響，應(yīng)合理選擇。掃頻速度靜態(tài)分辨力6.2.4頻譜分析儀實(shí)例性能目的與面板引見(jiàn)

MS2711B型頻譜分析儀安立〔Anritsu〕公司①方式鍵〔MODE〕用于選擇丈量方式〔頻譜分析、功率監(jiān)視、跟蹤發(fā)生器、快速調(diào)諧跟蹤發(fā)生器〕激活與頻率有關(guān)的功能菜單〔設(shè)置中心頻率、掃頻寬度、起始頻率和終止頻率等②頻率/掃頻寬度鍵〔FREQ/SPAN〕激活與幅度有關(guān)的功能菜單〔設(shè)置參考電平、幅度范圍等〕③幅度鍵〔AMPLITUDE〕激活與帶寬和掃頻有關(guān)的功能菜單〔設(shè)置頻率分辨力等〕④帶寬/掃頻鍵〔BW/SWEEP〕頻譜測(cè)試

第一步：翻開(kāi)電源

第二步：接入被測(cè)信號(hào)〔-10dBm,900MHz〕第三步：設(shè)置中心頻率〔FREQ/SPAN,900MHz〕第四步：設(shè)置掃頻寬度〔FREQ/SPAN,20MHz〕頻譜測(cè)試

第一步：翻開(kāi)電源

第二步：接入被測(cè)信號(hào)〔-10dBm,900MHz〕第三步：設(shè)置中心頻率〔FREQ/SPAN,900MHz〕第四步：設(shè)置掃頻寬度〔FREQ/SPAN,20MHz〕第五步：設(shè)置幅度顯示〔AMPLITUDE,參考電平-10dBm,10dB/格〕頻譜測(cè)試

第一步：翻開(kāi)電源