【正文】 噪聲帶寬 ， 單位 Hz。 ? 測量過程 ? RBW的選擇 ? 動態(tài)范圍 相位噪聲測量過程 用頻譜儀測量相位噪聲是一種直接測量 。 頻譜分析儀在頻域測試中的應(yīng)用 ? 相位噪聲測量 ? 脈沖信號測量 ? 信道和鄰道功率測量 除了完成幅度譜 、 功率譜等一般的測量功能外 ， 頻譜儀還能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 。 而 FFT分析儀的速度僅取決于量化和 FFT計算所需的時間 ， 在相等的頻率分辨率下 ， FFT分析儀較外差式頻譜儀快得多 。 FFT的軟件實現(xiàn) ?基 2的時間抽取 DFT算法 （ 蝶形算法 ） 基本原理 對任何一個 2的整數(shù)次冪 N = 2M， 總可以通過 M次分解成為 2點 DFT計算 。 若是實信號的功率譜計算 ， 則速度可以提高一倍 。 ? 靈敏度 ：取決于本底噪聲 ， 主要由前置放大器噪聲決定 。 最高 fS由 ADC的性能決定 。 常用解決辦法是 使用窗函數(shù)與時間記錄相乘 ， 即強(qiáng)迫波形在有限長度的時間記錄之外變?yōu)榱?， 于是波形不再有瞬變現(xiàn)象 。 同時還需對抽取后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波 ，以免頻譜混疊 。 FFT分析儀原理框圖 模擬 濾波取樣電路ADCsfFFT數(shù)字信號處理器數(shù)字 濾波數(shù)字正弦波FFT分析儀的特點（續(xù) 2） ? 分析頻帶的搬移 a： ADC之后待測中頻信號的頻譜； b：數(shù)字正弦波的頻譜 c：數(shù)字混頻器輸出頻譜 可見 ， 原來的中頻帶限信號被搬移到了基帶 ， 因此這個過程也叫 數(shù)字下變頻（ DDC） 。 FFT形成的頻譜相對于折疊頻率 ff（ ff = fS /2） 對稱 ，因此輸出頻率的前半部分是多余的 ， 只需保留 （ N/2） +1個有效節(jié)點 ， 對應(yīng)于頻率從 0到 fS /2 ， 故 FFT的輸出頻率范圍為0~fS /2， 類似于低通濾波 。 最后由微處理器利用FFT計算波形的頻譜 ， 并將結(jié)果顯示出來 。 付里葉分析儀 ? FFT分析儀的原理 ? FFT分析儀的實現(xiàn) ? FFT分析儀與外差式頻譜分析儀 付里葉分析儀將輸入信號數(shù)字化 ， 再對時域數(shù)字信息進(jìn)行 FFT變換以獲得頻域表征 ， 屬于數(shù)字式頻譜儀 。通常出現(xiàn)在輸入衰減 0dB的情況下 ， 由第一混頻決定 。 ? 本底噪聲（ Noise Floor） 即來自頻譜儀內(nèi)部的熱噪聲 ， 也叫噪底 ， 是系統(tǒng)固有噪聲 ，也是頻譜儀靈敏度的量度 。 對這種零頻響應(yīng)的電平 ，通常用相對于滿刻度響應(yīng)的 dB數(shù)度量 。 動態(tài)范圍受限于輸入混頻器的失真特性 、 系統(tǒng)靈敏度和本振信號的相位噪聲 ， 其上限由頻譜儀的非線性失真決定 。 幅度指標(biāo) ? 幅度測量精度 有絕對幅度精度和相對幅度精度之分 ， 均由多方面因素決定 。 通常用在源頻率的某一頻偏上相對于載波幅度下降的 dBc數(shù)值表示 ， 如在 9KHz頻偏處＜－ 90dBc。 通常掃描時間越短越好 ， 但為保證測量精度 ， 掃描時間必須適當(dāng) 。 最小的一檔 RBW值就是頻率分辨率指標(biāo) ， 如90Hz。主要由中頻濾波器的帶寬 （ 即 RBW） 決定 ， 但最小分辨率還受本振頻率穩(wěn)定度的影響 。 ? 頻率掃描寬度 （ Span） 另有分析譜寬 、 掃寬 、 頻率量程 、 頻譜跨度等不同叫法 。因此 ， 輸入衰減及中頻增益的選擇需折中考慮 。 因為放大 、 檢波及A/D轉(zhuǎn)換器件的動態(tài)范圍都很小 ， 不可能在同一次測量的設(shè)置下同時達(dá)到這兩個限制 。 VBW越大 ， 視頻濾波器的響應(yīng)越短 ，ST相應(yīng)也越小 ， VBW與 ST成線性反比 。 為避免因此引起的測量誤差 ， 分辨率帶寬 RBW、 視頻帶寬 VBW、 掃描時間 ST及 掃描寬度 Span應(yīng)當(dāng)聯(lián)動設(shè)置 。 計算式如下： 111???????? ???nnav g AnnSA其中 n—— 加權(quán)平均因子，即已完成掃描的蹤跡數(shù) Aavg—— 平均之后的蹤跡值 Sn—— 未經(jīng)平均的當(dāng)前蹤跡的測量值 An1—— 前一次掃描的平均蹤跡值 參數(shù)之間的相互關(guān)系 頻譜儀的各項參數(shù)設(shè)置不是孤立的 。 蹤跡平均的基本算法是將來自多個蹤跡的相同頻點上的數(shù)據(jù)一一進(jìn)行加權(quán)平均 ， 形成一個平滑蹤跡 。 減小視頻濾波器的帶寬 （ VBW） 將削弱或平滑噪聲峰 峰值的變化 ， 當(dāng) VBW/RBW 時 ， 平滑效果非常明顯 。 視頻濾波器 視頻濾波器用于對顯示結(jié)果進(jìn)行平滑或平均 ， 以減小噪聲對信號幅度的影響 。 常用包絡(luò)檢波器 。 ? 中頻濾波器 ：用于減小噪聲帶寬 、 分辨各頻率分量 。 低通濾波 帶通濾波 帶通濾波射頻輸入1 0 0 KH z~3 GH z第一本振4 GH z ~6 .9 GH z3 .9 GH z第二本振 第三本振3 .5 6 GH z3 4 0 M Hz3 2 9 .3 M Hz1 0 .7 M Hz中頻信號預(yù)處理 中頻信號預(yù)處理主要是在被檢測之前完成對固定中頻信號的 自動增益放大 、 分辨率濾波 等處理 。 解決辦法是選擇 高中頻 ， 本振頻率也相應(yīng)提高 輸入通道（續(xù) 2） ? 抑制鏡頻的 高中頻解決方案 ffI頻率變換輸入頻率范圍本振頻率范圍鏡像頻率范圍低通濾波fI = fL fXfI = fi m ag 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)問題 。 用于控制加到儀器后續(xù)部分的信號電平 ， 并對輸入信號取差頻以獲得固定的中頻 。 視頻濾波X 放大Y 放大f x檢波掃描信號發(fā)生器LOf LIF 濾波中頻信號處理輸入電路 外差式頻譜分析儀頻率范圍寬 、 靈敏度高 、 頻率分辨率可變 ， 是目前頻譜儀中數(shù)量最大的一種 。 外差式頻譜儀 ? 外差式頻譜儀的組成 ? 輸入通道 ? 中頻信號預(yù)處理 ? 檢波器 ? 視頻濾波器 ? 蹤跡處理 ? 參數(shù)之間的相互關(guān)系 外差式頻譜儀的頻率變換原理與超外差式收音機(jī)相同：利用無線電接收機(jī)中普遍使用的自動調(diào)諧方式 ， 通過改變掃頻本振的頻率來捕獲待測信號的不同頻率分量 。通常用達(dá)到穩(wěn)幅幅度的 90％ 所需的時間 TR來表述 ， 它與絕對帶寬 B成反比： TR∝ 1/B。 掃描式頻譜儀 、檔級濾波式頻譜儀及并行濾波式頻譜儀大多采用恒百分比帶寬分析 。 用單個數(shù)字濾波器代替多個模擬濾波器之后 ， 濾波器的中心頻率由時基電路控制使之順序改變 。 缺點是電調(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 。 Y 放大前置放大器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器檢波器檢波器檢波器檢波器電子掃描開關(guān)掃描發(fā)生器X 放大ux掃頻濾波式頻譜儀 實質(zhì)是一個中心頻率在整個寬帶頻率范圍內(nèi)可調(diào)諧的窄帶濾波器 。 前置放大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脈沖分配器脈沖發(fā)生器階梯波發(fā)生器X 放大Y 放大ux檢波這種方法簡單易行 ， 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 。 掃描式頻譜儀 ? 濾波式頻譜分析技術(shù) ? 外差式頻譜儀 ? 外差式頻譜儀的主要性能指標(biāo) 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 ， 然后用檢波器將該頻率分量變?yōu)橹绷餍盘?， 再送到顯示器將直流信號的幅度顯示出來 。 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)生積壓現(xiàn)象 ， 這樣的分析就是實時的；如果待分析的信號帶寬超過這個頻率范圍 ， 則是非實時分析 。 所有早期的頻譜儀幾乎都屬于模擬濾波式或超外差結(jié)構(gòu) ， 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變換為基礎(chǔ)構(gòu)成 。 ?差頻式 分析（外差式分析）：利用超外差接收機(jī)的原理，將頻率可變的掃頻信號與被分析信號進(jìn)行差頻，再對所得的固定頻率信號進(jìn)行測量分析，由此 依次獲得被測信號不同頻率成分的幅度信息 。 ? 如果離散時間序列 是周期性的，在頻域內(nèi)的頻譜一定是離散的 ，反之亦然； ? 若離散時間序列 是非周期的，在頻域內(nèi)的頻譜一定是連續(xù)的 ，反之亦然。 一般有 FFT分析（ 實時分析 ） 法 、 非實時分析 法兩種實現(xiàn)方法 。 若頻譜分析的記錄長度為 N（ N常取 2的冪次 ） ， 進(jìn)行離散付氏變換所需的計算次數(shù)約為 N2，蝶形算法需要的次數(shù)為 N log2N。 離散時域信號的頻譜 ?離散時域信號的付氏變換（ DFT） 又稱為序列的付氏變換：以 e j? n作為完備正交函數(shù)集 ， 對給定序列做正交展開 ， 很多特性與連續(xù)信號的付氏變換相似 。 一個時域非周期信號的付氏變換定義為： ? ??? ?? dtetfjF tj?? )()(其反變換或逆變換為： ? ???? tjejFtf ??? )(2 1)(頻譜 非周期信號的頻譜特性 ? 頻譜密度函數(shù) F (jω)是 ω的連續(xù)函數(shù) ， 即 非周期信號的頻譜是連續(xù)的 。 由于信號的平均功率時間定義為 T→ ＋ ∞， 顯然一切能量有限信號的平均功率都為零 。信號 f(t)的能量定義為： dttfE ? ????? 2)()(?當(dāng) E(ω) 有限時， f(t)被稱為能量有限信號，簡稱 能量信號 。 重復(fù)周期變化對頻譜的影響 仍考慮上述周期方波的例子：保持脈沖寬度 2T1不變 ，隨著周期 T0的增加 ， 譜線間隔 ω0將減小 ， 頻譜的包絡(luò)線被越來越密集的頻率間隔取樣； T0趨于無窮大 ， 原來的連續(xù)方波就近似為一個矩形單脈沖 ， 頻譜也相應(yīng)趨近于連續(xù)的取樣函數(shù) 。 實際應(yīng)用中 ， 常把零頻到頻譜包絡(luò)線第一個零點間的頻段作為頻帶寬帶 。 ? 離散性 ：頻譜是離散的 ， 由無窮多個沖激函數(shù)組成； ? 諧波性 ：譜線只在基波頻率的整數(shù)倍上出現(xiàn) ， 即譜線代表的是基波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 。 頻譜測量的基礎(chǔ)是付里葉變換 ?，F(xiàn)代電子測量技術(shù) 趙志斌 電力系電信教研室 信號分析和頻域測量 第九章 信號分析和頻域測量 ? 信號的頻譜 ? 掃描式頻譜儀 ? 付里葉分析儀 ? 頻譜儀在頻域測試中的應(yīng)用 ? 諧波失真度測量 ? 調(diào)制度測量 信號的頻譜 ? 信號分析和信號頻譜的概念 ? 周期信號的頻譜 ? 非周期信號的頻譜 ? 離散時域信號的頻譜 ? 快速付氏變換 ? 信號的頻譜分析技術(shù) 信號分析和信號頻譜的概念 ? 信號的定義及種類 信號的概念廣泛出現(xiàn)于各領(lǐng)域中 。 ? 頻譜測量 ：在頻域內(nèi)測量信號的各頻率分量 ， 以獲得信號的多種參數(shù) 。 對應(yīng)的周期信號付氏變換式為： dtetfTcT T T tjnn ?? ??? 2/ 2/0 0)(1 ,2 ???? ? ? ?????????nn ncjF 02 ?????頻譜密度函數(shù)簡稱頻譜 周期信號的頻譜特性 ? 頻譜密度由無窮個沖激函數(shù)組成 ， 位于諧波頻率 nω0處沖激函數(shù)的強(qiáng)度是第 n個付氏級數(shù)系數(shù)的 2π倍 。 ? 脈沖寬度 是時域概念 ， 指在一個周期內(nèi)脈沖波形的兩個零點之間的時間間隔； ? 頻帶寬度 （ 帶寬 ） 是頻域概念 ， 通常規(guī)定：在周期信號頻譜中 ， 從零頻率到需要考慮的最高次諧波頻率之間的頻段即為該信號的有效占有帶寬 ， 亦稱頻帶寬度 。 隨著 T1（ 即脈沖寬度 ） 的減小 ，譜線從集中分布在縱軸附近漸漸變得向兩邊 “ 拉開 ” ， 即頻帶寬度逐漸增大 ， 而且幅度逐漸變低 。 信號的能量譜 能量譜表述信號的能量隨著頻率而變化的情況。任何帶寬內(nèi)的信號能量均與能量譜曲線下相應(yīng)的面積成正比 信號的功率譜 信號 f(t)的功率定義為： ?????? 2 2 2)(1l i m)( T TT dttfTP ?當(dāng) P(ω)有限時 ， f(t)為功率有限信號 ， 簡稱 功率信號 。 如果 把非周期信號視為周期無窮大的周期信號 ， 則非周期信號可通過付氏變換表示在頻域