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1、,第5章 频域测量,5.1 频谱分析的基本概念 5.2 扫描式频谱仪 5.3 傅里叶分析仪5.4 相位噪声测量5.5 小结,第5章 频域测量,5.1 频谱分析的基本概念 5.2 扫描式频谱仪 5.3 傅里叶分析仪5.4 相位噪声测量5.5 小结,信号频谱：信号的全部频率分量组成的幅度谱,时间,幅度(功率),频率,时域测量,频域测量,频谱的两种基本类型：连续频谱、离散频谱,时频关系,第5章 频域测量,5.1 频谱分析的基本概念 5.2 扫描式频谱仪 5.3 傅里叶分析仪5.4 相位噪声测量5.5 小结,第5章 频域测量,5.2 扫描式频谱仪 5.2.1 滤波式频谱分析技术5.2.2 外差式频谱仪
2、,第5章 频域测量,5.2 扫描式频谱仪 5.2.1 滤波式频谱分析技术5.2.2 外差式频谱仪,滤波式频谱分析的基本原理,滤波式频谱仪有以下几种：档级滤波式频谱仪并行滤波式频谱仪扫频滤波式频谱仪数字滤波式频谱仪,中心频率多个或可变,档级滤波式频谱仪,并行滤波，串行检波 测量的实时性差体积大、分辨力不高适用于低频段的音频测试,滤波器组：中心频率固定、相邻，通带互相衔接,并行滤波式频谱仪,并行滤波，并行检波 速度快，测量的实时性强体积大,扫频滤波式频谱仪,中心频率可调的窄带滤波器,测量的实时性差结构简单、价格低廉损耗大，调谐范围窄，分辨力差,数字滤波式频谱仪,等效多个模拟滤波器中心频率由时基电路
3、控制改变,频率分辨力高处理精度高,第5章 频域测量,5.2 扫描式频谱仪 5.2.1 滤波式频谱分析技术5.2.2 外差式频谱仪,基本原理：与超外差式收音机相同,中心频率固定为,混频器,组成和工作过程,频率变换原理,需要的,不需要的,镜像频率，记为,当测量 频率成分的幅值时，频率成分的幅值会迭加在其上，引起测量误差,解决方法：提高中频频率，从而增加镜像频率fimag和频率分量fX的频率间距,高中频频率变换,多级混频-将高中频信号降低到固定低中频,主要性能指标,输入频率范围,频谱仪可以测量的最大频率区间,主要由扫描本振的频率范围决定,频率扫描宽度（Span）,一次测量（一次频率扫描）所显示的频率
4、范围,小于或等于输入频率范围,可手动设置或自动调节,频率分辨力（Resolution）,将最靠近的两个频率分量区分开的能力,由中频滤波器的分辨带宽（RBW）决定,频率精度,频率轴读数的精度,与本振频率稳定度、扫描宽度、分辨带宽等因素有关,扫描时间（Sweep Time，ST）,完成一次扫描测量所需的时间，也叫分析时间,扫描时间和测量精度应综合考虑,扫描时间与频率扫描宽度、分辨带宽、视频滤波带宽相关,相位噪声,实际本振信号频谱,本振信号频率短期稳定度指标,偏离本振频率某一个频偏处，相对于本振幅度下降的dBc数,相噪由本振信号频率或相位不稳定引起,本振越稳定，分辨带宽越窄，相噪越小,幅度测量精度,
5、动态范围,可同时测量的最大与最小信号的幅值之比,本底噪声（Noise Floor）,来自频谱仪内部的热噪声导致信噪比下降，频谱图中为接近显示底部的噪声基线,灵敏度/噪声电平,可测最小信号电平的能力,1dB压缩点,1dB 压缩点确定放大器的线性工作区,1 dB 压缩点,输入,输出,最大输入电平,正常工作时输入电平的最大限度,由衰减器、第一级混频器决定,第5章 频域测量,5.1 频谱分析的基本概念 5.2 扫描式频谱仪 5.3 傅里叶分析仪5.4 相位噪声测量5.5 小结,第5章 频域测量,5.3 傅里叶分析仪5.3.1 FFT分析仪原理5.3.2 FFT分析仪的实现,第5章 频域测量,5.3 傅
6、里叶分析仪5.3.1 FFT分析仪原理5.3.2 FFT分析仪的实现,FFT分析仪原理及组成,FFT分析仪的特点,基本特性,FFT,第n个节点对应的频率值为,FFT计算结果的频率范围:,FFT分析之前的数字频带搬移,窄带带通信号,不适于直接用FFT计算频谱,ADC输出的待测中频带限信号频谱,数字正弦波频谱，fL选中频带限信号截止频率,数字滤波器输出频谱,这个过程也叫数字下变频,降数据率抽取与抗混叠滤波,由fstep=fS/N可知，为提高频谱分辨力，可降低采样速率fS、增加FFT分析点数N 过低的fS会引起频谱混叠、减小分析带宽，导致信噪比下降；FFT的分析点数不能无限增大,解决方案：（1）抽取
7、数字信号以降低数据率（2）对抽取后数据数字滤波,频谱泄漏及其处理,FFT采用有限长的时间记录进行付氏变换，在总体上不断重复，以代表对实际无限长序列的积分,解决办法：加窗处理，减小频谱泄漏,窗函数：汉宁窗、凯塞窗、矩形窗,FFT分析仪的性能指标,频率特性,频率分辨力：取决于采样频率和采样点数，f=fS/N,频率范围：由采样频率fS决定,幅度特性,动态范围：取决于ADC位数、运算字长或精度,灵敏度：取决于本底噪声，主要由前置放大器噪声决定,幅度读数精度：幅度误差来源包括计算处理误差、频谱混叠误差、频谱泄漏误差等多种系统误差，以及每次单个记录分析所含的统计误差,分析速度 取决于N点FFT的运算时间、
8、平均处理时间及结果处理时间。其他特性 可选的窗函数种类；数据触发方式；显示方式等,第5章 频域测量,5.3 傅里叶分析仪5.3.1 FFT分析仪原理5.3.2 FFT分析仪的实现,1.硬件实现可选方案：ASIC、FPGA、DSP选择准则：可编程性、集成度、开发周期、性能、功耗,选用哪种方案实现频谱分析？ASIC：提供有限的可编程性和集成水平，通常可为某项固定功能提供最佳解决方案；FPGA：可为高度并行或涉及线性处理的高速信号处理提供最佳解决方案，如数字滤波器等的设计；DSP：可为复杂决策分析等功能提供最佳可编程解决方案，如FFT这样具有顺序特性的信号处理。,结论：鉴于频谱分析通常需要较高的可编
9、程性，因此使用DSP实现FFT，而使用FPGA实现数字滤波、抽取等其他数字信号处理,2.软件实现 汇编语言，如DSP汇编语言 高级语言，如CVI提供FFT函数,第5章 频域测量,5.1 频谱分析的基本概念 5.2 扫描式频谱仪 5.3 傅里叶分析仪5.4 相位噪声测量5.5 小结,相位噪声,表征信号短期稳定度，反映频谱纯度,时域中表现为波形过零点抖动，不易辨别,频域中表现为载波的边带，较易测量,单边带相位噪（SSB）：,源信号频谱中，在载波频率的某一固定频偏处的1Hz带宽内的电平幅度，与载波电平幅度之差，单位为dBc（1Hz）或dBc/Hz,测量载波电平幅度AC测量频偏 foff 处的相位噪声幅度APN,频谱仪测量相位噪声分两步：,A(foff)是距载波频偏foff处1Hz带宽内的单边带相位噪声，单位为dBc（1Hz）；AC是载波电平，单位为dBm；APN(foff)是距载波频偏foff处1Hz带宽内的噪声电平，单位为dBm,第5章 频域测量,5.1 频谱分析的基本概念 5.2 扫描式频谱仪 5.3 傅里叶分析仪5.4 相位噪声测量5.5 小结,本章小结,时频关系及傅立叶变换的四种形式滤波式频谱分析仪原理外差式频谱仪原理傅立叶分析仪原理基本概念 分辨力带宽、相位噪声、单边带相位噪声,
