电子测量教案chapter7n课件.ppt
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1、第第7章章 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 一、概述一、概述 二、信号(时频对应关系)二、信号(时频对应关系)三、频谱分析仪的分类三、频谱分析仪的分类 四、顺序滤波式频谱分析仪四、顺序滤波式频谱分析仪 五、五、FFT分析仪分析仪 六、六、外差式频谱分析仪外差式频谱分析仪 一、概 述n频域测试和时域测试的关系频域测试和时域测试的关系n频域测试的主要内容频域测试的主要内容 信号的频谱分析信号的频谱分析 基波、谐波、寄生调制、相位噪声、非相干寄生基波、谐波、寄生调制、相位噪声、非相干寄生信号(杂散)信号(杂散)信号调制情况分析信号调制情况分析 频谱监测频谱监测n频域测试的典型仪器频域测试的典型仪器频谱
2、分析仪频谱分析仪 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理n 频谱分析仪频谱分析仪 也称为信号分析仪也称为信号分析仪n 网络分析仪网络分析仪用于对电子网络的频率响应特性进行分析用于对电子网络的频率响应特性进行分析n 失真度分析仪失真度分析仪用于测量音频电路的失真用于测量音频电路的失真n 射频功率计射频功率计用于精确测量音频和微波信号的功率电平用于精确测量音频和微波信号的功率电平 一、概 述(续)第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理1、时域和频域的关系、时域和频域的关系 时域:横坐标是时间轴时域:横坐标是时间轴 频域:横坐标是频率轴频域:横坐标是频率轴 -从不同角度来描述信号的特征从不同角度来描
3、述信号的特征-具有相同频谱的两个信号,可能在时域具有相同频谱的两个信号,可能在时域 上显示是不同波形的信号上显示是不同波形的信号 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理2、信号的傅立叶分析、信号的傅立叶分析(回顾)(回顾)傅立叶变换和反变换傅立叶变换和反变换 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理 ttxtxFfXftdej2f ffXfXFtxftdej2ff1对于周期信号:对于周期信号:n 周期信号在频域中为离散的谱线周期信号在频域中为离散的谱线n 非周期信号在频域中为连续的谱线非周期信号在频域中为连续的谱线 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理
4、10100cossin2nnnntnBtnAAtx常见信号的频谱常见信号的频谱 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理n 按频率范围按频率范围 -音频范围(音频范围(AF)到到1MHz左右左右 -射频范围(射频范围(RF)到到3GHz左右左右 -微波范围微波范围到到40GHz左右左右 -毫米波范围毫米波范围超过超过40GHzn 按照实现方式按照实现方式 -顺序滤波式顺序滤波式 -FFT分析仪分析仪 -外差式频谱分析仪外差式频谱分析仪 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理特点:实时显示,但需要大量的滤波器特点:实时显示,但需要大量的滤波器四、顺序滤波式频谱分析仪四、顺序滤波式频谱分析仪前置前置
5、放大器放大器检波器检波器阶梯波阶梯波扫描发生器扫描发生器S信号输入信号输入 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理四、顺序滤波式频谱分析仪(续)四、顺序滤波式频谱分析仪(续)问问 题:题:n 滤波器带宽决定了对于频率分辨率滤波器带宽决定了对于频率分辨率 例如:例如:100Hz带宽,表示每根谱线有带宽,表示每根谱线有100Hz的不确的不确定性;定性;两根频谱间距小于两根频谱间距小于100Hz则无法区分,此时则无法区分,此时的谱线表示了在的谱线表示了在100Hz频带内的总能量频带内的总能量n 如何解决滤波器数量太多、不一致性问题如何解决滤波器数量太多、不一致
6、性问题 中心频率可调的模拟滤波器?中心频率可调的模拟滤波器?FFT分析?分析?外差式频谱分析仪?外差式频谱分析仪?Page 230n 扫频滤波式频谱仪扫频滤波式频谱仪问题:中心频率可调,但范围宽、一致性好的滤波器问题:中心频率可调,但范围宽、一致性好的滤波器 难以实现难以实现 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理五、五、FFT分析仪分析仪n FFT分析仪,也称为动态信号分析仪分析仪,也称为动态信号分析仪n 利用利用FFT来实现信号频谱成分的测量来实现信号频谱成分的测量 通过通过ADC,以设定以设定采样率采样率来采样来采样 FFT计算计算 将结果以图形显示出来将结果以图形显示出来 第八章第八章
7、 频谱分析原理频谱分析原理n FFT分析仪的理论基础分析仪的理论基础 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理 10/j2 seNnNknnTxkX频率分量频率分量 离散傅立叶变换(离散傅立叶变换(DFT)ss1TNkNfkkf(1)被采样的信号必须有周期性(周期)被采样的信号必须有周期性(周期T0););(2)观察时间必须是被采样信号周期)观察时间必须是被采样信号周期T0的整数倍。的整数倍。n FFT分析仪的采样分析仪的采样 根据奈奎斯特采样定律,采样频率应至少高于输入信号根据奈奎斯特采样定律,采样频率应至少高于输入信号最高频率的两倍最高频率的两倍 ,信号才可以被不失真的恢复。否则,产,信号才
8、可以被不失真的恢复。否则,产生混叠。生混叠。第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理n 前置的低通滤波器前置的低通滤波器n fs大于大于2.56 fcn 有限次采样有限次采样 加窗加窗 不可能无限次采样,有限次采样相当于 加矩形窗,导致泄露现象,幅度和频率的误差 采用其他窗函数 或者采用频率校正算法 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理n FFT分析仪的性能指标分析仪的性能指标(1)频率特性)频率特性 频率范围频率范围 fs2.56fmax,常见常见 10MHz 采样速率采样速率 由由ADC的速度决定的速度决定 频率分辨力频率分辨力 频率间隔为频率间隔为fs/N(2)幅度特性)幅度特性 动态范
9、围动态范围 由由A/D的位数决定,位数和转换速度矛盾,的位数决定,位数和转换速度矛盾,导致动态范围与最大输入频率是矛盾的导致动态范围与最大输入频率是矛盾的 例如:例如:100KHz带宽时动态范围可达带宽时动态范围可达100dB 灵敏度和精度灵敏度和精度 本机噪声、量化噪声、计算误差等本机噪声、量化噪声、计算误差等 例如:例如:1.5dB,+271.5dB,+27-120dBV-120dBV 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理n FFT分析仪的性能指标分析仪的性能指标(3)分析速度)分析速度 取决于取决于FFT运算、处理时间运算、处理时间(4)其他特性)其他特性 通道数、窗函数种类、平均计算
10、等通道数、窗函数种类、平均计算等 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理六、外差式频谱分析仪六、外差式频谱分析仪 用滤波器依次选出各个频率,测量此频率信号的幅度,得到频谱用滤波器依次选出各个频率,测量此频率信号的幅度,得到频谱1、扫描滤波式频谱分析仪、扫描滤波式频谱分析仪:放大器电调信号(锯齿波)显示器放大器检波器电调谐滤波器 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理优点:结构简单,价格低廉。由优点:结构简单,价格低廉。由于没有混频电路避免了镜像信号于没有混频电路避免了镜像信号缺点:中心频率可调且调整范围缺点:中心频率可调且调整范围很宽的窄带滤波器难以实现
11、很宽的窄带滤波器难以实现,工,工作频带较窄,而且灵敏度低作频带较窄,而且灵敏度低 解决办法:外差式频谱仪解决办法:外差式频谱仪输入频谱输入频谱fxifo 扫频扫频本机振荡器本机振荡器fL(t)xiLoftff )(第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理2、外差式频谱分析仪、外差式频谱分析仪(1)、工作原理:)、工作原理:输入信号频谱:输入信号频谱:fx1 fx2 fxn 扫描扫描电压发生器电压发生器扫频振荡器扫频振荡器fL(t)(可变)(可变)混频器混频器fo=fL(t)-fxn滤波器滤波器检波器检波器显示器显示器 第八章第八章 频谱分析原理频谱分析原理结论:结论:扫频外差式频谱仪对被分析的频
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