最好的频谱分析仪基础知识.pdf模拟数字滤波器取样器数字滤波器微处理器混频器一H ADC

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详细说明：最好的频谱分析仪基础知识.pdf模拟数字滤波器取样器数字滤波器微处理器混频器一H ADC FFT 数字正弦波电子工程专辑图2在FFT分析仪中利用数字混频器可以为频变分析提供频带选择扫频式频谱分析仪工作原理频谱仪就是采用扫频式原理来完成信号的频域测试频谱分析仪的功能是要分辨输入信号中各个频率成份并测量各频率成份的频率和功率。为完成以上功能,在扫描-调谐频谱分析中采用超外差方式,它能提供宽的频率覆盖范围,同时允许在中频(IF)进行信号处理。图3是超外差式扫频频谱分析仪的结构框图输入信号进入频谱仪后与本振(LO)混频,当混频产物等于中频(IF)时,这个信号送到检波器,检波器输岀视频信号通过放大、采样、数字化后决定CRT显示信号的垂直电平。扫描振荡器控制CRT显示的水平频率轴和本地振荡器调谐同步,它同时驱动水平CRT偏转和调谐 LO。频谱分析仪依靠中频滤波器分辨各频率成份,检波器测量信号功率,依靠本振和显示横坐标的对应关系得到信号频率值。这种扫描-调谐分析仪的工作原理正象你家中的调幅(AM)接收机,只是调幅接收机的本振不是扫描的,而是用刻度旋钮人工进行调谐;另外不是用显示器显示信息而是用扬声器。 R输入衰中频中频减器放大滤波器混频器 ■[■「检波器输入对数假选滤波器视颞低遐滤晷放大滤波器本振扫描控制器参考振荡器示结果专辑图3扫频超外差式频谱分析仪的简化框图基于扫描式工作原理,当输入信号为单点频信号时,该信号需和扫描本振信号进行混频,这样中频信号也为频率变化的扫频信号,该扫频信号通过中频滤波器和检波器后输出波形为中频滤波器频响形状。信围本报 0 LO LO s 中频湾波检波器输入 65 3 扫描控精器 3(GHz)f 6 t (GHz ICD屏幕显示 3:6 65 单点频信号在频谱上测试显示结果为中频器的费啊形状图4扫频式频谱分析仪的测量过程输入衰减器输入衰减器是信号在频谱仪中的第一级处理,频谱分析仪输入衰减器功能包含以下方面 1.保证频谱仪在宽频范围内保持良好匹配特性 2.保护混频及其它中频处理电路。防止部件损坏和产生过大非线性失真。一般频谱分析仪衰减器衰减范围为:0~65dB;可按照5dB步进变化。当改变输入衰减器设置时,信号电平会受到影响。如衰减值由10dB变为20dB,信号幅度人为被减小10dB,相应检波输出也会降低,为补偿该变化,频谱仪内部会利用放大器补偿衰减影响。所以当在改变衰减器设置时,输入信号在频谱仪上的显示并不发生变化。仪表自动设置衰减器件的原则是保证输入信号电平-衰减器设置<=混频器工作电平可以注意一下仪表的这几个参数值是否满足上式的关系。所以,当改变仪表输入衰减器设置时,其内部衰减器和中频放大器会发生变化。中频放大器决定信号在屏幕上的显示位置。频谱仪工作时,其中频放大器增益和衰减器设值连动工作,当改变输入衰减器设置时,输入信号显示电平并不会发生变化。混频器混频器完成信号的频谱搬移,将不同频率输入信号变换到相应频率。在混频过程中会存在镜相干扰问题镜相干扰举例输入信号频率:800MHz;本振信号频率:780MHz; 中频信号频率:800-780=20MHz; 则镜相干扰信号频率:780-20=760MHz 760MHz信号是800MHz信号的镜相干扰。这样带来的测量问题就是频谱仪的一个中频信号显示不能判断是760MHz信号还是800MHz 信号的响应。频谱仪需采用相应方法来解决这个问题。频谱分析仪利用两种方法解决该问题。 1在低频率段(<3GHz),利用高混频和低通滤波器抑制干扰。 2在高频率段(>3GHz),利用带通跟踪滤波器抑制千扰。高带宽预选混頻器 1;瓦 3H7-3GHZ 3-7 GHz 2221西中射频 ist lo B GHE *Hz-3654Hz 1:7005 预放间数字解调 11EL0255L6 高带宽 3214MH2 混器围AMH 4 中频处理 3HE 子工程专图5典型频谱分析仪的变频处理过程中频滤波器中频滤波器是谱分析仪中关键部件,频谱分析仪主要依靠该滤波器來分辩不同频率信号,频谱仪许多关键指标(测量分辨率、测量灵敏度、测量速度、测量精度等)都和中频滤波器的带宽和形状有关。中频滤波器通常由LC滤波器,晶体滤波器或数字滤波器的组合实现。形状因素和滤波器类型是说眀这些滾波器特性的重要因素。形状因素为滤波器是如何选择的一个测度,通常规定为 3dB/60Dbk宽度之比,比值表示出如何在3dB带宽內的大信号附件分辨小1百万倍 (-60dB)的信号。这类滤波器对频谱分析仪的性能有重大影响,虽然某些滤波器类型如 Butterworth巴特沃兹滤波器或 Chebychevν切比雪夫滤波器具有优良的选择性(信号分离的能力),以及高斯滤波器和冋步调谐滤波器鳯有较好的时琙性能(较好的扫描幅度精度但最终应用哪种滤波器属最佳将起重大作用。优良的形状因素性能对紧靠在一起的信号提供较好的分辨率。较好的时域性能(无过冲)提供了更快的扫描谏度和良好的幅度精度。对数放大器对数放大器以对数方式处理输入信号,允许有大的待测量和小的待测量同步易显示和分辨。实现这种压缩的—种方法是构建增益随信号幅度而变化的放大器。在低电平信号下,增益可能为10dB,而在较大的幅度下,增益下降到0。为了获得所需的对数范围,必须将若干这类放大器进行级联。对数放大器通常具有约70dB到超过100dB的范围。除对数范围外,逼真度(对数压缩与对数曲线相符的接近程度)是应考虑的重要因素,这个误差将直接反映测量的幅度误差。检波器检波器将输入信号功率转换为输出视频电压,该电压值对应输入信号功率针对不同特性输入信号(正弦信号、噪音信号、随机调制信号等),需采用不同检波方式才能准确测出该信号功率。现代频谱仪一般采用数字技术,支持所有检波方式以确保准确测量各种被测信号的功率参数视频滤波器视频滤波器对检波器输岀视频信号进行低通滤波处理,減小视频带宽可对频谱显示中的噪声抖动进行平滑,从而减小显示噪声的抖动范围。这样有利频谱仪发现淹没在噪声中的小功率 CW信号,还可提高测量的可重复性扫描本振扫描本振是整个频谱分析仪中的关键部分之一,扫描本振的稳定度和频谱纯度对许多性能指标都是一个限制因素。本振的稳定度影响最小分辨带宽,但是,即使利用频率很稳定的本振,仍然存在残余的不稳定度,这称之为相位噪声或相位噪声边带。相位噪声影响对邻近信号的观察,而如果我们只考虑带宽和形状因素,是不难观察到的。现代频谱分析仪的应用之一是直接测量其他设备的相位噪声,这对本振的相位噪声要求是非常高的。频谱分析仪关键性能指标频谱分析仪作为分析仪表,其基本性能要求包含 1.频率方面指标: 测量频率范围:反映频谱仪测量信号范围能力; 频率分辨率:反映频谱仪分辨两个频率间隔信号的能力. 2.幅方面度指标灵敏度:频谱仪发现小信号的能力内部失真:反映频谱仪测量大信号的能力; 动态范围:频谱仪同时分析大信号和小信号的能力。 3.另外频谱仪的性能还包含其分析精度和测量速度。测量谐波失真或搜索信号要求频率范围从低于基波扩展到超过多次谐波。测量交调失真则要求窄的扫频宽度(span),以便观察邻近的交调失真产物。因此,首先是选择有足够频率和扫宽范围的频谱分析仪。第二个要求是什么样的频率分辨率?测量双音交调对分辨率提岀了严格的要求频谱分析仪测量频率范围由其本振范围决定。通过采用本振的谐波可扩展频谱分析仪的分析频率范围,还可采用外混频方法将其分析频率范围扩展至更高(75GHz;110GHz;325GHz 等) 频率分辨率这个例子反映频谱分析仪测量分辨率对测试结果的影响,输入的物理信号为两个频率间隔的信号,只有当频谱分析仪的分辨能力足够高时,才会在屏幕上正确反映信号的特性。很多信号测试应用要求频谱分析仪要具有尽量高的频率分辨率。混频器 3dB 输入信号 4②D 34B EW 检波器中频滤波器/分辨滤波器扫描控制器 RBW 带宽显示结果工程专辑图6频率分辨率频谱分析仪的频率分辨率与其內部的中频滤波器和本振性能有关。其中,中频滤波器的影响因素包含滤波器类型;带宽;形状因数( shape factor) 本振刺余调频( residual em和噪声边带也是确定有用分辨率时应考虑的因素。依次分析每一项。首先要注意的事情之一,是在频谱仪上理想CW信号不可能显示为无限细的线,它本身有一定的宽度。当调谐通过信号时,其形状是频谱分析仪自身分辨带宽(IF滤波器)形状的显示。这样,如果改变滤波器的带宽,就改变了显示响应的宽度。技术指标的数据表中规定3dB带宽,其它应用(EMC)定义滤波器带宽为6dB带宽。本振性能对分辨率有影响是因为中频信号来源于输入信号与本振信号的混频两个信号中的噪声是功率相加关系。输入信号相位噪声性能为:10 kHz offset-110dBc/Hz 混频本振相位噪声性能为:10 kHz offset-110dBc/Hz ■则混频输出中频信号相位噪声性能为:10 kHz offset-107dBc/Hz 单点频信号在频谱上测试显示结果为中频滤波器的频响形状。滤波器的形状通过其带宽(3dB或6dB)和矩形系数得到定义。这两个参数都会影响频谱分析仪的频率分辨能力。单点频信号在频谱上测试显示结果为中频滤波器的频响形状 3 dB 3dB Bw 60dB 60dB Bw 系数滤波器短形系 60dB BW 电子工程专辑 3dB B 图7中频滤波器带宽和形状因素(矩形系数)定义在双音测试中,两个信号相隔10kHz,RBW=10KHz时,仪表测试可显示出两个信号峰。显然用10kH滤波器分辨出等幅双音信号是没有问题的。频谱分析仪的RBW即为其分辨等幅信号的能力上面的分析得到的结论是: 频谱分析仪RBW越小,其频率分辨率越高。中频滤波器3dB带宽告诉我们,等幅信号彼此靠近到何种程度仍然能够彼此分开(梖据3dB 下降)。一般的说,如果两信号的间隔大于或等于所选用分辨带宽滤波器的3dB带宽,两个等幅信号就可以分辦出来。在双音测试中的两个信号表明了这个含义。当两个信号间隔10 kHz时,用10kHz的分辨带宽容易分开它们。然而,若用较宽的分辨带宽,两个信号显示为注解:当两信号岀现在分辨带宽之內时,由于两个信号相互作用,利用大约比分辨带宽小10 倍的视频带宽可平滑其响应。通常我们需测量不等幅信号。由于在我们的例子中两个信号描绘出滤波器的形状,小信号有可能被掩埋在大信号滤波器的裙边( filter skirt)中。对于幅度相差60dB的两个信号,其间隔至少是60dB带宽的一半(用近似3dB下降)。因此,形状系数(滤波器60dB对3dB带宽之比)是决定不等幅信号分辨率的关键。频率分析仪分辨不等幅信号举例: 对于相隔10kHz而幅度下降50dB的失真产物( distortion products)的测试如果3kHz滤波器的形状因数是15:1,于是滤波器下降60dB的带宽是45kHz,失真产物将隐藏在测试信号响应的裙边下。如果换接到另外—个窄带滤波器(如1kHz滤波器),60dB带宽15kHz,失真产物是容易被观察到的(因为60dB带宽的一半是75kHz,它小于边带的间隔)。因此,对于本测量所需的分辨带宽应不大于1kHz(<=1kHz)。滤波器形状系数( shape factors)的范围 o模拟滤波器:15:1或11:1 ¤数字滤波器:5:1 以上分析的结论频谱分析仪矩形系数越小,其对不等幅信号的频率分辨率越高。相位噪声影响分辨率的另一个因素是频谱分析仪本地振荡器的频率稳定度。剩余调频使显示的信号模糊不清,以致在规定的剩余调频之內的两个信号不能分辨出来一个频谱分析仪的分辨带宽不可能如此窄,以致能够观察到它自身的不稳定度。如果它能够这样做,那么我们将不能够区分出频谱分析仪和输入信号的剩余调频( Residual FM),。

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