頻譜分析儀技術(shù)基礎(chǔ).ppt

頻譜分析儀技術(shù)基礎(chǔ) 議題 闡述頻譜分析儀測量的主要應(yīng)用介紹頻譜分析儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理說明頻率分辨率 靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍等重要指標(biāo)在分析儀測量中的重要作用針對(duì)PHS測試 簡述注意事項(xiàng) 要達(dá)到的學(xué)習(xí)目標(biāo) 熟練應(yīng)用頻譜分析儀了解頻譜分析儀結(jié)構(gòu)原理 了解頻譜分析儀性能指標(biāo)掌握PHS測試頻譜分析儀參數(shù)設(shè)置 1頻譜分析儀應(yīng)用 從事通信工程的技術(shù)人員 在很多時(shí)候需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析 針對(duì)不同觀察域 分別用示波器 頻譜分析儀和矢量分析儀觀察信號(hào)示波器只能觀察信號(hào)的幅度 周期和頻率 但頻譜分析儀還可以分析信號(hào)的頻率分布信息 頻率 功率 諧波 雜波 噪聲 干擾和失真 而矢量分析儀可以在頻譜分析儀基礎(chǔ)上分析數(shù)字調(diào)制信號(hào)調(diào)制質(zhì)量 頻域和時(shí)域 早期的信號(hào)觀察 主要依賴示波器在時(shí)域內(nèi)觀察信號(hào) 傅立葉變換告訴我們 任何時(shí)域內(nèi)電信號(hào)都是由一個(gè)或多個(gè)不同頻率 不同幅度和不同相位的正弦波組成的 但應(yīng)用示波器無法觀察到頻域內(nèi)信息 只能在時(shí)域內(nèi)觀察 應(yīng)用頻域測量 就能以頻譜的形式顯示出每個(gè)正弦波的幅度隨頻率變化的情況下圖是信號(hào)在時(shí)域和頻域內(nèi)觀察的結(jié)果 由此可以清楚看出信號(hào)在頻域觀察的必要性 時(shí)域得到的是信號(hào)的波形信息 不能測量混合信號(hào) 如果存在干擾或失真信號(hào) 在時(shí)域上無法區(qū)分有用信號(hào)和無用信號(hào)在頻域上可以準(zhǔn)確地測量有用信號(hào)和無用信號(hào)的各種參數(shù) 時(shí)間 2頻譜分析儀結(jié)構(gòu)及原理 頻譜分析儀的類型頻譜分析儀主要有傅立葉頻譜分析儀和超外差式頻譜分析儀FFT頻譜分析儀 被分析的信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣 變成離散信號(hào) 采樣值被保存在一個(gè)存儲(chǔ)器中 經(jīng)過離散FFT變換計(jì)算 計(jì)算出信號(hào)的頻譜FFT頻譜分析儀不足之處 FFT分析儀不適合脈沖信號(hào)的分析 而且由于A D轉(zhuǎn)換器速度的限制 FFT分析儀僅適合測量低頻信號(hào) 超外差頻譜分析儀 這種頻譜分析儀對(duì)輸入信號(hào)的分析 并不是從時(shí)間特性計(jì)算得來的 而是由頻域分析直接決定的 對(duì)于這樣的分析 必須把輸入頻譜分成各個(gè)獨(dú)立的部分 可調(diào)帶通濾波器就是為此目的而使用的超外差頻譜分析儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖 濾波器 頻率基準(zhǔn) 對(duì)數(shù)放大器 RF輸入衰減器 混頻器 IF濾波器 檢波器 視頻濾波器 本地振蕩器 掃頻發(fā)生器 IF增益 輸入 顯示 原理分析 信號(hào)分析過程如下 被測信號(hào)經(jīng)過濾波和衰減后 和LO信號(hào)進(jìn)入混頻器混頻轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào) 因?yàn)長O頻率可變 所以輸入信號(hào)都可以被轉(zhuǎn)換成固定中頻 經(jīng)放大后進(jìn)入中頻濾波器 中心頻率固定 然后進(jìn)入一個(gè)對(duì)數(shù)放大器 對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行壓縮 然后進(jìn)行包絡(luò)檢波 所得信號(hào)即視頻信號(hào) 為了平滑顯示 在包絡(luò)檢波之前通過可調(diào)低通濾波器 即視頻濾波 視頻信號(hào)在陰極射線管內(nèi)垂直偏轉(zhuǎn) 即顯示出在信號(hào)的幅度 同時(shí) 由于顯示的頻率值是掃頻發(fā)生器電壓值的函數(shù) 所以對(duì)應(yīng)被測信號(hào)的頻率值 于是 被測信號(hào)的信息顯示在LCD上下面將對(duì)頻譜分析儀每個(gè)獨(dú)立部件的工作原理和相互之間的作用做詳細(xì)說明 LO IM RF 低通濾波器 低通濾波器的主要作用是抑制鏡像頻率 下圖是低中頻頻譜分析儀輸入頻率與鏡像頻率范圍的關(guān)系 如果輸入頻率范圍大于2IF 則兩頻率范圍會(huì)重疊 所以要求輸入濾波器在不影響主信號(hào)的情況下抑制鏡像抑制 IF LO 如果使用可調(diào)諧帶通濾波器以抑制鏡像頻率 則由于較寬的調(diào)諧范圍使濾波器極為復(fù)雜 所以采用高的第一中頻使問題簡化這種配置下 鏡像頻率位于輸入頻率范圍之上 由于兩個(gè)頻率范圍不會(huì)重疊 故可利用低通濾波器抑制鏡像頻率 三者范圍關(guān)系如下圖 LO RF IM IF 衰減器 衰減器主要有三個(gè)作用保護(hù)頻譜儀不受損壞 測量高電平信號(hào)時(shí) 為了不燒壞頻譜分析儀 必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減 提高測試的準(zhǔn)確性 混頻器是非線性器件 當(dāng)混頻器輸入信號(hào)電平較高時(shí) 輸出會(huì)產(chǎn)生許多產(chǎn)物 而且電平太高會(huì)干擾測試結(jié)果 使無互調(diào)范圍減小 當(dāng)輸入信號(hào)電平在混頻器1dB壓縮點(diǎn)以上時(shí) 測試結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確提高頻譜儀動(dòng)態(tài)范圍 通過設(shè)置步進(jìn)衰減器調(diào)節(jié)進(jìn)入混頻器的電平 可以得到較大的動(dòng)態(tài)范圍 混頻器 混頻器的作用就是將輸入高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào) 由于混頻器是非線性器件 輸出會(huì)有很多頻率成分 但我們需要的是混頻方式有兩種 基波混頻和諧波混頻 基波混頻是輸入信號(hào)的基波混頻 而諧波混頻是通過本振信號(hào)的諧波來混頻諧波混頻會(huì)造成相對(duì)高的轉(zhuǎn)換損耗混頻器對(duì)輸入RF小信號(hào)而言是線性網(wǎng)絡(luò) 當(dāng)輸入信號(hào)幅度逐漸增大時(shí) 就存在著非線性失真問題 所以輸入信號(hào)的幅值應(yīng)低于頻譜分析儀的1dB壓縮點(diǎn) 中頻放大器 輸入信號(hào)經(jīng)過了前置衰減器 電平降低 為了恢復(fù)信號(hào)幅值 補(bǔ)償輸入衰減器的變化 在混頻后對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行放大在放大有用信號(hào)的同時(shí) 噪聲和干擾信號(hào)也被同時(shí)放大 中頻濾波器 中頻信號(hào)經(jīng)放大后 然后經(jīng)過中頻濾波器 中頻濾波器是一個(gè)帶通濾波器 它選出需要的混頻分量 抑制掉其他不需要的信號(hào) 中頻濾波器的帶寬決定了頻譜分析儀的RBW范圍根據(jù)頻譜分析儀類型不同 中頻濾波器有模擬濾波器 數(shù)字濾波器和FFT濾波器 模擬濾波器 模擬濾波器用來實(shí)現(xiàn)大的分辨率帶寬 一般頻譜儀為4級(jí)濾波電路 也有5級(jí)濾波電路產(chǎn)品 這樣可分別得到14和10的波形因子 然而理想的高斯濾波器的波形因子為4 6波形因子即帶寬選擇性 簡稱選擇性 在實(shí)際測量中 經(jīng)常會(huì)遇到這種情形 兩個(gè)頻率接近的信號(hào)幅度不等 大信號(hào)形成的響應(yīng)曲線掩蓋了小信號(hào) 使小信號(hào)丟失 所以很多公司產(chǎn)品提供了濾波器3dB帶寬 表示等幅正弦信號(hào)頻率相差多少時(shí)仍能將它們區(qū)分開 這樣的合成響應(yīng)曲線仍有兩個(gè)峰值 中間下沉大約3dB 如下圖所示 有些頻譜分析儀的帶寬選擇性定義為60dB與30dB帶寬之比 如下圖 也有的頻譜分析儀的選擇性用60dB和6dB帶寬之比表示 兩等幅信號(hào)的測試 數(shù)字中頻濾波器 通過數(shù)字濾波器可以獲得很窄的帶寬 和模擬濾波器相比 理想的高斯濾波器可以實(shí)現(xiàn) 數(shù)字濾波器在可接受的價(jià)格內(nèi)有更好的選擇性 如5級(jí)電路模擬濾波器的波形因子為10 高斯濾波器為4 6 另外 數(shù)字濾波器有更好的溫度穩(wěn)定性 無需調(diào)整 所以在帶寬上更加精確由于數(shù)字濾波器的瞬態(tài)相應(yīng)已經(jīng)確定 使用合適的修正系數(shù)可使數(shù)字濾波器獲得比模擬濾波器在相同帶寬的情況下更短的掃描時(shí)間 典型選擇性模擬15 1數(shù)字5 1 模擬濾波器 數(shù)字濾波器 FFT濾波器 如果單純?yōu)榱藴y試精度而設(shè)置非常窄的分辨率帶寬 則會(huì)造成無法容忍的長時(shí)間掃描 因此在非常高的分辨率的情況下建議采用FFT濾波器 從時(shí)域特性計(jì)算頻譜 見下圖 當(dāng)采用FFT濾波器時(shí) 頻率非常高的信號(hào)不能通過A D直接采樣 須經(jīng)過與本振混頻變?yōu)橹蓄l并在時(shí)域?qū)ㄐ盘?hào)取樣 X t A D RAM FFT 對(duì)數(shù)放大器 檢波器之前有一個(gè)對(duì)數(shù)放大器 對(duì)數(shù)放大器按照對(duì)數(shù)函數(shù)來壓縮信號(hào)電平 對(duì)于輸入電壓幅度v 輸出電壓幅度為logv 這大大減小了由檢波器所檢測的信號(hào)電平變化 而同時(shí)向用戶提供校準(zhǔn)成用分貝讀數(shù)的對(duì)數(shù)垂直刻度 在頻譜分析儀中 由于信號(hào)電平大幅度變化 故需要采用對(duì)數(shù)刻度對(duì)數(shù)放大器的設(shè)計(jì)基于多級(jí)解調(diào)原理 將許多個(gè)具有固定增益 每一級(jí)的增益通常為10dB 的單元放大器級(jí)聯(lián)起來 隨后 將每一級(jí)放大器的輸出逐個(gè)相加以提供線性輸出電壓 有些器件提供一個(gè)表示輸入信號(hào)的相對(duì)相位的限幅輸出 對(duì)數(shù)放大器 檢波器 頻譜分析儀一般都是用包絡(luò)檢波器把IF信號(hào)變換成視頻 包絡(luò)檢波器最簡單的形式是一個(gè)二極管后面接一個(gè)并聯(lián)的RC電路 如下圖峰值檢波器由二極管和RC電路組成 其輸出要跟隨IF信號(hào)的包絡(luò)而變化 它必然也具有一定的響應(yīng)時(shí)間 這就是檢波器的時(shí)間常數(shù) 時(shí)間常數(shù)太大 檢波器就不能及時(shí)跟上包絡(luò)變化的速度 掃描速度的快慢也會(huì)對(duì)檢波器輸出產(chǎn)生影響 掃描太快 檢波器電路來不及響應(yīng) 其輸出幅度也就反映不出包絡(luò)的變化 檢波方式 不同的檢波方式在顯示屏上會(huì)有不同的數(shù)據(jù)處理 頻譜分析儀主要有以下檢波方式 最大峰值檢波最小峰值檢波自動(dòng)峰值檢波取樣檢波RMS檢波器平均值檢波準(zhǔn)峰值檢波 最大峰值檢波 取樣檢波 最小峰值檢波 視頻濾波器 視頻濾波器在包絡(luò)檢波器之后 視頻濾波器決定了視頻帶寬 視頻濾波器是第一級(jí)低通設(shè)置 用于從視頻信號(hào)中濾除噪聲 平滑軌跡 從而使顯示結(jié)果穩(wěn)定 和分辨率帶寬類似 視頻帶寬也會(huì)限制最大允許掃描速度 要達(dá)到最小的掃描時(shí)間需要增大視頻帶寬S N比較低時(shí) 可以通過減小VBW來穩(wěn)定顯示 弱信號(hào)會(huì)在頻譜中突現(xiàn)出來并且穩(wěn)定可再現(xiàn) 在測量正弦波信號(hào)時(shí) 減小VBW 對(duì)電平無影響 未經(jīng)視頻濾波 經(jīng)過視頻濾波 鋸齒波發(fā)生器 本振和顯示 鋸齒波發(fā)生器既控制顯示器上曲線的位置 又控制LO的頻率 所以就可以通過校準(zhǔn) 用顯示器的水平軸來表示輸入信號(hào)頻率任何振蕩器都不是絕對(duì)穩(wěn)定的 而是在一定程度上被隨機(jī)噪聲調(diào)頻或調(diào)相的 LO的不穩(wěn)定性會(huì)直接影響由LO和輸入信號(hào)混頻后的中頻 因此 LO的相位噪聲調(diào)制邊帶也會(huì)在顯示器上任何譜分量的兩邊出現(xiàn) LO越穩(wěn)定 相位噪聲越低YIG振蕩器經(jīng)常被用作本振 也由一些頻譜儀采用壓控振蕩器作為本振 其調(diào)節(jié)范圍較小 但較YIG調(diào)整起來更快 為了增加頻譜儀的頻率精度 本振信號(hào)可以是合成信號(hào) 也就是說 本振經(jīng)鎖相環(huán)鎖定在參考信號(hào)上 參考信號(hào)通常由一個(gè)溫控晶振產(chǎn)生 為了增加頻率精度與長期的穩(wěn)定性 大多數(shù)頻譜儀廣泛采用恒溫控制晶振 3頻譜分析儀性能指標(biāo) 頻譜分析儀有以下主要性能指標(biāo) 濾波器特性相位噪聲接收機(jī)的固有噪聲系統(tǒng)非線性1dB壓縮點(diǎn)動(dòng)態(tài)范圍測量精度下面就這些指標(biāo)分別討論 分辯濾波器特性 中頻濾波器需要矩形濾波器 但對(duì)頻譜分析儀而言 矩形濾波器的瞬態(tài)響應(yīng)是不合適的 由于這樣的濾波器與較長的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間 輸入信號(hào)的頻譜應(yīng)通過十分緩慢的本振調(diào)諧變到中頻儀避免幅度誤差 使用優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)的高斯濾波器可以獲得較短的測試時(shí)間濾波器的特性常以波形系數(shù)來定義 SF BW 60dB BW 3dB 相位噪聲 相位噪聲是振蕩器短時(shí)間穩(wěn)定度的度量參數(shù) 盡管我們看不到頻譜分析儀LO系統(tǒng)的實(shí)際頻率抖動(dòng) 但LO頻率或相位不穩(wěn)定的表現(xiàn)是可以觀察到的 這就是相位噪聲相位噪聲通常是以一個(gè)單載波的幅度為參考 并偏移一定的頻率下的單邊帶相位噪聲 這個(gè)數(shù)值是指在1Hz帶寬下的相對(duì)噪聲電平 故其單位為dBc 1Hz 或dBc Hz c表示載波 由于相位噪聲電平比載波電平低 所以定義為負(fù)值相位噪聲主要影響頻譜分析儀的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍 噪聲邊帶 分析儀的固有噪聲 固有噪聲可以理解為頻譜分析儀的熱噪聲 固有噪聲會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)信噪比的惡化 所以固有噪聲是頻譜分析儀靈敏度的度量指標(biāo) 決定了頻譜分析儀的最小可檢測電平指標(biāo)中的顯示噪聲平均電平必須對(duì)應(yīng)相應(yīng)的分辨率帶寬和衰減器設(shè)置 因?yàn)檫@兩個(gè)指標(biāo)對(duì)顯示的噪聲電平都有影響 典型情況下是設(shè)置衰減器為0dB和最小分辨率帶寬RF衰減器設(shè)置和RBW對(duì)設(shè)置對(duì)顯示噪聲本底影響見下圖 減小帶寬 降低噪聲 10dB 10kHzRBW 1kHzRBW 10dB 100kHzRBW IF濾波器帶寬對(duì)噪聲電平的影響 RF輸入衰減對(duì)噪聲電平的影響 10dB衰減 20dB衰減 接收機(jī)的非線性特性 由于頻譜分析儀中含有半導(dǎo)體器件 所以存在非線性 然而頻譜分析儀要求無失真顯示被測輸入信號(hào) 所以線性特性是頻譜分析儀必須的性能參量 對(duì)于單正弦波信號(hào)輸入的情況 由于存在非線性 會(huì)產(chǎn)生各次諧波 對(duì)于輸入信號(hào)是兩個(gè)幅度相等的正弦波信號(hào)的情況 除了產(chǎn)生諧波之外 同時(shí)也有互調(diào)產(chǎn)物 互調(diào)產(chǎn)物的階數(shù)是所含頻率各次項(xiàng)之和頻譜儀的線性主要由混頻器和中頻放大器決定 而輸入射頻衰減器實(shí)際上對(duì)線性是沒有影響的 如果由射頻衰減器改變混頻器的輸入電平 頻譜儀產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物電平將依其階數(shù)變化 而DUT產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物電平保持不變 所以調(diào)節(jié)衰減器可以判斷頻譜儀顯示的互調(diào)產(chǎn)物的來源 如果增加RF衰減 而諧波和互調(diào)產(chǎn)物的相對(duì)電平保持不變 說明失真來自DUT 測量結(jié)果正確 如果諧波和互調(diào)產(chǎn)物的相對(duì)電平有變化 則說明有部分失真來自頻譜分析儀內(nèi)部 測量結(jié)果不正確頻譜儀常用截止點(diǎn) T O I 和1dB壓縮點(diǎn)來表征分析儀的非線性特性 動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍是頻譜分析儀同時(shí)處理不同電平信號(hào)的能力 動(dòng)態(tài)范圍的限值依賴于實(shí)際所要進(jìn)行的測量 動(dòng)態(tài)范圍下限是由自然噪聲或相位噪聲決定的 動(dòng)態(tài)范圍的上限是由1dB壓縮點(diǎn)或由頻譜儀過載而造成的失真決定的最大動(dòng)態(tài)范圍通常是在最小分辨率帶寬情況下 顯示的噪聲做為下限 1dB壓縮點(diǎn)作為上限 如果達(dá)到第一級(jí)混頻器的輸入電平高出1dB壓縮點(diǎn) 那么將產(chǎn)生混頻器的非線性失真 使用較小的RBW時(shí) 失真產(chǎn)物就會(huì)明顯地顯示出來 他們不會(huì)被噪聲淹沒 此時(shí)的頻譜測量就不能明確反映被測設(shè)備的真實(shí)頻譜 測量精度 頻譜儀測量精度分為頻率測試精度和幅度測量精度頻率精度 頻譜儀的本振通過鎖相環(huán)同步到一個(gè)穩(wěn)定的參考振蕩器上 頻譜分析儀的頻率精度也就是參考源的精度 并且受參考源的溫度和長期穩(wěn)定度的影響 參考源通常采用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器和箱控晶體振蕩器 產(chǎn)生的參考頻率收到環(huán)境溫度和操作期間老化的影響幅度測量精度 其誤差來源主要有頻率響應(yīng) 衰減器誤差 中頻增益誤差 線性誤差 帶寬切換誤差和失配誤差 4PHS的頻譜分析儀應(yīng)用 針對(duì)PHS測試中對(duì)頻譜分析儀的應(yīng)用 作以下說明 由于頻譜分析儀的應(yīng)用大多用于雜散測試 所以主要針對(duì)雜散測試時(shí)儀器設(shè)置作說明 RBW 通常情況下RBW等于被測頻譜帶寬 但為了提高測量精確性 靈敏度和效率 RBW也可以不同于頻譜帶寬 當(dāng)RBW太大時(shí) 就會(huì)淹沒雜散信號(hào) RBW太小則掃描時(shí)間太長PHS載波OBW為300k 則測試頻譜和雜散時(shí)RBW設(shè)置成300kHz 顯示 RBW VBW VBW反映的是頻譜分析儀接收機(jī)中位于包絡(luò)檢波器之后的視頻濾波器的帶寬 視頻帶寬至少與分辯帶寬相同 改變VBW的設(shè)置 可以減小噪聲峰 峰值的變化量 提高較低信噪比信號(hào)測量的分辨率和復(fù)現(xiàn)率 易于發(fā)現(xiàn)隱藏在噪聲中的小信號(hào) 在其他設(shè)置不改變的情況下 減小VBW 掃描時(shí)間會(huì)增加 平滑效果更加明顯測試時(shí)VBW RBW 300kHz 未經(jīng)視頻濾波 經(jīng)過視頻濾波 Attenuation 為了保證精度和保護(hù)儀器免受損壞 測量大信號(hào)時(shí)要設(shè)置衰減 防止混頻器過載 但由于儀器內(nèi)部噪聲不受衰減器影響 而在后面的中頻放大時(shí)會(huì)被放大 而輸入信號(hào)幅值不變 所以會(huì)降低信噪比 RF衰減為0時(shí) 靈敏度最高 每增加10dB的衰減量 顯示的噪聲電平將提高10dB