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巅濮
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频谱分析仪原理罗德与施瓦茨中国培训中心 2009 www.rohde-schwarz.

1 频谱分析仪原理罗德与施瓦茨中国培训中心 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映 1

2 频域测量对信号分析的作用 2 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映时域得到的是信号的波形信息, 不适合测量混合信号和复杂信号, 如 AM 信号 QPSK 信号频域得到的是信号的频域分布信息左上图的信号幅度和相位无规则变化, 在时域中测量很难获得有用的信息可以把这个复杂的信号看作是两个不同频率和幅度的两个信号 ( 右上图 ) 的合成, 然后在频域中表示出来 ( 下图 ), 这样就可以很清楚地了解该混合信号的构成 2

3 超外差式频谱分析仪结构低通滤波器衰减器混频器中频放大器中频滤波器 RBW 对数放大器包络检波器 RF 输入 H f RF IF 本振信号 Lo 视频滤波器 VBW 压控振荡器延迟检波器参考振荡器锯齿波发生器显示 3 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映上图是测量范围为 9kHz~3.6GHz 频谱分析仪的内部模型 1 超外差式频谱分析仪通过内部混频器和本地振荡器 Lo 信号将输入信号转换到固定的中频, 然后在此基础上进行信号处理通过扫描本地振荡器的中心频率达到在频率上扫描输入信号 2 输入信号被转换成中频信号后信号需要经过放大和滤波, 频谱仪的 RBW 就是中频滤波器, 它是一个带通滤波器 3 为了允许一个宽电平范围信号同时在屏幕上显示, 中频信号用对数放大器来压缩 4 中频信号经过包络检波后变成基带信号, 频谱仪的视频滤波器 VBW 是基带信号滤波器, 它是一个低通滤波器 5 由于从起始频率到终止频率扫描点的数量远远大于仪器能够显示的象素点, 测量点到显示点之间有个对应关系, 称作检波 6 现代的频谱仪都采用液晶显示来代替传统的阴极射线管, 体积更小 7 压控振荡器的振荡频率 ( 本振频率 ) 和实际的射频频率之间有一个对应关系, 信号处理也有一定延迟, 因此显示和压控振荡器之间需要同步 3

4 滤波器 : 抑制镜像频率的影响频率 >3.6GHz 频率 <3.6GHz 4 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映所谓接收机低中频方案, 指第一次变频时将输入信号频率变低, 高中频方案则是第一次变频时将输入信号频率变高, 然后再将它变低 9kHz~3.6GHz 频谱测量方法 : 如果频谱仪采用低中频方案, 当输入频率范围大于 2f IF, 那么被测信号范围和镜像信号范围将会重叠, 采用低通滤波器不能将镜像频率信号滤除, 所以对输入滤波器的要求为, 在不影响主信号的情况下, 应用一个可调谐带通滤波器以抑制镜像频率为了覆盖 (9kHz~3.6GHz) 的频率范围, 由于较宽的调谐范围 ( 几十个倍频程 ) 使滤波器变得极为复杂而不容易实现, 因此必须采用高中频方案第一中频频率比输入信号频率高, 那么本振信号也比输入信号频率高, 镜像频率和输入信号的频率间隔为 2f IF, 也就是镜像频率远远高于本振信号频率和输入信号的频率, 因此设计一个固定的滤波器, 其截止频率位于最高输入频率和中频频率之间就很容易解决镜像频率对有用信号的影响此外, 低通滤波器还可以抑制本振信号从频谱仪输入端口泄漏出去而影响被测件高于 3.6GHz 频谱测量方法 : 现代频谱仪在射频前端采用一个滤波器, 将低于 3.6GHz 和高于 3.6GHz 的信号分开高于 3.6GHz 信号采用低中频方案, 输入前端使用可调的 YIG 带通滤波器来滤除镜像频率的干扰, 因为调谐范围比较小 (13GHz/3.6GHz=3.6),YIG 带通滤波器很容易实现, 但它的频率响应不好, 调节有延迟 YIG 滤波器通过调节的电流来改变电感, 进而改变中心谐振频率如果频谱仪分析频率在 1GHz~ 5GHz 的信号时, 它是分段扫描的,1GHz~3.6GHz 和 3.6GHz~5GHz 的扫描采用了不同的射频前端 4

5 衰减器低通滤波器衰减器混频器中频放大器中频滤波器 RBW 对数放大器包络检波器 RF 输入 H f RF IF 本振信号 Lo 视频滤波器 VBW 压控振荡器延迟检波器参考振荡器锯齿波发生器显示 5 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映衰减器有机械的, 也有电子的, 其步进一般为 10dB 和 5dB, 有些频谱仪提供 2dB 步进调节衰减器的作用如下 : 1 当测量高电平信号时, 对信号进行衰减, 保护频谱仪不受损坏 2 改善仪器端口的匹配特性 3 提高测试的准确性, 混频器是非线性器件, 当混频器输入信号电平较高时, 输出会产生许多产物, 而且电平太高会干扰测试结果, 使无互调范围减小当输入信号电平在混频器 1dB 压缩点以上时, 测试结果会不准确 4 提高频谱仪动态范围 : 通过设置步进衰减器调节进入混频器的电平, 可以得到较大的动态范围同时, 衰减器设置过大, 仪器的本底噪声被抬高 5

6 混频器中频频率调谐在 f L - f in RF IF f L - f in f L + f in Input Lo f in f in f L f L 6 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映频谱仪的上限频率取决于本振的调谐范围 1 基波混频 : 输入信号通过本振的基波混频但为了覆盖更高的频率范围, 有必要进行倍频, 如在混频器前加乘法器 2 谐波混频 : 由于混频器的非线性会使本振信号产生谐波, 可用谐波来进行混频基波混频可获得最小的插入损耗, 由此可以得到低的噪声系数但这种方法要求对本振信号做复杂的处理除了乘法器外, 要求滤波器在作乘法运算后对谐波有很好的抑制作用需要足够高的本振电平的放大器必须是宽带放大器, 因为它对应了高频输入部分的输入频率范围谐波混频虽然很容易实现, 但会造成相对高的转换损耗, 因此, 要求加到混频器的本振电平要高于其在低频段的值, 由于足够高的本振电平与混频器的非线性, 高次谐波可以用于混频转换损耗随谐波阶次的升高而升高, 有如下关系 Δa m =20 logm Δa m 是相对于基波混频时的转换损耗增量 ; m: 用于转换的谐波阶次以上这两个方案在实际中根据频谱仪的价格档次而定, 两种方法同时使用也是可能的, 比如, 使用倍频得到本振信号, 谐波实现的转换可以在一个可以接收的价格上进行复杂性与灵敏度的折中 3 外混频器 : 对于毫米波范围内的测试 (40GHz 以上 ), 可利用外混频器来提高频谱仪的频带范围这些混频器一般采用谐波混频, 所以本振信号频率范围比输入信号频率范围小输入信号通过本振的谐波变频到低中频, 并在频谱仪低端频率输入部分的中频信号链路适当的位置上插入在毫米波段经常使用波导, 外混频器一般采用波导形式, 这些混频器一般不采用预选器, 因此对镜像频率没有抑制, 无用的混频产物可以通过合适的算法分辨出来 6

7 频谱仪的扫描过程输入信号 SPAN 7 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映输入信号频率本振信号频率和中频信号频率有一个固定关系, 比如本振频率 - 输入信号频率 = 中频频率, 中频频率是固定的, 本振信号频率变化就等于输入信号频率变化, 扫描式频谱分析仪是通过扫描本振 ( 即调谐本振频率 ) 来实现输入信号在一段频率范围内的扫描的上图说明当一个待测试的单载波信号输入到频谱仪, 实际上测量到的是中频滤波器幅频特性的形状, 即实际测量的结果是中频滤波器幅频特性和输入信号的卷积 7

8 扫描时间 T Sweep 最小扫描时间 Span 频率扫描跨度 RBW 分辨率带宽 (3 db 带宽 ) K 1 数字滤波器, 2.5 模拟滤波器 T Sweep k Span RBW 2 8 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映采用窄带滤波器可实现高分辨率, 但需要更长的扫描时间比例系数 K 取决于滤波器的类型和允许的瞬态响应误差对于由 4--5 个单独电路组成的模拟滤波器, 比例系数 K=2.5( 最大的瞬态响应误差大概为 0.15dB) 数字高斯滤波器的瞬态响应可知并能够精确再现, 和模拟滤波器相比, 可以通过与信号类型无关的合适修正系数来获得更高的扫描速度 8

9 扫描时间 vs RBW 输入信号 RBW 小 SPAN RBW 大 SPAN 9 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映窄的中频滤波器可实现高的分辨率, 所以中频滤波器带宽又称为分辨率带宽 (RBW) 本振信号频率变化的一般以远小于 RBW 的频率步进扫描, 比如 RBW/10,RBW 变大,SPAN 不变, 那么本振调整的步进变大, 测量的次数就变少了, 整个扫描时间会变短反之,RBW 越小, 扫描时间就越长 9

10 中频放大器对数放大器低通滤波器衰减器混频器中频放大器中频滤波器 RBW 对数放大器包络检波器 RF 输入 H f RF IF 本振信号 Lo 视频滤波器 VBW 压控振荡器延迟检波器参考振荡器锯齿波发生器显示 10 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映中频放大器 : 输入信号经过了前置衰减器, 电平降低, 为了恢复信号幅度, 补偿输入衰减器的变化, 在混频器后对中频信号进行放大, 在放大有用信号的同时, 噪声和干扰信号也被同时放大对数放大器 : 检波器之前有一个对数放大器, 对数放大器按照对数函数来压缩信号电平 ( 对于输入电压幅度 v, 输出电压幅度为 logv), 这大大减小了由检波器所检测的信号电平变化, 而同时向用户提供校准成用分贝读数的对数垂直刻度, 在频谱分析仪中, 由于信号电平大幅度变化, 故需要采用对数刻度对数放大器的设计基于多级解调原理, 将许多个具有固定增益 ( 每一级的增益通常为 10dB) 的单元放大器级联起来随后, 将每一级放大器的输出逐个相加以提供线性输出电压, 有些器件提供一个表示输入信号的相对相位的限幅输出 10

11 中频滤波器 RBW 模拟滤波器包络检波器视频滤波器混频器数字滤波器对数放大器放大器检波器输入中频放大器 FFT 滤波器本地振荡器 y x 锯齿波发生器显示 11 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映中频滤波器可以减小噪声带宽, 其带宽越窄, 噪声带宽就越窄, 进入频谱分析仪的噪声就越小, 那么接收灵敏度就越高, 即本底噪声越低当今的频谱仪的中频滤波器有以下三种形式 : 1 模拟滤波器 2 数字滤波器 3 FFT 模拟滤波器通常用来实现大的分辨率带宽本例中频谱分析仪带宽从 100kHz~ 10MHz 是采用模拟滤波器来实现的, 其选择性依赖于滤波电路阶数, 一般频谱仪为 4 级滤波电路, 也有 5 级滤波电路也产品, 这样可分别得到 14 和 10 的形状系数理想的高斯滤波器的形状系数为 4.6, 不能用模拟滤波器实现, 但是在 20dB 带宽内实现近似是可能的, 这样瞬态响应几乎与高斯滤波器相同 11

12 中频滤波器 RBW: 数字滤波器真正的高斯形状, 波形因子 4.6, 灵敏度更高扫描速度快, 最小扫描时间 k = 1 通过补偿可以达到带宽精度高, 电平精度高用于噪声或类噪声信号没有温度或老化漂移 IF 20.4 MHz 抗混叠滤波 12 bit A D 32 MHz IF IF Q mixer 90 LO I mixer LO NCO I Q 低通滤波滤波器因子低通滤波滤波器因子 I Q IF envelope voltage 12 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映通过数字滤波器可以获得很窄的带宽和模拟滤波器相比, 理想的高斯滤波器可以实现数字滤波器在可接受的价格内有更好的选择性如 5 级电路模拟滤波器的形状系数为 10, 高斯滤波器为 4.6 另外, 数字滤波器有更好的温度稳定性, 无需调整因此, 在带宽上它更为精确由于数字滤波器的瞬态响应已经确定, 使用合适的修正系数可使数字滤波器获得比模拟滤波器在相同带宽的情况下更短的扫描时间从 10Hz~30kHz 的分辨率带宽是通过数字滤波器实现的 12

13 中频滤波器 RBW: FFT 滤波器速度快, 在窄的分辨带宽情况下较数字滤波器和模拟滤波器减少了扫描时间不适合做脉冲信号分析 13 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映信号的频谱是由其时域特性决定的时域和频域可借助傅立叶变换和傅立叶反变换来相互转换, 因此可以计算出时域信号的频谱为了精确计算输入信号的频谱, 就需要无限期的观察另外时域中每个点上信号的振幅都要知道这种计算的结果将是一个连续的频谱, 频率分辨度将是无限的很明显, 这么精确的计算在实际中是不可能的假设某些前提条件, 频谱仍然可在保证足够精确度的情况下确定实际上, 傅立叶变换需要借助于数字信号处理, 因此被分析的信号要用模数转换器采样及振幅量化通过抽样可以使连续输入信号转换成时域上离散的点, 但是关于时域特性的信息将会丢失因此输入信号的带宽必须限制, 否则会因为取样而产生不真实的信号根据香农采样定律, 采样频率 f s 必须要至少高于输入信号带宽两倍实际上, 被分析的信号通过模数转换器采样, 变成离散信号, 采样值被保存在一个存储器中, 经过离散傅立叶变换计算, 计算出信号的频谱 13

14 中频滤波器 (RBW) 特性 14 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映中频滤波器用来界定已变换到中频的输入信号将显示在频率轴上确定位置上所对应的部分由于高裙边选择性和由此产生的选择特性, 需要矩形滤波器, 但对频谱分析而言, 这种矩形滤波器的瞬态响应是不合适的由于这样的滤波器有较长的瞬态响应时间, 输入信号的频谱应通过十分缓慢的本振调谐变到中频以避免幅度误差使用优化瞬态响应的高斯滤波器可以获得相对短的测试时间由于有限的裙边选择性高斯滤波器必须定义带宽, 在频谱分析中通常定义 3dB 带宽滤波器的裙边选择性用波形系数来定义 : SF 60/3 =B 60dB / B 3dB 这里 B 3dB =3dB 带宽, B 60dB =60dB 带宽在电磁兼容接收机里面的测量带宽指的是中频滤波器 6dB 带宽 14

15 不同分辨带宽的滤波器对测试结果的影响 15 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映假定在一个强信号旁边有一个弱信号时, 采用大波形系数的中频滤波器 (RBW) 可能检测不出来 1kHz 的分辨率带宽当 SF=4.6 时 ( 对应蓝色踪迹 ), 可测出弱信号当 SF=9.5 时 ( 对应红色踪迹 ) 则分辨不出弱信号 15

16 分辨相邻的信号红色踪迹 : RBW=30 khz 红色踪迹 : RBW=30 khz 蓝色踪迹 : RBW= 3 khz 蓝色踪迹 : RBW= 3 khz 16 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映频谱仪的频谱分辨率主要决定于分辨率带宽 RBW, 即中频滤波器带宽若使用取样或峰值检波器, 频谱分辨率指在显示中通过 3dB 衰减来分辨两个等幅信号的最小频率偏移如左图所示, 红线对应 30kHz 分辨率带宽, 减小带宽后, 蓝线对应 3kHz 分辨率带宽, 两个信号被明显分开如果相邻信号的电平有明显不同, 小电平信号在大分辨率设置下不会显露出来 ( 见右图红色踪迹 ) 通过减小带宽, 弱信号可被显露出来 ( 见右图蓝色踪迹 ) 16

17 包络检波中频信号到基带信号的过程 17 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映输入信号幅度的信息包含在中频信号的幅度中, 通过使用模拟或者数字滤波器, 在滤除高的中频信号之后, 可以得到中频信号的包络 17

18 视频滤波器 (VBW) 混频器中频放大器中频滤波器 RBW 对数放大器包络检波器 RF IF 本振信号 Lo 视频滤波器 VBW 视频滤波器 ( 平滑 ) 压控振荡器延迟检波器参考振荡器锯齿波发生器显示 18 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映视频滤波器在包络检波器之后, 视频滤波器决定了视频带宽视频滤波器是一级低通配置, 用于从视频信号中滤除噪声, 平滑轨迹, 从而使显示结果稳定这里所述频谱仪的视频滤波器也是数字式的, 因此视频信号在检波器输出处通过 A/D 变换器被取样及量化和分辨率带宽类似, 视频带宽也会限制最大允许的扫描速度, 要达到最小的扫描时间需要增大视频带宽对于有足够信噪比的情况下测量正弦信号, 经常选择 VBW 与 RBW 相等在低 S/N 的情况下, 可以通过减小 VBW 来稳定显示, 弱信号会在频谱中突现出来并且稳定可再现在测量正弦信号时, 减小 VBW, 对电平无影响 18

) 会落在一个象素点上, 象素点显示什么样的数值取决于检波器的检波方式 2 举个例子, 当测试 1GHz~7.25GHz 的频谱时,RBW 等于 10MHz, 频率跨度为 6.

19 检波器对数检波器最大峰值线性 / 对数查找表 : 有效值平均值检波器线性视频信号最小峰值有效值采样检波器的选择对数微处理器显示水平轴 500 个像素点平均值线性检波器 19 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映 1 现代频谱仪使用液晶显示器来代替阴极射线管来显示记录频谱, 相应地, 幅度和频率显示的分辨率都受到限制幅度分辨率的限制可用曲线处理来弥补, 这样即可在很高分辨率的情况下来确定幅度特别当显示大的频率跨度时, 一个象素点包含了相对较大子段的频谱信息, 由于频谱仪第一级本振的调整步长取决于分辨率带宽, 这样多个取样点 ( 测试结果值 ) 会落在一个象素点上, 象素点显示什么样的数值取决于检波器的检波方式 2 举个例子, 当测试 1GHz~7.25GHz 的频谱时,RBW 等于 10MHz, 频率跨度为 6.25GHz, 频谱仪显示了 625 点, 实际上一个显示点 ( 象素点 ) 代表了 10MHz 信号带宽内的频谱假设本振以 RBW/10 为步进, 那么每 10MHz 带宽的输入信号测试了 10 次, 在整个带宽内一共测试了 6250 次, 中心频率分别为 1.001GHz 1.002GHz 1.003GHz GHz 7.249GHz 7.25GHz, 但是显示点只有 625 个, 那么一个显示点代表这 10MHz 频带内的 10 次测量结果值, 到底代表哪一次或者哪几次结果的合成就由检波器来决定 19

20 检波器选择与数据处理有效值检波器 U 1 N 2 RMS = u i N i= 1 视频电压测量过程平均值检波器 U 1 = N AV u i N i= 1 频率视频电压最大峰值 RMS 最大峰值 RMS 平均值采样值最小峰值平均值采样值最小峰值频率第 N 象素点第 N+1 象素点第 N+2 象素点 20 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映一共有 7 种检波器 : 1 最大峰值检波器 : 从分配到每个像素点的取样点中取一个最高电平并显示出来, 如上例, 将第 9 个点和第 13 个点的测试结果值显示出来, 其它的无效 2 最小峰值检波器 : 从分配到每个像素点的取样点中取一个最小电平并显示出来, 如上例, 将第 5 个点和第 17 个点的测试结果值显示出来, 其它的无效 3 自动峰值检波 : 同时显示最高电平和最小电平, 两点之间用垂线相连 4 取样检波 : 从分配到每个像素点的取样点中取固定位置的电平并显示出来, 如上例, 将第 1 个点和第 11 个点的测试结果值显示出来, 其它的无效在频率跨度远远大于 RBW 的情况下, 输入信号将不再被可靠检测 5 RMS 检波器 ( 均方根 ): 计算分配到每个像素点的所有取样值的均方根值, 结果为像素点对应频宽内的信号功率在 RMS 计算时, 包络的取样值要求采用线性值来计算 6 平均值检波 : 计算分配到每个像素点所有取样点的线性平均值 7 准峰值检波 : 这是一种用于干扰测量应用并定义了充放电时间的峰值检波器, 用于 EMC 方面的测试 20

21 本地振荡器 Lo 低通滤波器衰减器混频器中频放大器中频滤波器 RBW 对数放大器包络检波器 RF 输入 H f RF IF 本振信号 Lo 视频滤波器 VBW 压控振荡器延迟检波器参考振荡器锯齿波发生器显示 21 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映由于宽的可调范围与低相位噪声,YIG 振荡器经常被用作本振这项技术使用磁场来调谐一些频谱仪采用压控振荡器来作本振, 其调整范围较小, 但较 YIG 调整起来更快为了增加频谱仪的频率精度, 本振信号可以是合成信号也就是说, 本振经锁相环锁定在参考信号上和模拟频谱仪相比, 本振不能连续调节, 但是可分为多个小的步长调整步长依赖于分辨率带宽, 小的分辨率带宽需要小的调整步进参考信号通常由一个温控晶振 (TCXO) 产生为了增加频率精度与长期的稳定性, 对大多数频谱仪来说, 广泛采用恒温控制晶振 (OCXO) 可以从频谱仪后面板的一个接头上得到 10MHz 的参考同步信号也可以应用外参考时基来同步频谱仪 21

22 频谱仪的时域功能 SPAN=0, 起始频率 = 终止频率, 本振不扫描得到功率 vs 时间关系, 横轴为时间, 纵轴为包络功率中频带宽 (RBW) 必须大于被测信号的带宽 22 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映示波器分析的是时间对瞬时幅度的关系 22

23 频谱仪的触发 Free Run: 自由运行, 一次扫描结束后, 开始下一次扫描 Video: 视频触发, 通过显示的电压 / 功率来激活触发设置视频触发电平 IF Power: 中频功率触发, 通过检测第二中频的功率触发设置中频触发功率 Extern: 外部触发, 通过外部触发端口的 TTL 信号触发需要外部触发信号设置触发电平 Gate: 门控触发设置门的延迟和门的长度 Trigger Offset: 触发偏移, 设定触发信号和开始扫描的时间偏移 23 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映 23

24 频谱分析仪的性能相位噪声 ( 频谱纯度 ) 接收机的固有噪声系统非线性 1dB 压缩点动态范围频率测量精度幅度测量精度 24 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映 24

25 相位噪声 25 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映 1 频谱仪的相位噪声指本地振荡器短时间稳定度的度量参数相位噪声通常是以一个单载波的幅度为参考, 并偏移一定的频率下的单边带相位噪声这个数值是指在 1Hz 带宽下的相对噪声电平, 故其单位为 dbc(1hz) 或 dbc/hz,c 指的是载波, 由于相位噪声电平比载波电平低, 所以我们定义为负值 2 频谱分析仪的本振信号的相位噪声经过混频器混频, 将在输入信号上产生相应的相位噪声, 这就意味着即使输入的是一个理想的正弦信号, 频谱仪的本振相位噪声也将在显示的谱线上叠加, 如果输入信号夹带相位噪声 ( 实际上常有这种情况 ), 频谱仪的显示轨迹就包含了输入信号和本振信号合成的相位噪声本振的相位噪声太差, 在输入信号邻近的小信号就无法检测出来 3 相位噪声主要影响频谱仪的分辨率和动态范围 4 用频谱仪来准确分析被测信号相位噪声条件 : 频谱仪的相位噪声要比被测信号的相位噪声明显好 5 为了测试频谱分析仪的相位噪声指标, 必须用一个相位噪声比频谱仪相位噪声好得多的源来测试 25

26 频谱分析仪的固有噪声 RBWNoise LDANL = DANL10Hz 10dB + (10 lg ) db + RFATT 2. 5dB Hz L DANL 平均显示噪声电平 DANL 规定的平均噪声电平 (R&S 数据表 : RBW=10 Hz, RF ATT = 0 db) RBW Noise RBW 滤波器的等效噪声带宽 RF Att RF 衰减器 -2.5 db 修正因子 ( 对数定标的平均 ) 不同的滤波器 6 db 带宽和等效噪声带宽与 3 db 带宽的关系滤波器类型 4- 极点滤波器 ( 模拟 ) 5- 极点滤波器 ( 模拟 ) 理想高斯滤波器 ( 数字 ) 6 db 带宽 * B 3dB * B 3dB * B 3dB 等效噪声带宽 * B 3dB * B 3dB * B 3dB 26 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映 1 固有噪声是频谱仪灵敏度的度量指标, 决定了频谱仪的最小可检测电平 2 为了稳定显示噪声电平, 可通过窄的视频带宽和多踪迹进行适当的平均 3 频谱仪的 SPAN 并不影响固有噪声因为 SPAN 和 RBW 在默认设置下有一个相对固定的比值, 调整 SPAN 后,RBW 也随着变化, 本底噪声也产生变化 4 举例 :FSU 在 1GHz 中心频率处,RBW=100KHz, 衰减器为 30dB, 其固有噪声为多少? 被测信号为 -80dBm, 能够检测到吗? 答 : 通过 FSU 的 datasheet,fsu 在 1GHz 中心频率的本地噪声为 -148dBm@10Hz RBW,0dB 衰减, 那么当前设置下, 固有噪声为 -148dBm-10dB+10lg(100kHz) +30dB-2.5dB=-80.5dBm, -80dBm 的被测信号和本底噪声相当, 是不能被检测的为了准确地测试这个信号, 可以减小 RBW 或衰减器的设置使得本底噪声小于 -90dBm 26

27 本底噪声与 RF 衰减器 27 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映频谱分析仪显示的噪声本底电平依赖于衰减器的设置, 每增加 10dB 的衰减量, 显示的噪声电平将提高 10dB 27

28 本底噪声与 RBW 带宽 28 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映因为热噪声频谱功率密度在噪声带宽内是连续的, 所以显示的本底噪声电平是与选取的中频滤波器 (RBW) 的带宽有关, 可以通过计算而得 RBW 增大 10 倍, 噪声电平增大约 10dB 上图中,RBW 等于 1MHz 和 300kHz 时, 本底噪声电平较低,S/N 较高, 信号的功率测试时基本不受 RBW 的影响, 当 RBW 等于 3MHz 时, 本底噪声电平与信号功率比较接近, 使信号功率测量值偏高 28

29 1dB 压缩点 29 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映 1dB 压缩点定义 : 由于器件饱和区的影响, 增益降低 1dB 的点与截断点相类似,1dB 压缩点可以指输入电平或输出电平对于功率放大器来说, 通常给出的是输出 1dB 压缩点, 对于频谱仪来说, 为输入的 1dB 压缩点频谱仪的 1dB 压缩点特性主要受第一级混频器 ( 衰减设置为 0dB) 决定, 标称的输入电平指的是混频器输入端口的电平增加衰减器设置,1dB 压缩点会随着衰减值的加大而以同样的数值增加为了避免过载失真, 最大输入电平应该远低于 1dB 压缩点 29

30 动态范围 30 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映动态范围 : 动态范围是频谱分析仪同时处理不同电平信号的能力动态范围的限值依赖于实际所要进行的测量, 动态范围下限是由自然噪声或相位噪声决定的, 动态范围的上限是由 1dB 压缩点或由频谱仪过载而造成的失真决定的动态范围可以以不同的方式定义, 它和我们所常说的显示范围概念并不一样电平显示范围 : 动态范围和指标中所提到的电平显示范围不是同一个概念, 显示范围指的是从平均噪声电平到最大输入的电平频谱仪为了显示最大输入电平的信号, 常常要将 RF 衰减器设置得非常高, 这样频谱仪显示的噪声就不可能是最小值频谱仪为了显示接近平均噪声电平的信号, 衰减器设置到足够小, 这时就不能测量最大输入电平的信号最大动态范围 : 最大动态范围通常是在最小分辨率带宽情况下, 显示的噪声做为下限,1dB 压缩点作为上限如果到达第一级混频器的输入电平高出 1dB 压缩点, 那么将产生混频器的非线性失真, 使用较小的 RBW 时, 失真产物就会明显地显示出来 ( 它们不会被噪声淹没 ), 此时的频谱测量就不能明确反映被测设备的真实频谱现代频谱仪中, 参考电平和衰减器设置是连动的, 即使在手动衰减设置时, 参考电平也是受限制的 30

31 最大无互调范围最大谐波抑制 31 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映最大谐波抑制最大无互调范围 : 对混频器电平的选取应该找到一个合适的折衷, 如果衰减器过大, 则混频器电平将降低, 频谱仪产生的失真信号和互调产物就很微弱, 但与此同时对于输入信号而言, 信噪比降低了, 在这种情况下, 动态范围下限就由固有噪底决定在另一方面, 混频器电平如果过高可以看到, 失真和互调产物超过自然噪底而在频谱仪很清晰分辨出来实际测量中, 无失真显示频谱范围是很重要的它由互调产物或是高次谐波失真限制这个范围, 我们称这个范围为无互调范围或者是最大谐波抑制, 两者是由混频器电平和所选择 RBW 决定的, 如果互调产物或者高次谐波电平与噪声电平相等时, 则达到了相应的最大值理论上最大无互调范围为 :2 (IP3-L DANL )/ 3 31

32 频率测量精度光标读数模式 ±( 频率读数参考频率误差 +0.5% 频率跨度 +10% 分辨带宽 + 最后显示位 1/2) 计数器模式 ±( 频率读数参考频率误差 + 最后显示位 1/2) 32 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映参考频率误差 : 现代频谱仪的本振通过锁相环同步到一个稳定的参考振荡器上, 它的频率精度也就是参考振荡器的精度, 并且受参考振荡器的温度和长期稳定度的影响频谱仪默认使用内部的参考振荡器, 也可以使用外部的参考振荡器, 其参考振荡器信号可以输出参考振荡器 ( 一般是 10MHz) 通常采用用温度补偿晶体振荡器 (TCXO) 或恒温槽晶体振荡器 (OCXO), 采用 OCXO 作参考振荡器的频率精度要比 TCXO 高产生的参考频率受到环境温度和操作期间老化的影响, 要确保频谱分析仪频率精度绝对准确, 就必须定期对它调整测量频率时在计数器模式下其精度要高 32

33 幅度测量精度误差来源绝对误差频率响应衰减器误差中频增益误差线性误差带宽切换误差失配误差 33 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映最大误差误差 ( 最坏情况 ) 是各个相关参数的简单相加, 计算所得的最大误差的可信度为 100%, 实际误差永远不可能超过这一数值然而最大误差极少发生从统计学上讲, 所有误差分量同时为最大值且符号相同几乎是不可能的事件在一定的置信度下 ( 典型值为 95% 或 99%) 去计算总不确定度更加符合实际 33

34 参考时钟连接实例 : 34 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映现实生活中, 手表指示的时间有时会不准, 为了解决这个问题, 需要定期地参考电视台 / 广播电台的定点报时来做一定的调整, 这就是一个同步的过程每台仪器的频率都有自己的参考基准, 那么不同仪器在相同的频率设置情况下会不完全相同, 因此需要将他们之间的参考基准进行同步射频仪器中广泛采用 PLL 技术, 仪器一般有 REF IN 和 REF OUT 两个端口, 当仪器的参考频率采用内部的源,REF OUT 可以输出内部的参考源给其它仪器或者设备当仪器的参考源采用外部的, 需要一个外部的参考源连接到 REF IN, 绝大多数的外部参考源的频率为 10MHz, 有些情况下采用 13MHz( 如 GSM 基站 ), 此时 REF OUT 仍然能输出参考源在工程上, 常见如下仪器参考基准的同步方式 : 1 信号源的 REF OUT 产生 10MHz 的参考信号, 用它来同步频谱仪, 在频谱仪上需要使能外部参考时钟 2 频谱仪的 REF OUT 产生 10MHz 的参考信号, 用它来同步信号源, 在信号源上需要使能外部参考时钟 3 被测件 ( 如基站 ) 参考信号连接到信号源 ( 或频谱仪 ) 的 REF IN, 信号源 ( 频谱仪 ) 的 REF OUT 连接到频谱仪 ( 信号源 ) 的 REF IN, 频谱仪的 REF OUT 出来的 10MHz 信号可以同步其它仪器在频谱仪和信号源上需要使能外部参考时钟 34

35 谢谢您的参与! Q&A 35 Rohde & Schwarz 中国培训中心射频微波基础与测量讲师 : 付国映关于本教材有任何问题和建议, 请和作者联系 :guoying.fu@rohdeschwarz.com 35

数字带通带阻高通滤波器的设计把一个归一化原型模拟低通滤波器变换成另一个所需类型的模拟滤波器, 再将其数字化直接从模拟滤波器通过一定的频率变换关系完成所需类型数字滤波器的设计先设计低通型的数字滤波器, 再用数字频率变化方法将其转换成所需类型数字滤波器

数字带通带阻高通滤波器的设计把一个归一化原型模拟低通滤波器变换成另一个所需类型的模拟滤波器, 再将其数字化直接从模拟滤波器通过一定的频率变换关系完成所需类型数字滤波器的设计先设计低通型的数字滤波器, 再用数字频率变化方法将其转换成所需类型数字滤波器数字带通带阻高通滤波器的设计把一个归一化原型模拟低通滤波器变换成另一个所需类型的模拟滤波器, 再将其数字化直接从模拟滤波器通过一定的频率变换关系完成所需类型数字滤波器的设计先设计低通型的数字滤波器, 再用数字频率变化方法将其转换成所需类型数字滤波器模拟原型方法 : 模拟低通 - 模拟带通 H ( j) H ( j) 3 3 3 模拟原型方法 : 模拟低通 - 模拟带通 H ( j) 模拟低通