频谱分析仪基础培训教材

berschrift Zeile 1,Klicken Sie, um die Formate des Vorlagentextes zu bearbeiten,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,Fnfte Ebene,2003 /,Jian Luo /,97,频谱分析仪技术基础,R&S,中国培训中心, 200,3,一、基本理论,信号分析及频谱分析概述,频谱仪的工作原理,频谱仪的特性,二、工程应用,仪器操作,常用功能与测试,信号分析及频谱分析概述,第一章,基本理论,1、信号,分析及频谱分析概述,周期信号,单载波信号,扫描信号,非周期信号,噪声信号,瞬态信号,调制信号,模拟调制,数字调制,信号分析及频谱分析概述,信 号,频域,频谱分析仪,示 波 器,时域,调制域,矢量分析仪,信号的,波形,信息,幅度,周期,频率,信号的,频率分布,信息,频率、功率,谐、杂波,噪声、干扰,失真,信号的,矢量,信息,幅度误差,矢量误差,相位误差,信号分析及频谱分析概述,理想单载波信号在时域和频域的测量结果,信号分析及频谱分析概述,频域测量对信号分析的作用,信号分析及频谱分析概述,周期信号的频谱,信号分析及频谱分析概述,模拟调制信号：,AM、FM、PM,的调制指数和调制频率等,信号分析及频谱分析概述,数字调制信号：信道功率、相邻信道功率比、占有带宽等,信号分析及频谱分析概述,噪声信号：噪声功率、相位噪声,信号分析及频谱分析概述,失真信号：谐波失真、非谐波失真、杂散,信号分析及频谱分析概述,频谱仪的类型,1、傅立叶分析仪,RAM,FFT,A,D,A,D,RAM,FFT,频谱分析仪工作原理,频谱分析仪工作原理,2、外差式扫描分析仪,频谱分析仪工作原理,检波器,可调,锯齿波,可调的带宽滤波器,Input,Input,RF,Lo,IF,超外差式扫描调谐分析仪,频谱分析仪工作原理,频谱仪的主要设置参数,频率显示范围,中心频率和频率跨度,起始频率和终止频率,电平显示范围,参考电平和量程跨度,频率分辨率,分辨带宽,扫描时间,频谱分析仪工作原理,2,、频谱分析仪的工作原理,超外差式扫描调谐接收机,a,(,t,),H,f,f,L,O,检波器,延迟,RF,IF,参考振荡器,低通,滤波器,衰减器,混频器,中频,放大器,视频滤波器,中频,滤波器,对数,放大器,压控,振荡器,锯齿波,发生器,显示,频谱分析仪工作原理,镜像的影响,频谱分析仪工作原理,图象频率范围,转换,交迭,镜像的抑制,频谱分析仪工作原理,衰减器,Lo,IF,RF,频谱分析仪工作原理,频谱分析仪工作原理,混频器,Input,Input,RF,Lo,IF,f,in,f,lo,f,in,f,lo,F,lo,+ F,in,F,lo,- F,in,频谱分析仪工作原理,中频,滤,波器,显示,锯齿波发生器,包络检波器,本地振荡器,模拟滤波器,对数放大器,放大器,视频滤波器,x,y,输入,混频器,中频放大器,检波器,数字滤波器,FFT,滤波器,频谱分析仪工作原理,中频滤波器:数字滤波器,IF 20.4 MHz,A,D,32,MHz,I,Q,12,bit,Lowpass filter,Lowpass filter,filter coefficients,filter coefficients,I,+,Q,2,2,IF envelope voltage,90,LO,LO,IF,IF,I mixer,Q mixer,NCO,Anti aliasing,bandpass,特点,:,真正的高斯形状,波形因子4.6,最小扫描时间,k,= 1,通过补偿可以达到,优点:,小波形因子 = 更高的灵敏度,快速扫描,更高的带宽精度,测量可以得到更高的电平精度,用于噪声或类噪声信号,没有温度或老化漂移,频谱分析仪工作原理,中频滤波器:,FFT,滤波器,Display,FFT,RAM,A,D,x(t),最大频率范围受限于,AD,变换器的带宽,快速的信号处理要求合理的更新率,窄的分辨带宽减少了扫描时间,频谱分析仪工作原理,视频滤波器,视频滤波器,(,平滑,),显示,输入,锯齿波发生器,包络检波器,混频器,中频放大器,本地振荡器,中频滤波器,对数放大器,视频滤波器,x,y,检波器,频谱分析仪工作原理,检波器,最大,峰值,最小,峰值,有效值,平均值,线性,对数,微,处理器,显示,视频信号,检波器的选择,“线性检波器”,“对数检波器”,线性/对数查找表：,有效值、平均值检波器,采样,水平轴 500个,像素点,平均值检波器,有效值检波器,频谱分析仪工作原理,不同的检波器在显示屏上不同的数据处理,频谱分析仪工作原理,本地振荡器,显示,输入,锯齿波发生器,包络检波器,混频器,中频放大器,本地振荡器,中频滤波器,对数放大器,视频滤波器,x,y,检波器,频谱分析仪工作原理,3、频谱分析仪的特性,滤波器特性,相位噪声（频谱纯度）,接收机的固有噪声,系统非线性,1,dB,压缩点,动态范围,测量精度,频谱分析仪性能指标,分辨滤波器特性,频谱分析仪性能指标,不同分辨带宽的滤波器对测试结果的影响,频谱分析仪性能指标,分辨相邻的信号,红色踪迹：,RBW=30 kHz,蓝色踪迹：,RBW= 3 kHz,红色踪迹：,RBW=30 kHz,蓝色踪迹：,RBW= 3 kHz,频谱分析仪性能指标,最小扫描时间,T,Sweep,最小扫描时间,Span频率扫描跨度,RBW分辨带宽 (3 dB 带宽),kk 因子, 2.5 模拟滤波器,频谱分析仪性能指标,扫描时间对频率和电平测量误差的影响,蓝色踪迹：,电平和频率产生误差,测试结果未校准!,频谱分析仪性能指标,相位噪声,频谱分析仪性能指标,频谱分析仪的固有噪声,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,频谱分析仪性能指标,显示的噪声本底依赖于,RF,衰减器,频谱分析仪性能指标,显示的噪声本底依赖于与,RBW,带宽,A=10,lg(RBW,new,/RBW,old,),频谱分析仪性能指标,接收机的非线性特性,频谱分析仪性能指标,三阶互调产物的鉴别,频谱分析仪性能指标,截止点(,T.O.I),频谱分析仪性能指标,1-,dB,压缩点,频谱分析仪性能指标,动态范围,频谱分析仪性能指标,最大无互调范围或最大谐波抑制,频谱分析仪性能指标,频率测量精度,光标读数：,(,频率读数,X,参考频率误差+0.5%,X,频率跨度+10%,X,分辨带宽+最后显示位,X,1/2),计数器读数:,(,频率读数,X,参考频率误差+最后显示位,X,1/2),频谱分析仪性能指标,幅度测量精度,误差来源：,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,频谱分析仪性能指标,具体指标,各项误差,128,MHz,绝对误差0.2,dB,频率响应 (,f3 GHz)0.5 dB,衰减器误差,0.2,dB,对数显示非线性(0,to -70 dB)0.2 dB,RBW,切换,误差 (,RBW 100 kHz)0.1 dB,驻波比 0.55,dB,总的电平不确定度: 0.5,dB(f 更好的分辨率,频谱仪应用,幅度统计特性的测量,幅度概率分布 (,APD),互补累积分布函数 (,CCDF),频谱仪的设置,分辨带宽的选择,采样点数的选择,频谱仪应用,幅度统计特性的测量原理,频谱仪应用,CCDF,和,APD,的测量结果,（,白噪声）,频谱仪应用,传输测量,通过校准和归一化消除测试设置的频率响应 执行传输测试的校准，整个测试设置是,“直通”连接,DUT,GEN OUTPUT,RF INPUT,FSP-B10,为,FSU & FSP,设计的 外部信号发生器控制,频谱仪应用,传输测试的操作菜单,频谱仪应用,反射测量,内置校准和归一化功能 CAL REFL OPEN, CAL REFL SHORT,标量反射测量需要附加一个方向性好的,SWR,电桥或是定向耦合器,GEN OUTPUT,RF INPUT,反射电桥,DUT,FSP-B10,为,FSU & FSP,设计的 外部信号发生器控制,频谱仪应用,反射测量的操作菜单,频谱仪应用,噪声系数的测量,一个系统或网络的噪声系数,F,定义为：系统或网络的输入端口的信噪比和输出端口的信噪比之比。,一般定义,：,-120,-100,-80,-60,-40,fo,频率,-120,-100,-80,-60,-40,fo,输入功率电平,(dBm),频率,输入功率电平,(dBm),S,i,/,N,i,S,o,/,N,o,DUT,例如放大器,N,a,G,S,i,/ N,i,S,o,/ N,o,N,a,系统内部的噪声,G,系统的增益,频谱仪应用,利用FS-K3测量噪声和增益,28,V DC on/off,噪声源,被测件,频谱仪应用,kT,0,4.00 x 10,-21,W/Hz = -174dBm/HzN,a,系统的内部噪声,B,系统的噪声带宽,G,系统的增益,T,0,噪声参考温度,(,定义为,290,K ),噪声系数,F,是全部的输出噪声功率,(N,a,+ kT,0,BG),和输出噪声的一部分功率,(kT,0,BG),之比，这部分功率,kT,0,BG,是由于输入噪声,(kT,0,B),引起的。,这是在输入源的温度为,290K,的条件下得到的。,IEEE,标准的定义:,-120,-100,-80,-60,-40,fo,频率,-120,-100,-80,-60,-40,fo,输入功率电平,(dBm),频率,DUT,例如放大器,输入功率电平,(dBm),N,a,S,i,/,N,i,S,0,/,N,0,kT,0,B,kT,0,BG + N,a,G,频谱仪应用,噪声温度的概念,由于有效噪声温度,T,e,是源电阻产生的附加温度,因此即使是无噪声的,DUT,也会产生同样的噪声功率谱密度。,实际的,DUT,50,Ohm,T,0,= 290,K,Na,G,a,N,1,=,kT,0,BG,a,+,N,a,无噪声的,DUT,50,Ohm,T = (T,0,+T,e,) K,N,1,=,k(T,0,+,T,e,),BG,a,=,kT,0,BG,a,+,kT,e,BG,a,Ga,N,a,Te =,噪声温度,频谱仪应用,利用频谱分析仪和噪声系数仪测量噪声系数的基本等式。,B,G,1,N,a1,R,输入噪声,k T,0,B,kT,0,B,kT,0,BG,1,kT,0,BG,1,G,2,N,a1,N,a1,G,2,N,a2,B,G,2,N,a2,第二级系统,附加的,全部,噪声,输出的,全部,噪声,功率,输入的噪声功率,x,系统增益,第一级系统,DUT,噪声测量系统,F,1,F,2,F,12,=,F,1,+ (,F,2,- 1)/,G,1,),F,1,=,F,12,- (,F,2,- 1)/,G,1,),T,1,=,T,12,-,T,2,/,G,1,(,第二级系统对噪声的贡献,),第二级的校准是测量系统内部的噪声,系数，用来作为计算,DUT,的噪声系数,的修正因子。,两级系统的噪声,频谱仪应用,Calibration cycle Measurement cycle,Y系数法测量噪声系数,使用的噪声源对其输出噪声电平进行校准，用超噪比,(ENR),表示。,ENR,校准信息由噪声源提供，在,T,0,= 290 K,条件下有效。,Y,系数法测量噪声系数通常分为两步：,校准,和,测量,T,S,OFF,=,噪声源的物理温度,(,通常定义为,290 K)T,S,ON,=,噪声源在,“,ON,”,状态时的噪声温度。,校准,测量,频谱仪应用,Y系数法测量噪声系数,校准步骤,:,其中：,ON,噪声二极管在工作,OFF,噪声二极管不工作,N,2,ON,测量的噪声功率,(,噪声二极管处于“,ON“,的状态),N,2,OFF,测量的噪声功率,(,噪声二极管处于“,O,FF“,的状态),Y,2,校准期间的,Y,系数,T,2,噪声测试系统的噪声温度,T,S,OFF,噪声源的物理温度,T,S,ON,通过噪声源的,ENR,值计算得到,校准周期结束后，仪器存储,N,2,ON, N,2,OFF,和,T,2,的计算值,噪声源,噪声,测量,系统,ENR=(T,S,ON,-,T,S,OFF,)/,T,0,28,V,ON/OFF,T,2,频谱仪应用,第二级的校准有必要作为单独的校准步骤，在校准过程中测定仪器自身的噪声温度。 这个校准值需要用来在测试步骤中去修正测定的噪声温度。,这项技术用于进行非常精确的测量。,与,DUT,一起测试:,噪声源,噪声,测量,系统,ENR=(T,S,ON,-,T,S,OFF,)/,T,0,28,V,ON/OFF,T,12,DUT,T,1,T,2,Y系数法测量噪声系数（第二级的校准）,频谱仪应用,感谢您的参与!,结束语,