第六章频率特性测试仪

6．1 概述

频域测量是把信号作为频率的函数进行分析，要紧讨论线性系统频率特性的测量和信号的频谱分析。

要紧仪器：频率特性测试仪；外差式频谱分析仪；失真度测试仪。 6．2 线性系统频率特性的测量 6．2．1 测量方式 1、一、 点频测量法

是一种静态测量方式，比较繁琐。 2、二、 扫频测量法 是一种动态测量方式，较好。 6．2．2频率特性测试仪的工作原理

是依照扫频测量法的原理设计、制造而成的。它是将扫频信号源及示波器的X--Y显示功能结合为一体，用于测量网络的幅频特性。 1、一、 大体工作原理 扫频仪的原理框图如下图：

扫描电压发生器产生的扫描电压既加至X轴，又加至扫频信号发生器。 2、二、 扫频信号发生器的要紧共作特性 3、3、 产生扫频信号的方式

扫频信号发生器 被测电路 检波探头 扫描电压发生器 X放大器 Y放大器 频标形成电路 晶振 混频 4、4、 频标电路

6．3 频谱分析仪

要求：

重点把握频谱分析的大体内容、频谱分析仪的分类方式和分类；了解各类信号的付氏变换及信号频谱的特性

6.3.1 频谱分析的大体概念

广义上，信号频谱是指组成信号的全数频率分量的总集，频谱测量确实是在频域内测量信号的各频率分量，以取得信号的多种参数。狭义上，在一样的频谱测量中常将随频率转变的幅度谱称为频谱。对信号进行频域分析确实是通过研究频谱来研究信号本身的特性。从图形来看，信号的频谱有两种大体类型：①离散频谱，又称线状谱线；②持续频谱。实际的信号频谱往往是上述两种频谱的混合。 1） 1） 信号频谱分析的内容

信号的频谱分析包括对信号本身的频率特性分析，如对幅度谱、相位谱、能量谱、功率谱等进行测量，从而取得信号在不同频率上的幅度、相位、功率等信息；还包括对线性系统非线性失真的测量，如测量噪声、失真度、调制度等。 2） 2） 频谱分析仪的大体原理

频谱分析仪确实是利用不同方式在频域内对信号的电压、功率、频率等参数进行测量并显示的仪器。一样有FFT分析（实时分析）法、非实时分析法两种实现方式。非实时分析方式有扫频式、差频式（或外差式）两种。外差式分析是频谱仪最常采纳方式。 3） 3） 频谱分析仪的分类

依照分析处置方式的不同，可分为模拟式频谱仪、数字式频谱仪和模拟/数字混合式频谱仪；依照大体工作原理，可分为扫描式频谱仪和非扫描式频谱仪；依照处置的实时性，可分为实时频谱仪和非实时频谱仪；依照频率轴刻度的不同，可分为恒带宽分析式频谱仪、恒百分比带宽分析式频谱仪；依照输入通道的数量，可分为单通道、多通道频谱仪；依照工作频带的高低，可分为高频、射频、低频等频谱仪……等等。 6.3.2 外差式频谱仪

外差式频谱仪是目前应用最普遍的一种频谱仪，它利用无线电接收机中普遍利用的自动调谐方式，通过改变本地振荡器的频率来捕捉欲接收信号的不同频率分量。其频率变换原理与超外差式收音机的变频原理完全相同，只只是把扫频振荡器用作本振罢了，因此也被称为扫频外差式频谱仪。在高频段扫频外差式占据优势地位。

1） 1） 外差式频谱仪的组成

原理框图如下图，要紧包括输入通道、混频电路、中频处置电路、检波和视频滤波等部份。

中频信号处理fx输入电路fLLO扫描信号发生器X放大IF滤波检波视频滤波Y放大 外差式频谱仪

外差式频谱分析仪频率范围宽、灵敏度高、频率分辨率可变，是目前频谱仪中数量最大的一种，尤其在高频段应用更多。但由于本振是持续可调的，被分析的频谱依次被顺序采样，因另外差式频谱分析仪不能实时分析信号的频谱。 2） 2） 输入通道

频谱仪输入通道的作用是操纵加到仪器后续部份上的信号电平，并对输入的信号取差频以取得固定中频。输入通道要紧由输入衰减、低噪声放大、低通滤涉及混频等几部份组成，功能上等同于一台宽频段、窄带宽的外差式自动选频接收机，因此也叫接收部份。

外差式接收机利用混频器将输入信号频率变换到固定的中频上，如下式所示：

mfLnfXfI

其中fL为本振频率，fX为被转换的输入信号频率，fI为中频信号频率，m、n表示谐波的次数，可取值1、2、……。若是仅考虑输入信号和本振的基频，即取m = n = 1时，上式简化成

fLfXfI

用一个在宽频率范围内持续调谐的扫描本振可实现固定的中几回率。当存在较高的频率分量fL +fI时，一样能够通过混频取得相同的中频信号，那个高频信号与输入频率关于本振频率对称，称为镜像频率fimag。

A频率变换输入滤波镜像频率Δf = fIfIfXfLfimagf

外差式频率变换原理

为了抑制不需要的镜像频率进入混频器，必需利用适当的滤波器将它滤掉，所选滤波器应该能够具有可调谐的带宽以抑制镜频、保留输入频率。但是通常的频谱仪输入频率超级宽，一样的滤波器难以达到。解决的方法是选择高中频，本振频率也应相应提高，如下图。

A频率变换低通滤波输入频率范围fI = fL- fXfI本振频率范围镜像频率范围fI = fimag- fLf

高中几回率变换

现在镜频的频率范围远在输入频率范围之上，二者可不能有交叠。利用固定调谐的低通滤波器就能够够在混频之前滤去镜频。

由于后续电路需要的是窄带中频，而太高的中频很难实现窄带带通滤波和性能良好的检波器，因此需要进行多级变频（混频）处置。在以下图所示的实例中，高中频变换由第一混频实现，由第二级、第三级乃至第四级混频将固定的中几回率慢慢降低，每级混频以后都有相应的带通滤波器抑制混频以后的高次谐波交调分量。

射频输入低通滤波100KHz~3GHz4GHz~6.9GHz第一本振3.56GHz第二本振329.3MHz第三本振3.9GHz带通滤波340MHz带通滤波10.7MHz

多级混频电路

3 ） 中频信号处置

中频信号处置部份进行的是被检测之前的预处置，要紧完成对固定中频信号的放大/衰减、分辨率滤波等处置。通常具有自动增益放大、多级程控衰减的功能。中频滤波器的带宽也可程控选择，以提供不同的频率分辨率。 4）检波器（Detector）

中频滤波器的输出接到检波器上，由检波器产生与中频交流信号的电平成正比的直流电平。检波器可能有几种不同的类型，如包络检波器、有效值检波器、平均值检波器等，经常使用的是包络检波器。

5 ） 视频滤波器（Video Filter）

为了减小噪声对所显示的信号幅度的阻碍，常常对显示结果进行滑腻或平均，这确实是视频滤波器的作用。视频滤波的成效在测量噪声时表现得最为明显，专门当是采纳较宽的分辨率带宽时。减小视频带宽，噪声的峰-峰值转变将被减弱，其被减弱的程度或滑腻程度与视频带宽（Video Bandwidth，简作VBW）和分辨率带宽（RBW）之比有关。 6 ）踪迹处置

踪迹（Trace）是指频谱仪进行一次扫描所得的频谱图的迹线，也有“扫迹”、“轨迹”、“轨迹线”等不同译法。

标记（Marker）是踪迹上特定的幅度点或频率点，通常在不同测量功能下能够代表不同的测量值。标记功能是一种超级有效的踪迹处置，通过标记能够超级方便、直观地实现诸如查找最大/最小值、测量两点间的幅度差或频率差等功能，并有助于改善相对测量精度、减小读数误差。

踪迹平均处置是对同一输入信号多次扫描取得的踪迹进行处置，以达到滑腻图像、降低噪声的目的。踪迹平均的思路是以后自多个踪迹的相同频率点上的数据一一进行线性加权或指数加权平均，形成一个滑腻踪迹。有线性加权踪迹平均、指数加权踪迹平均两种大体算法。 7 ） 参数之间的彼此关系

为了幸免引入测量误差，在正常工作模式下一些参数彼此之间以某种方式“联动”（Coupling）设置。

A.扫描时刻、扫描宽度、频率分辨率和视频带宽 B.输入衰减、中频增益和参考电平 6.3.3外差式频谱仪的要紧性能指标 1） 输入频率范围（Frequency Range）

频谱仪能够进行正常工作的最大频率区间，由扫描本振的频率范围决定。 2） 频率扫描宽度（Span）

不同的文献有其他叫法，如分析谱宽、扫宽、频率量程、频谱跨度等。表示频谱仪在一次测量（一次频率扫描）进程中所显示的频率范围，能够小于或等于输入频率范围。 3） 频率分辨率（Resolution）

表征了能够将最靠近的两个相邻频谱分量（两条相邻谱线）分辨出来的能力。频率分辨率要紧由中频滤波器的带宽决定，但最小分辨率还受到本振频率稳固度的阻碍。 4） 频率精度（Frequency Accuracy）

即频谱仪频率轴读数的精度，与参考频率（本振频率）稳固度、扫描宽度、分辨率带宽等多项因素有关。通常能够依照下式计算：

SpanffxrefSpanA%RBWB%CHzN1

其中f为绝对频率精度，以Hz为单位；ref代表参考频率（本振频率）的相对精度，是百分比数值；fx表示显示频率值或频率读数；Span为频率扫描宽度，N表示完成一次扫描所需的频率点数；RBW为分辨率带宽；A%代表扫描宽度精度，B%代表分辨率带宽精度，C那么是频率常数。不同的频谱仪有不同的A、B、C值。 5） 扫描时刻（Sweep Time）

指进行一次全频率范围的扫描、并完成测量所需的时刻，也叫分析时刻。 6） 相位噪声/频谱纯度（Phase Noise / Spectrum Purity）

简称相噪，反映了频率在极短时间内的转变程度，表现为载波的边带，因此也叫边带噪声。相位噪声通经常使用在源频率的某一频偏上相关于载波幅度下降的dBc数值表示。 7） 幅度测量精度（Level Accuracy）

有绝对幅度精度和相对幅度精度之分，均由多方面因素决定。绝对幅度精度都是针对满刻度信号给出的指标，受输入衰减、中频增益、分辨率带宽、刻度传神度、频响和校准信号本身的精度等几种指标的综合阻碍。相对幅度精度与相对幅度测量的方式有关，在与标准设置相同的理想情形下，相对幅度仅有频响和校准信号精度两项误差来源，测量精度能够达到超级高。

8） 动态范围（Dynamic Range）

即同时可测的最大与最小信号的幅度之比。一般是指从不加衰减时的最正确输入信号电平起，一直到最小可用的信号电平为止的信号幅度转变范围。动态范围受限于输入混频器的失真特性、系统灵敏度、本振信号的相位噪声。 9） 灵敏度/噪声电平（Sensitivity）

规定了频谱仪在特定的分辨率带宽下、或归一化到1Hz带宽时的本底噪声，常以dBm为单位。数值上等于显示平均噪声电平（Displayed Average Noise Level，简作DANL）。 10） 本振直通/直流响应（LO Feedthrough）

指因频谱仪的本振馈通而产生的直流响应。 11） 本底噪声（Noise Floor）

来自频谱分析仪内部的热噪声，也叫噪底，是系统的固有噪声。本底噪声在频谱图中表

现为接近显示器底部的噪声基线，常以dBm为单位。 12） 1dB紧缩点和最大输入电平

1dB紧缩点（1dB Gain Compression Point）是指在动态范围内，因输入电平太高而引发的信号增益下降1dB的点。1dB紧缩点提供了有关频谱仪过载能力的信息。

最大输入电平（Maximum Input Level）反映的是频谱仪可正常工作的最大限度，其值一样由处置通道中第一个关键器件决定。 本节小结

本节着重介绍了经典的外差式频谱仪的原理及组成。 本节试探题与练习题

1．如何明白得“实时”频谱分析的含义？扫频式频谱仪什么缘故不能进行实时频谱分析？ 2．什么是频谱分析仪的频率分辨率？在外差式频谱仪，频率分辨率和哪些因素有关？ 3．要想较完整地观测频率为20KHz的方波，频谱仪的扫描宽度应至少达到多少？

谐波失真度测量

要求：把握谐波失真度等大体概念；了解谐波失真的失真模型、测量方式及失真度测试仪。 6.4.1谐波失真度的概念

非线性失真亦称谐波失真，简称失真。

失真度被概念为全数谐波能量与基波能量之比的平方根值。关于纯电阻负载，那么概念为全数谐波电压（或电流）有效值与基波电压（或电流）有效值之比的平方根。

D0m2uu1M2m100% （6-1）

其中u1、u2、……、um别离表示基频及其各次谐波的均方根值。失真度D0以百分比（％）或分贝（dB）为单位，亦称失真系数。 谐波失真度的测量方式:

测量方式有谐波分析法、基波抑制法（又称静态法）、白噪声法（又称动态法）。 6.4.2 基波抑制法

由于基波难以单独测量，当失真度较小时，概念式能够近似为：

Dm2Mum1M2m100%2mu （6-2）

在基波抑制法中通常依照6-2式来测量失真度，亦即实际测得的失真度是谐波电压的总有效值与被测信号的总有效值之比。测量电路如下图，图中的基波抑制网络实质上是一个陷波滤波器，专用于滤掉基波信号而使其余谐波分量通过。

单音 输入 基波 , , 1 2 S 有@ 电@ 基波抑制法测量谐波失真度

6.4.3 白噪声法

这种动态测量方式利用白噪声发生器产生均匀频谱密度散布的白噪声，相当于将一系列不同频率、不同相位的正弦信号加到被测电路上，能够取得被测电路在通带内的任一频率分量所产生的谐涉及其互调结果，是一种广谱测量技术，测量电路如图6-24所示。

UN白噪声发生器带阻滤波器Uoutf0被测电路f0选频电压表f0

白噪声法测量谐波失真度

最终的谐波失真度D依照下式计算：

DUout100%U

（6-3）

其中Uout为选频电压表在频率f0处的读数，U为选频电压表在同一带宽下其他频率处的读数。