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是德科技 频谱分析基础（中文版）.pdf

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：11.20M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    是德科技 频谱分析基础 应用指南 150
    2 | 是德科技 | 频谱分析基础 — 应用指南 150 谨以本应用指南献给是德科技的 Blake Peterson。 Blake 在惠普和是德科技效力 45 年之久，为全球各地的客户提供最出色的技术支持。Blake 长期负责向新入行的市场和销售工程师传授有关频谱分析仪技术的基础知识，以便为他们 学习和掌握更高深的技术打下良好的基础。工程师们把他视为频谱分析领域的良师益友 和具有突出贡献的技术专家。 Blake 的众多成就包括： – 著作首版《频谱分析基础》应用指南，并参与后继版本的编撰 – 帮助推出 8566/68 频谱分析仪，开启现代频谱分析新时代；以及 PSA 系列频谱分析 仪，在问世时为业界树立全新性能标杆 – 提议创办 Blake Peterson 大学 — 为是德科技所有新入职的工程师提供必要的技术 培训 为了表彰他的出色成就和重要贡献，《Microwaves & RF》杂志将首座 2013 年当代传奇奖 （Living Legend Award）特别授予 Blake。
    3 | 是德科技 | 频谱分析基础 — 应用指南 150 目录 第 1 章 – 引论 – 什么是频谱分析仪？ .................................................................................... 5 频域对时域 ...................................................................................................................................... 5 什么是频谱？ ................................................................................................................................... 6 为什么要测量频谱？ ..................................................................................................................... 6 信号分析仪种类 ............................................................................................................................. 8 第 2 章 – 频谱分析仪原理 .......................................................................................................... 9 射频衰减器 ....................................................................................................................................10 低通滤波器或预选器 ..................................................................................................................10 分析仪调谐 ....................................................................................................................................11 中频增益 .........................................................................................................................................12 信号分辨 .........................................................................................................................................13 剩余FM ............................................................................................................................................15 相位噪声 .........................................................................................................................................16 扫描时间 .........................................................................................................................................18 包络检波器 ....................................................................................................................................20 显示 ..................................................................................................................................................21 检波器类型 ....................................................................................................................................22 取样检波 .........................................................................................................................................23 （正）峰值检波 ...........................................................................................................................24 负峰值检波 ....................................................................................................................................24 正态检波 .........................................................................................................................................24 平均检波 .........................................................................................................................................27 EMI 检波器：平均值和准峰值检波 .......................................................................................27 平滑处理 .........................................................................................................................................28 时间选通 .........................................................................................................................................31 第 3 章 – 数字中频概述 .............................................................................................................36 数字滤波器 ....................................................................................................................................36 全数字中频 ....................................................................................................................................37 专用数字信号处理集成电路 ....................................................................................................38 其他视频处理功能 .......................................................................................................................38 频率计数 .........................................................................................................................................38 全数字中频的更多优势 .............................................................................................................39 第 4 章 – 幅度和频率精度 ........................................................................................................40 相对不确定度 ................................................................................................................................42 绝对幅度精度 ................................................................................................................................42 改善总的不确定度 .......................................................................................................................43 技术指标、典型性能和标称值 ................................................................................................43 数字中频结构和不确定度 .........................................................................................................43 幅度不确定度示例 .......................................................................................................................44 频率精度 .........................................................................................................................................44
    4 | 是德科技 | 频谱分析基础 — 应用指南 150 目录 续 第 5 章 – 灵敏度和噪声 .............................................................................................................46 灵敏度 ..............................................................................................................................................46 本底噪声扩展 ................................................................................................................................48 噪声系数 .........................................................................................................................................49 前置放大器 ....................................................................................................................................50 噪声作为信号 ................................................................................................................................53 用于噪声测量的前置放大器 ....................................................................................................54 第 6 章 – 动态范围 ......................................................................................................................55 动态范围与内部失真 ..................................................................................................................55 衰减器测试 ....................................................................................................................................56 噪声 ..................................................................................................................................................57 动态范围与测量不确定度 .........................................................................................................58 增益压缩 .........................................................................................................................................60 显示范围与测量范围 ..................................................................................................................60 邻道功率测量 ................................................................................................................................61 第 7 章 – 频率范围扩展 .............................................................................................................62 内部谐波混频 ................................................................................................................................62 预选 ..................................................................................................................................................66 幅度校准 .........................................................................................................................................68 相位噪声 .........................................................................................................................................68 改善的动态范围 ...........................................................................................................................69 预选的优缺点 ................................................................................................................................70 外部谐波混频 ................................................................................................................................71 信号识别 .........................................................................................................................................73 第 8 章 – 现代信号分析仪 ........................................................................................................76 特殊应用测量 ................................................................................................................................76 为什么需要相位信息 ..................................................................................................................77 数字调制分析 ................................................................................................................................79 实时频谱分析 ................................................................................................................................80 第 9 章 – 控制和数据传输 ........................................................................................................81 保存和打印数据 ...........................................................................................................................81 数据传输和远程仪器控制 .........................................................................................................81 固化软件更新 ................................................................................................................................82 校准、故障解决、诊断和修复 ................................................................................................82 总结 ..................................................................................................................................................82 名词解释 .........................................................................................................................................83
    5 | 是德科技 | 频谱分析基础 — 应用指南 150 第 1 章 引论 — 什么是频谱分析仪？ 本应用指南介绍了扫描调谐超外差式频 然而，傅立叶1理论告诉我们，时域中的任何 谱 分析 仪 的 基 本原 理 和 频 谱 分析 仪 的 电信号都可以由一个或多个具有适当频率、 基础知识并探讨了频谱分析仪功能的新 幅度和相位的正弦波叠加而成。换句话说， 某些测量场合要求我们考察信号的全部 信息 — 频率，幅度和相位，然而，即便 不知道各正弦分量间的相位关系，我们也 进展。 任何时域信号都可以变换成相应的频域信 同样能实施许多的信号测量，这种分析 号，通 过频域 测量可以得到信号在某个 特 信号的方法称为信号的频谱分析。频谱 从最基础的角度考虑，我们可以把频谱分 析仪理解为一种频率选择 性、峰值检测 的电压表，它经过校准之后显示正弦波的 定频率上的能量值。通过适当的滤波，我们 能将图 1-1 中的波形分解成若干个独立的 正弦波或频谱分量，然后就可以对它们进 分析更容易理解，而且非常实用，因此本 书首先在第 2 章介绍了如何使用频谱分 析仪进行信号的频谱分析。 有效值。应当强调的是，尽管我们常用频 行单独分析。每个正弦波都用幅度和相位加 谱分析仪来直接显示功率，但它毕竟不是 以表征。如果我们要分析的信号是周期信号 为了正确地从时域变换到频域，理论上 （正如本书所研究的情况），傅立叶理论指 出，所包含的正弦波的频域间隔是 1/T，其 中 T 是信号的周期2 必须涉及信号在整个时间范围、即在正 负无穷大的范围内的各时刻的值，不过 在实际测量时我们通常只取一段有限的 时间长度。 功率计。当然，只要知道了正弦波的某个 值（例如峰值或平均值）和测量这个值时 所用的电阻值，就能够校准电压表用来指 示功率。数字技术的出现赋予了现代频谱 分析仪更多的功能。本指南在介绍了频谱 分析 仪基本原理的同时也阐述了使用数 字技术和数字信号处理技术赋予这类仪 器的新功能。 频域对时域 在详细介 绍频谱 分析 仪之前，读 者也许 会问：“什么是频谱？为何要对它进行分 析？”我们已经习惯于用时间作为参照， 来记录某时刻发生的事件。这种方法当然 也适用于电信号。于是可以用示波器来观 察某个电信号（或通过适当传感器能转换 成电压的其他信号）的瞬时值随时间的变 化，也就是在时域中用示波器观察信号的 波形。 图 1-1. 复合时域信号 1. Jean Baptiste Joseph Fourier，1768-1830。他提出任何周期信号都可以看做是一系列正弦波和余弦波的叠加。 2. 若时间信号只出现一次，则 T 为无穷大，在频域中用一系列连续的正弦波表示。
    6 | 是德科技 | 频谱分析基础 — 应用指南 150 按照傅立叶变换理论，信号同样也可以从 频域变换到时域，当然，这涉及理论上在 图 1-2 同时在时域和频域显示了这个复合 信号。频域图形描绘了频谱中每个正弦波的 在无线通信领域，人们非常关心带外辐 射和杂散辐射。例如在蜂窝通信系统中， 正负无穷大的频率范围内对信号的所有 幅度随频率的变化情况。如图所示，在这种 必须检 查载波信号的谐 波成分，以防止 频谱分量值作出估计。实际上，在有限带 情况下，信号频谱正好由两个正弦波组成。 对其他有着相同工作频率与谐波的通信 宽内进行的测量获取了信号的大部分能 现在我们便知道了为何原始信号不是纯正 系统产生干扰。工程师和技术人员对调 量，其结果是令人满意的。在对频域数据 弦波，因为它还包含第二个正弦分量，在这 制到载波上的信息的失真也非常关心。 进行傅立叶变换时，各个频谱分量的相位 种情况下是二次谐波。既然如此，时域测量 也成为至关重要的参数。例如，在把方波 是否过时了呢？答案是否定的。时域测量能 三阶交调（复合 信号的两个不同频谱分 变换到频域时如果不保存相位信息，再变 够更好的适用于某些测量场合，而且有些测 量互相调制）产生的干扰相当严重，因为 换回来的波形可能就是锯齿波了。 量也只能在时域中进行。例如纯时域测量 其失真分量可能直接落入分析带宽之内 什么是频谱？ 铃等。 中所包括的脉冲上升和下降时间、过冲和振 而无法滤除。 那么，在上述讨论中什么是频谱呢？正确 的回答是：频谱是一组正弦波，经适当组 合后，形成被考察的时域信号。图 1-1 显 示了一个复合信号的波形。假定我们希望 看到的是正弦波，但显然图示信号并不是 纯粹的正弦形，而仅靠观察又很难确定其 中的原因。 为什么要测量频谱？ 频域测量同样也有它的长处。如我们已经在 图 1-1 和 1-2 看到的，频域测量更适于确定 信号的谐波分量。 Time domain 时域测量 measurements 图 1-2. 信号的时域和频域关系 Frequency domain 频域测量 measurements Figure 1-2. 频谱监测是频域测量的又一重要领域。 政府管理机构对各种各样的无线业务分 配不同的频段，例如广 播电视、无 线 通 信、移动通信、警务和应急通信等其他业 务。保证不同业务工作在其被分配的信道 带宽内是至关重要的，通常要求发射机 和其他辐射设备应工作于紧邻的频段。 在这些通信系统中，针对功率放 大器和 其他模块的一项重要测量是检测溢出到 邻近信道的信号能量以及由此所引起的 干扰。 电磁干扰（EMI）是用来研究来自不同发 射设备的有意或无意的无用辐射。在此 我们关心的问题是，无论是辐射还是传导 （通过电力线或其他互导连线产生），其 引起的干扰都可能影响其他系统的正常 运行。根据由政府机构或行业标准组织 制定的有关条例，几乎任何从事电气或电 子产品设计制造的人员都必须对辐射电 平与频率的关系进行测试。
    7 | 是德科技 | 频谱分析基础 — 应用指南 150 图 1-3. 发射机的谐波失真测试 图 1-4. GSM 无线信号和频谱辐射模板显示出无用辐射的极限值 图 1-5. 射频功率放大器的双音测试 图 1-6. EMI 测试中对照 CISPR11 限制值的信号辐射测量结果
    更多信息 如 欲 了解 关 于 矢 量 测 量 的 更 多 信 息，请参见《矢量信号分析基础》应 用指南，5989-1121EN。关于调谐至 0 Hz 的 FFT 分析仪的信息，请参见 Keysight 35670A 网页： www.keysight.com/find/35670A 8 | 是德科技 | 频谱分析基础 — 应用指南 150 我们经常需要对噪声进行测量。任何有源 技术的发展还促进了仪表的小型化。因此， 电 路或器件 都会产生额外噪声。通 过测 量噪声系数和信噪比（SNR）能够描述器 件的性能及其对总体系统性能的影响。 工程师可以用坚固耐用的便携式频谱分析 仪（例如 Keysight FieldFox）更容易地执行 户外测量任务，例如发射机或天线场地的勘 图 1-3 至 1-6 列举了使用 X 系列信号分析 仪实施这类测量应用的几个例子。 合，预热时间为零的分析仪可以使工程师尽 快投入工作。通过应用先进的校准技术，这 测。在需要短暂停留以进行快速测量的场 信号分析仪种类 最初的扫描调谐超外差分析仪只能测量 幅度。不过，随着技术的不断发展和通信 系统的日益复杂，相位在 测量中的地位 越来越重要。频谱分析 仪现在虽然仍冠 以信号 分析 仪的名称，但 实际上已经发 展成独立的一类仪器。通 过 对信号进行 数字化，在经过一级或多级频率转换后， 信号中的相位和幅度信息可以得到保留 和显示出来。因此当前的信号分析仪（例 如 Keysight X 系列）综合了模拟、矢量和 FFT（快速傅立叶变换）分析仪的特点。为 了进一步改进功能，Keysight X 系列信号 分析仪还融合了计算机，并配有可拆卸磁 盘驱动器，即使分析仪转移到不安全的场 合 使用，其敏 感数 据也能保留在安全区 域内。 些手持式分析仪实施现场测量的精度与实 验室级台式频谱分析仪相差不超过十分之 一 dB。 在本应用指南中，我们重点讨论扫描幅度测 量，对与相位有关的测量只做简略介绍— 参见第 8 章。 注：随着计算机成为惠普公司的主要业务， 惠普于上世纪九十年代后期创建了独立运 营的是德科技公司，并将测试与测量业务划 入是德科技。因此，许多老式频谱分析仪冠 以惠普品牌，但却是由是德科技提供支持。 本应用指南将帮助您深入了解自己所拥有 的频谱分析 仪或信号分析 仪，使您可以最 充分地发挥这种多功能仪器的最大效能。
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