信号分析和频域测量

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1、第九章信号分析和频域测量9.1信号的频谱9.2扫描式频谱仪9.3付里叶分析仪9.4频谱仪在频域测试中的应用9.5谐波失真度测量9.6调制度测量9.2.1滤波式频谱分析技术滤波式频谱分析仪原理及分类基本原理：先用带通滤波器选出待分析信号，然后用检波器将该频率分量变为直流信号，再送到显示器将直流信号的幅度显示出来。为显示输入信号的各频率分量，带通滤波器的中心频率是多个或可变的。档级滤波式频谱仪并行滤波式频谱仪扫频滤波式频谱仪数字滤波式频谱仪档级滤波式频谱仪也叫顺序滤波频谱仪，由多个通带互相衔接的带通滤波器和共用检波器构成。用多个频率固定且相邻的窄带带通滤波器阵列来区分被测

2、信号的各种频率成分，因此得以全面记录被测信号。这种方法简单易行，但在频带较宽或较高频段的情况下需要大量滤波器，仪器体积过大；由于通带窄，分辨力和灵敏度都不是很高。一般用于低频段的音频测试等场合。并行滤波式频谱仪与档级滤波式的区别在于每个滤波器之后都有各自的检波器，无需电子开关切换及检波建立时间，因此速度快，能够满足实时分析的需要。但是可显示的频谱分量数目取决于滤波器的数目，所以需要大量的滤波器。扫频滤波式频谱仪实质是一个中心频率在整个宽带频率范围内可调谐的窄带滤波器。当它的谐振频率改变时，滤波器就分离出特定的频率分量。扫频滤波式频谱仪与档级滤波式一样，是一种非实时频谱

3、测量。结构简单，价格低廉。缺点是电调谐滤波器损耗大、调谐范围窄、频率特性不均匀、分辨率差，目前这种方法只适用于窄带频谱分析。数字滤波式频谱仪数字滤波式频谱仪在现代频谱分析仪中占有重要地位。数字滤波器的形状因子较小，因而提高了频谱仪的频率分辨率；具有数字信号处理的高精度、高稳定性、可重复性和可编程性等普遍优点。利用数字滤波器可以实现频分或时分复用，因此仅用一个数字滤波器就可以实现与并行滤波式等效的实时频谱仪。用单个数字滤波器代替多个模拟滤波器之后，滤波器的中心频率由时基电路控制使之顺序改变。带通滤波器的性能指标带宽通常是指3dB带宽，或称半功率带宽分辨率带宽（RBW）反

4、映了滤波器区分两个相同幅度、不同频率的信号的能力带通滤波器的性能指标（续1）波形因子波型因子反映了区分两个不等幅信号的能力，也称带宽选择性波形因子定义为滤波器60dB带宽与3dB带宽之比：也可用40dB带宽与3dB带宽之比表示。波形因子较小的滤波器的特性曲线更接近于矩形，故波形因子也称矩形系数等绝对带宽或等信息量带宽：外差式频谱仪在一次分析过程中所用的分析滤波器带宽恒定。恒带宽滤波器的特性曲线在线性频率刻度下，关于滤波器的中心频率f0对称带通滤波器的性能指标（续2）恒带宽与恒百分比带宽恒百分比带宽滤波器的绝对带宽B与中心频率f0的比值（即相对带宽）是常数。扫描式频谱仪

5、、档级滤波式频谱仪及并行滤波式频谱仪大多采用恒百分比带宽分析。在对数刻度下，恒百分比带宽滤波器的频率特性曲线关于其中心频率f0对称。常用“倍频程选择性”表示远离中心频率一倍频率处（0.5f0和2f0）的滤波器衰减量。带通滤波器的性能指标（续3）滤波器响应时间（建立时间）信号从加到滤波器输入端到获得稳定输出所需的时间。通常用达到稳幅幅度的90％所需的时间TR来表述，它与绝对带宽B成反比：TR∝1/B。对恒百分比带宽滤波器，一般用达到稳态输出所需的信号周期数来代表：nR＝f0×TR＝TR/T0，表示响应时间内的周期数。宽带滤波器的响应时间短，测量速度快；窄带滤波器建立时间

6、较长，但频率分辨率更高、信噪比好。响应时间限制了频谱仪的扫描分析速度，影响实时频谱分析的实现。9.5谐波失真度测量9.5.1谐波失真度的定义9.5.2谐波失真度的测量方法9.5.3失真度测试仪简介9.5.1谐波失真度的定义非线性失真亦称谐波失真，简称失真。一定频率的信号通过网络后往往会产生新的频率分量，这种现象被称为该网络的非线性失真；一个信号的实际波形与理想波形有差异，这种差异被称为信号的非线性失真。线性电路意味着频域中的输出信号应具有与输入信号相同的频率，而由输入信号所产生的任何其他频率都被视为是非线性失真。失真模型单音、双音输入失真度定义失真模型产生失真的器件大

7、都是线性器件，只表现出轻微的非线性。这种失真可用幂级数来模拟：其中k0：系统输出直流分量；k1：电路增益；k2及以上的其余系数：电路的非线性特性。如果电路是完全线性的，则除k1之外的所有系数均应为0。由于对渐变形式的非线性，kn的大小随n增大而迅速变小，只有二次、三次效应起决定作用。故可忽略上式中k3以后的各项，因而得到简化失真模型：单音、双音输入单音输入单音信号即一个单一频率的纯正弦波，将它作为输入信号并测量输出信号的频率成分，可进行最简单的系统失真情况的测试。将单音信号Vin=Acosωt代入简化失真模型式中：单音信号的输出中包含了直流分量、基波