第6章频域测量6.1概述6.1.1时域和频域的关系一个电信号的特性可以用一个随时间变化的函数表示，同时也可用一个频率f，或角频率ω的函数F(ω)表示。各频率分量沿f轴按大小排列的图形，称频谱图。频谱分析仪(简称频谱仪)能测量和显示电信号的频谱，通常只给出振幅谱或功率谱，不直接给出相位信息。时域分析是研究信号的瞬时幅度u与时间t的关系，而频域分析是研究信号中各频率分量的幅值A与频率f的关系。在图6-1中反映了一个由基波和二次谐波合成的非正弦波信号的情况，图6-1a是u、t、f三维坐标示意图；在时域平面上显示的是合成后的波形图，可以反映信号总的瞬时幅度，如图6-1b所示；在频域平面上显示的是各次谐波的谱线，它反映了各种频率分量的幅值，如图6-1c所示。频域分析法可以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，从而获得信号不同频率处的幅度、相位、功率等信息；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。6.1.2频谱分析仪的主要用途频谱仪主要应用于以下方面：(1)正弦信号的频谱纯度测量：包括信号的幅度、频率和各寄生频谱的谐波分量的测量；(2)调制信号的频谱测量：包括调幅波的调幅系数、调频波的频偏和调频系数，以及它们的寄生调制参量的测量；(3)非正弦波的频谱测量：包括脉冲信号、音频视频信号等的测量。(4)通信系统的发射机质量检测：包括载频频率、频率稳定度、寄生调制，以及频率牵引的测量。(5)激励源响应的测量：包括滤波器的传输特性、放大器的幅频特性、混频器与倍频器的变换损耗的测量。(6)放大器的性能测试：包括幅频特性、寄生振荡、谐波与互调失真的测量；(7)噪声频谱的分析；(8)电磁干扰的测量：可测定辐射干扰和传导干扰、电磁干扰等。6.1.3频谱分析仪的分类频谱分析仪的种类主要有：(1)按分析处理方法分类：模拟式频谱仪、数字式频谱仪、模拟/数字混合式频谱仪；(2)按基本工作原理分类：扫描式频谱仪、非扫描式频谱仪；(3)按处理的实时性分类：实时频谱仪、非实时频谱仪；(4)按频率轴刻度分类：恒带宽分析式频谱仪、恒百分比带宽分析式频谱仪；(5)按输入通道数目分类：单通道、多通道频谱仪；(6)按工作频带分类：高频、射频、低频等频谱仪。6.2频谱仪的工作原理图6-2档级滤波式频谱仪2．并行滤波式频谱仪在这种频谱仪中，信号同时加到多个滤波器上，各个频率被同时测量。它与档级滤波式频谱仪的区别在于：在每个滤波器之后都带有自己的检波器，这样就省去了在切换滤波通道后都要等待检波部分重新建立的时间，以满足实时分析的需要。配上一个电子扫描开关，对每一通道的检波结果进行一次巡检，即可获得信号频谱。这样能以非常快的速度在CRT上刷新频谱，其方框图见图6-3。图6-3并行滤波式频谱仪3．扫频滤波式频谱仪扫描式频谱分析仪采用单一的、中心频率可以电控调谐的带通滤波器，通过扫描调谐完成整个频带的频谱分析，如图6-4所示。所得结果是一连续曲线，线上每一点表示一个在相当于滤波器带宽内真实频谱的积分。扫频滤波式频谱仪与档级滤波式一样，是一种非实时频谱测量。这种直接扫描调谐滤波器的带宽可做成恒带宽或恒百分比带宽，结构简单，价格低廉。缺点是电调谐滤波器的Q值低、损耗大、频率特性不均匀、调谐范围窄、分辨率差，目前这种方法只适用于窄带频谱分析。4．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。它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，原理电路如图6-5所示。6.2.2外差式频谱仪1.外差式频谱仪的组成和工作原理外差式频谱仪的组成主要包括输入通道、混频电路、中频处理电路、检波和视频滤波等部分，如图6-6所示，可以看出输入信号先要经过一个低通滤波器，然后加到混频器上。输入信号中的频率分量与本振频率相混频后，产生差频分量，其幅度与输入信号中的频率分量成正比。经过中心频率为的中频滤波器滤波后，进行检波测量，即测得信号中频率分量的幅度。当本振进行扫频时，信号中的各频率分量依次被顺序测量，获得频率-幅度曲线，即频谱。外差式频谱仪具有频率范围宽、灵敏度高、频率分辨率可变等优点，并且还具有除频谱之外的多种功能，是频谱仪中数量最多的一种，在几十Hz到325GHz范围内都有产品，高频频谱仪几乎全部为外差式。2．外差式频谱仪的主要性能指标(1)输入频率范围频谱仪能正常工作的最大频率区间，由扫描本振的频率范围决定