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每页标题,宋体36BS,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,*,2006,卫星通信工程师培训,频谱仪原理与使用,刘波 副教授,南京通信工程学院,1,一、频谱仪简介:为什么要用频谱仪,卫星通信信号频率很高(数十兆赫到十几吉赫),、,幅度很小(接收信号经放大后通常仅几毫伏甚至更低)不便用示波器观测。,卫星通信频带内通常有多个不同频率的调制载波同时存在,且在信号上叠加有相当大的噪声,示波器无法观测。,对信号的微小失真,从时域有时很难观测。,对卫星通信信号通常用频谱仪在频域进行观测,而不是用示波器在时域进行观测。,2,一、频谱仪简介:功能与用途,与在时域上显示电压变化的示波器不同,频谱仪可在频域上显示功率变化,频谱仪的水平坐标为频率轴,垂直坐标为功率轴,频谱仪主要用于观测和记录某个指定频段内的信号频谱,通过对信号的频谱观测,可以了解信号在频域的分布情况以及信号的质量,通过对某部件输入、输出信号频谱的测量,得到部件的技术指标,3,二、频谱仪工作原理:原理框图,频谱仪的原理框图如上图所示,输入信号经由衰减器和滤波器,被送到混频器,混频器的本振频率通常为周期性的扫频信号,混频输出经过中频放大、带通滤波、对数放大、包络检波及视频滤波,被送到显示器的,Y,轴,扫描信号发生器在控制本振频率扫频的同时,控制显示器,X,轴扫描,4,二、频谱仪工作原理:工作原理,输入衰减器和滤波器(预选器)限制送给混频器的信号电平和带宽,保证混频器正常工作,在混频器中,输入信号与本振混频,得到中频信号,本振信号一般由频率合成器产生,可在某一范围内扫描,中频放大器及衰减器对混频器输出中频信号的电平进行调整,中频带通滤波器选出中频信号,中频放大器及滤波器常采用多级级联,中频带宽由最后一级滤波器带宽决定。该带宽可以受控改变,且决定频谱仪的分辨带宽(,RBW),包络检波器的输入信号通常由对数放大器压缩信号的动态范围,并且调整其电平范围,低通滤波器的带宽(视频带宽,VBW),影响显示信号频谱的平滑度,现代频谱仪基本都采用高性能微处理器及,DSP,器件,使频谱仪的测量功能得到大大提高,5,二、频谱仪工作原理:主要性能指标,频率范围(,Frequency Range),主要由输入预选器、本振和混频器频率范围决定,决定频谱仪能观测信号的频率范围,分辨带宽(,Resolution Bandwidth RBW),由中频滤波器或数字滤波器带宽决定,分辨带宽越宽,滤波器稳定时间越短,可提供较快的测量;分辨带宽越窄,具有更高的频率分辨力和更低的噪声电平,频率准确度和稳定度(,Frequency Accuracy&Stability,),视频带宽(,Video,Bandwidth VBW),选择较窄的视频带宽,可以得到较为平滑的谱线,本振相位噪声(,LO Phase Noise,),由本振频率合成器决定,决定测量单频信号相位噪声的下限,影响能观测到的多频、窄带信号的电平范围,6,二、频谱仪工作原理:主要性能指标(续一),最大输入信号电平(,Maximum Safe Input Level),主要由输入衰减器、放大器决定,一般分最大连续功率和最大脉冲功率,输入信号电平超过最大输入信号电平时,会损坏频谱仪,平均显示噪声电平(,Displayed Average Noise Level),决定频谱仪能显示的最小信号电平,有时也称“灵敏度”,分辨带宽越窄,平均显示噪声电平越小,频响(,Frequency Response),影响宽带信号测量结果,幅度准确度(,A,mplitude Accuracy),二次谐波失真(,Second Harmonic Distortion),影响二次谐波失真测试范围,三阶互调失真(,Third Order Intermodulation Distortion),影响三阶互调失真测量范围,扫描点数(,Sweep Points),扫描点数为显示屏在水平方向上的取样点数量,扫描点数越多,在水平轴上的显示精度就越高,7,扫描时间,(,Sweep Time),频谱仪,X,轴方向扫描一次所用时间,扫描时间与观测频率宽带(,Span)、RBW,、,VBW,;,Span,越宽、,RBW,和,VBW,越窄、扫描时间越长。扫描时间通常由频谱仪自动设置,对应于不同型号,扫描时间最长可为,300s,、,1500s,、乃至,4000s,扫描时间越长,在,0 span,条件下检测电平变化的范围就越大,触发方式(,Trigger Type),通常有,Free Run,Single,Line,Video,Offset,Delayed,External,等触发方式,需要观测特定时间的信号频谱时,应选择适当的触发方式,二、频谱仪工作原理:主要性能指标(续二),8,其它测试功能,调制分析,噪声系数测试,发射损耗测试,EMI,测试,其它使用性能,频谱存储、打印、输出,编程、遥控,二、频谱仪工作原理:主要性能指标(续三),9,中心频率(,Center Frequency),和频率宽度(,Frequency Span),中心频率和扫频宽带决定频谱仪观测频率范围,频谱仪中心频率指,X,轴中心点频率,与观测信号的中心频率相同,频谱仪频率宽度指,X,轴从最左端(低端)到最右端(高端)对应的带宽,应略大于观测信号带宽,也可以通过设置起始频率(,Start Frequency),和终止频率(,Stop Frequency),来设置频谱仪观测频率范围,Center Frequency=,(,Start Frequency+Stop Frequency,)2,Frequency Span=Stop Frequency-Start Frequency,三、频谱仪使用:参数设置,10,参考电平(,Reference Level),和电平刻度(,Scale/Div),参考电平为频谱仪,Y,轴方向最上端对应的电平,电平刻度为频谱仪,Y,轴方向每格代表的电平分贝数(,Y,轴以对数方式显示时),调整参考电平时,应使观测信号最大电平不超过参考电平,调整电平刻度时,应使所关心的信号电平变化显示比较明显,或所关心的电平范围能在频谱仪上显示出来,功率显示值,=Reference Level Scale/Div*n,(,n,为电平刻度数),输入衰减(,Input Attenuation),对保护频谱仪输入级非常重要,强烈建议设置成自动调整方式,输入衰减越大,频谱仪底噪声电平越高,在确定输入信号电平足够小(全频段电平)时,把输入衰减设为0,dB,可提高观察微弱信号的能力,三、频谱仪使用:参数设置(续一),11,分辨带宽(,RBW),通常由频谱仪根据频率宽度自动设置,观察调制载波时,,RBW,通常应小于信号带宽的十分之一,观察单频信号时,宽的,RBW,容易漏掉单频信号附近的低电平信号,RBW,越窄,扫描时间越长,视频带宽(,VBW),和视频平均,通常与,RBW,保持某一比例(该比例可手动改变),由频谱仪自动设置,窄的,VBW,可减小噪声及信号的随机起伏,使显示频谱越光滑,同时扫描时间越长,当被观测信号的信噪比较低时,窄的,VBW,可使故测信号显示得更明显,视频平均与很窄得视频带宽效果基本相同,三、频谱仪使用:参数设置(续二),12,扫描时间(,Sweep Time),通常由频谱仪根据频率宽度、,RBW,和,VBW,自动设置,扫描时间过短会导致观测到的信号电平降低、频率右移,扫描方式(,Sweep),连续扫描(,Continus Sweep),单次扫描(,Single Sweep),Display Line,便于测量一定带宽的信号电平时,光标(,Marker),寻找最大值(,Peak Search),把光标移到中心频率(,Marker to CF),把光标移到参考电平(,Marker to Reference Level),Delta Marker,三、频谱仪使用:参数设置(续三),13,扫迹(,Trace),频谱仪一般有23个扫迹,单通常情况下只用一个扫迹,实时扫描扫迹(,Clear Write),最大值保持扫迹(,Max Hold),最小值保持扫迹(,Min Hold),观测突发信号时,常用最大值保持扫迹,三、频谱仪使用:参数设置(续四),14,单频信号观测1,选用合适的,RBW,三、频谱仪使用:频谱观测,15,三、频谱仪使用:频谱观测,单频信号观测2,选用合适的扫描时间,16,三、频谱仪使用:频谱观测,单频信号观测3,选用合适的视频带宽,17,三、频谱仪使用:频谱观测,单频信号观测4,选用本振相位噪声满足要求的频谱仪,18,三、频谱仪使用:频谱观测,调制载波观测,选用合适的频率宽度和,RBW、VBW,及电平刻度,19,突发载波观测,利用频谱仪最大值保持功能,三、频谱仪使用:频谱观测,20,单载波功率测量:,适当调整,Center Frequency,、,Span,、,Reference Level,和,RBW,,使载波的峰值落在显示范围内,按,Peak Search,,读出光标的功率值,P,Marker,计算载波功率,P,CW,=P,Marker,+Attn,Coupler,+Attn,SA,式中,,Attn,Coupler,为测试端口到频谱仪输入端口之间的耦合衰减与电缆损耗之和,,Attn,SA,为频谱仪输入衰减值,单载波的功率和频率稳定度测量:,适当调整频谱仪设置,使载波的峰值落在显示范围内,按,MarkerCF,,,MarkerRef,Lvl,,以及向上按键,使载波的峰值落在中心频率的参考电平以下,10dB,处,定时按,Peak Search,,读取并记录光标所对应的功率和频率值,对测试记录作统计处理,频谱仪功率稳定度和频率稳定度应优于被测信号指标,三、频谱仪使用:,单载波的功率和稳定度测量,21,通过测量,C/N,计算,Eb/N,0,将,Display Line,设为,On,用旋钮调整,Display Line,,使之与载波峰值相重合,并读取相应的电平值,该值为,CN,继续调整,Display Line,,使之与底噪声相重合,并读取相应的电平值,该值为,N,从(,C+N)/N,计算出,C/N,利用,C/N,计算,Eb/N,0,C/N=C,0,/N,0,Eb=C,0,Rs/Rb,Eb/N,0,=(C/N)(Rs/Rb),(Rb,为信息速率,Rs,为调制符号速率),三、频谱仪使用:,Eb/N,0,测量1,22,利用频谱仪直接测量(设备验收时),设置频谱仪功率测量的信道带宽与被测信道带宽相同,关闭噪声源,打开频谱仪视频平均,用频谱仪直接测量信号功率,C,关闭信号,打开噪声源,用频谱仪直接测量噪声功率密度,N0,通过,C,及,Rb,计算,Eb,Eb=C/Rb,求出,Eb/N0,三、频谱仪使用:,Eb/N,0,测量2,23,间接测量,频谱仪本振相位噪声要优于对被测信号相位噪声的要求,调整频谱仪中心频率,使被测载波位于屏幕中心,调整参考电平使被测载波峰值点位于屏幕顶线,频率宽度约为欲测频率偏移量的10倍,频谱仪,RBW,设为频率偏移量的1/10,调整频谱仪,VBW,,使噪声频谱比较光滑,从频谱仪读出单边噪声密度,L,计算该频率偏移量的相位噪声密度,相位噪声,L1.710log(RBW),(,单位,dBc/Hz),三、频谱仪使用:相位噪声测量1,24,直接用频谱仪测量,频谱仪要安装有相应的硬件与软件,三、频谱仪使用:相位噪声测量2,25,三阶载波互调比(,C/IM),测试,在非线性放大器带宽范围内的两个等幅单载波、与它们所产生的三阶互调产物之间的电平差值定义为,C/IM,调整频谱仪,使两个单载波与两个三阶互调产物的峰值、以及噪声底都能落在显示范围内,按,Peak Search,,使光标落在较高的一个单载波上,按,Marker Delta,,并调整光标,使光标落在较高的一个三阶互调产物上,两个光标之间的电平差值(,dB,数)即为互调比,C/IM,三、频谱仪使用:互
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