频域测量技术及仪器.PDF

第6章 频域测量技术及仪器 6.1 频域测量的原理与分类 6.1.1 频域测量的原理 对于一个过程或信号，它 频率 频域频域频域 具有时间一频率一幅度的 三维特性，如图6-1所示。 它既可表示为时间的函 数，又可以表示为频率或 角频率的函数；既可以在 时域对它进行分析，也可 电压电压电压 时域时域时域 时间时间时间 以在频域进行分析，以获 得其不同的变化特性。任 何一个过程或信号，既可 在时域进行分析来获取其 各种特性，也可以在频域 图6-1 时间一频率一幅度的三维特性 进行。 通常一个过程或信号可以表示为时间t的函数f(t)， 时域分析是研究信号的瞬时幅度与时间的变化关系，如信 号通过电路后幅度的放大、衰减或畸变等。通过时域测量 可测定电路是否工作在线性区、电路的增益是否符合要求、 时间响应特性等。 例如，实际工作中常用的示波器就是典型的时域分析 仪器，常用它来观测信号电压随时间的变化，但用它却无 法获得信号中包含哪些频率成份、它们之间的相对幅度如 何等信息，也无法得到信号通过某个系统后是否产生了非 线性失真、失真的大小等信息，这些都必须借助于频域分 析完成。频率特性测试仪、频谱分析仪都是以频率为自变 量，以各频率分量的信号值为因变量进行分析的仪器。 过程或信号还可以表示为频率f 或角频率的函数s(ω)，通常， 频域分析则是研究信号中各频率分量的幅值A与频率f的关系， 包括线性系统频率特性的测量和信号的频谱分析。频率特性测 量和频谱分析都是以频率为自变量，以频率分量的信号值为因 变量进行分析的，通常由频率特性测试仪(扫频仪)来完成；其 中，频率特性测试仪利用扫频测量法，可直接在显示屏上显示 被测电路的频率响应特性；频谱分析仪则是对信号本身进行分 析和对线性系统非线性失真系数进行测量，从而可以确定信号 所含的频率成份，了解信号的频谱占用情况但并不能反映各谐 波信号的相位问题。也就是说，如果测出两种的频谱相同，它 们的相位不一定相同。 时域和频域两种分析方法都能表示同一信号的特性，它们之 间必然是可以互相转换的。时域与频域间的关系可以用傅里叶级 数和傅里叶变换来表征。因而在测得了一个信号的时域表征后， 通过傅里叶变换，可以求得其相应的频域表征；反之亦然。 时域分析与频域分析虽然可以用来反映同一信号的特性，但 是它们分析的角度是不同其具体适用的场合，两者是相辅相成、 互为补充的。 6.1.2频域测量的分类 1．频率特性测量：主要对网络的频率特性进行测量，包括幅 频特性、相频特性、带宽及回路Q值等。 2．频谱分析：用频谱分析仪分析信号中所含的各个频率分量 的幅值、功率、能量和相位关系，以及振荡信号源的相位噪声 特性、空间电磁干扰等。 3．谐波失真度测量：信号通过非线性器件都会产生新的频率分 量，俗称非线性失真。这些新的频率分量包括谐波和互调。谐波 失真度测量就是对这些谐波和互调失真的大小进行测量，如音频 功率放大器、射频功率放大器的失真等。 4．微波网络分析仪：网络分析仪是通过测定网络的反射参数和传 输参数从而对网络中元器件特性的全部参数进行描述的测量仪 器，用于实现对线性网络的频率特性测量。利用合成频率源来提 供大量有关被测器件（DUT）的信息，包括被测器件的幅度、相位 和群延时响应。 6.2 频谱分析仪 6.2.1 频谱分析仪的工作原理与分类 1．频谱分析仪的原理 通常频谱仪无论是对确定信号还是周期信号，所分析的大多 是功率谱。有三种分析功率谱的方案，它们是滤波法、相关 函数傅里叶变换法和直接傅里叶变换法。后两种都是通过傅 里叶变换计算来完成的，故可将它们归为计算法。 图6-2 滤波式频谱分析法的简要原理框图 （1）滤波式频谱分析 滤波式频谱仪的基本结构如图6-2所示。输入信号经过一组中 心频率不同的滤波器或经过一个扫描调谐式滤波器，选出各