电子测量技术（西电版）第7章 频域测量技术.ppt

;前面我们讨论了信号及测量系统在时域内的有关特征及测量方法,本章将讨论信号及测量系统在频域内的有关特征及测量方法。对许多测量来说，频域测量和时域测量同样重要。;;频域测量的两个基本问题是信号的频谱分析和线性系统的频率特性测量。进行频域分析和测量的电子仪器有很多种，其中，频谱分析仪是采用滤波器或傅立叶变换的方法，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。选频电压表采用调谐滤波的方法，选出并测量信号中感兴趣的频率分量。失真度测量仪则与之相反，采用陷波的方法将信号中基频滤去，测量剩下的各次谐波分量和噪声的大小，以及它们与基频的比值。调制度分析测量是对各种频带的射频信号进行解调，恢复调制信号，测量调制度。;;7.1信号频谱分析及频谱分析仪

7.1.1信号频谱分析

对于任何一个信号，既可以在时域进行分析和测量来获取各种特征，又可以在频域进行分析和测量来获取各种特征，其中频域分析和测量在电子、通信、生物医学等方面有着

非常广泛的应用。

;一个电信号的特性可以用一个随时间变化的函数f(t)来表示，同时也可以用一个频率f或角频率ω=2πf的函数S(ω)来描述，这两种表示之间的关系在数学上可表示为一对傅立叶变换关系：



上述关系可以定性地用图7-1来表示。

;图7-1信号的时域波形及频域频谱;从时域t方向描述的电信号就是我们在示波器上看到的波形f(t)，从频域f方向看到的这个信号可表示为一组沿频率轴步进的正弦信号的集合，即S(ω)，每一个正弦信号代表这个电信号在频率点所具有的分量值，也称为信号的频谱或频谱分量。

频谱是对信号及其特性的频率域描述。一个在时域看来是复杂波形的信号，它的频谱可能是简单的，在时域不容易获取信号的有关信息在频域可能是容易获取的。一般来说，确定性信号存在着傅立叶变换，由它可获得确定的频谱。随机信号只能就某些样本函数的统计特征值作出估算，如均值、方差等，这类信号不存在傅立叶变换，对它们的频谱分析指的是它的功率谱分析。;对信号的频域分析主要采用频谱分析仪，频谱分析仪分析和测量一个电信号在频率轴各点频谱分量的分布情况。时域分析主要采用电子示波器，用示波器分析和测量一个电信号在时域的有关特征和信息。实际的频谱分析仪通常只给出幅度谱和功率谱，不直接给出相位信息，因此，如果两个信号内的基波幅度相等，二次谐波幅度也相等，但基波与二次谐波的相位差不等，则用频谱仪测量这两个信号所显示的频谱图没有什么区别，但用示波器观察这两个信号的波形却明显不同。;然而频谱仪也有它的特点，例如，一个失真很小的正弦波信号利用示波器观察就很难看出来，一个复杂波形内各频率分量的大小就更难以确定，而用频谱仪就能定量测出很小的频率分量。所以时域分析和频域分析各具特点，各自适用于不同的场合，两者互为补充。;7.1.2频谱分析仪的种类

频谱分析仪种类繁多，可以从多种角度对它们进行分类。例如，可分为模拟式、数字式、模拟数字混合式；实时型、非实时型；恒带宽分析、恒百分比带宽分析；单通道型、多通道型。按工作频带，还可以分为高频、低频等等。按工作原理，大致可以归为滤波法和计算法两大类。下面就上述几种分类，对各类仪器的特点和应用对象作一简要说明。;;(2)实时和非实时的分类方法主要是针对低频频谱仪而言的，如语言信号的分析处理，系统的实时控制等，都要求对信号进行实时分析。“实时”并非纯粹指快，实时分析所达到的速度与信号的带宽和要求的频率分辨力有关。一般认为，所谓实时分析，是指在长度为T的时间内完成的频率分辨力达到1/THz的谱分析。当然只能在一定的频率范围内进行实时分析。;在该范围内，分析速度与数据采集速度相匹配，不会发生数据“积压”的现象。如果要求分析的信号频带超过这一频率范围，则分析就成为非实时的。无线电领域中的高频信号，大多为周期信号，其频谱不随时间而变化，属于平稳信号，无需进行实时分析。;(3)恒带宽分析与恒百分比带宽分析。这两种分析的一个重要区别，在于频谱的频率轴刻度为线性和对数关系。恒带宽分析为线性频率刻度，适用于周期信号的分析和波形失真分析，这时基频分量和各次谐波分量在频谱图上呈等间隔排列，很利于表征信号的特性。而恒百分比带

宽分析所得频谱的频率轴采用对数刻度，具有较宽的频率覆盖，能兼顾低频与高频频段的频率分辨力，适用于噪声类随机信号的连续形式的谱密度分析。另外，恒百分比带宽分析更适宜分析结构谐振信号。等绝