第三章 频域测量技术
一、频域测量原理
（一）频域测量原理
频域测量是以获取被测信号和被测系统在频率领域的特性为目的，采用测量被测对象的复数频率特性，包括幅度频率特性和相位频率特性的方法以得到信号的频谱和系统的传递函数。
频域测量有两种基本方法?
1. 正弦波点频法
它在测量的频段内按预定的频率间隔逐点地改变测量信号频率，即输出一个固定频率，并在这个频点上完成一次测量，然后再改变成下一个频率在新的频点再进行一次测量。这样逐点地测得数据，直到完成指定频段内的测量。点频法是经典的、手动式的测量方法。
2. 正弦波扫频法
它在测量频段内使测量的正弦信号的频率随时间按一定规律，例如频率随时间线性变化反复扫动，即实现信号频率自动扫描。被测系统在扫频，即无间隔的点频信号的激励下其输出响应的幅度是与被测系统幅频特性对应变化的包络信号，检测并显示这个包络信号，即获得被测系统的幅频特性。扫频法具有简捷、直观、快速、自动的优点，它在频域测量中得到了广泛应用。
3. 频域测量的主要对象
频域测量的主要对象是频谱和网络的测量。用于测量信号电平、频率和频率响应、谐波失真、互调失真、频率稳定度、频谱纯度、调制指数和衰减量等。可以测量一个系统的灵敏度、增益、衰减、阻抗、无失真输出功率、谐波分析、延迟失真、噪声系数、幅频特性和相频特性等多种参数。
17
（二）频域分析的分类和对象
根据实际应用的需求，频域分析和测量的对象和目的也各不相同，通常有以下几种： ?
（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） 选频测量： 利用选频电压表，通过调谐滤波的方法，选出并测量信号中某些频率分量的大小。
（3） 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。
二、频谱分析仪的主要介绍
（一）频谱分析的概念
频谱分析实际上就是在频域中分析信号的频率分量的情况，通过对信号进行傅立叶变化，将信号表示成一个基波分量和许多谐波分量之和的形式，确定信号的频谱。
频谱：广义上指组成信号的全部频率分量的总集。一般的频谱测量中常将随频率变化的幅度谱称为频谱。
对于满足狄里赫利条件的周期信号，可将其展开为傅立叶级数，求出频谱图，即
A0?f(t)???Ancos(n?1t??)2n?1 式中，A0/2为直流分量的大小，An为n次谐波分量的幅值，A1为基波分量的幅值，ω1为基波角频率， ωn为n次谐波分量的相位。
频谱类型：离散谱（线状谱），连续谱。
周期性信号的频谱是由一组离散的谱线组成的离散谱，其横坐标为谐波角频率nω1。若每一谱线的高度反映谐波分量的幅值，则该频谱为幅值频谱；若每一谱线的高
18
度反映谐波分量的初相角，则该频谱为相位频谱。
对于非周期信号，可以看成是周期为无限大的周期信号，由无限多的频率分量叠加而成，其频谱为连续谱，用傅立叶变化表示为
?????1?jetf(t)?F(jw)edω????2π? F(j?)??f(t)e?jewdt频谱密度函数F (jω)是ω的连续函数，即非周期信号的频谱是连续的。 f (t)为实函数时，F(jω) = F*(-jω) ;f (t)为虚函数时，有F(jω) = -F*(-jω) 。 无论f (t)为实函数或虚函数，幅度谱|F(jω)|关于纵轴对称，相位谱e j(ω)关于原点对称。
对于离散时域信号，有：
序列付氏变换：以e j? n作为完备正交函数集，对给定序列做正交展开。 离散时间序列的频谱是周期性的(周期为2π)。
若离散序列是周期的，频谱一定是离散的，反之亦然； 若离散序列是非周期的，频谱一定是连续的，反之亦然
?（二）频谱仪的介绍
频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器，面板上布建许多功能控制按键，作用
为系统功能的调整与控制，系统主要的功能是在频域里显示输入信号的频谱特性。频谱分析仪依信号处理方式的不同，一般有两种类型：实时频谱分析仪(Real-Time Spectrum Analyzer)与扫瞄调谐频谱分析仪(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer)。实时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器(Detector)，再经由同步的多任务扫瞄器将信号传送到CRT 屏幕上，其优点是能显示周期性杂散波(PeriodicRandom Waves)的瞬间反应，其缺点是价昂且性能受限于频宽范围、滤波器的数目与最大的多任务交换时间(Switching Time)。最常用的频谱分析仪是扫瞄调谐频谱分析仪，其基本结构类似超外差式接收器，工作原理是输入信号经衰减器直接外加到混波器，可调变的本地振荡器经与CRT 同步的扫瞄产生器产
19
生随时间作线性变化的振荡频率，经混波器与输入信号混波降频后的中频信号（IF）再放大、滤波与检波传送到CRT 的垂直方向板，因此在CRT 的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系。影响信号反应的重要部份为滤波器频宽，滤波器之特性为高斯滤波器（Gaussian-Shaped Filter），影响的功能就是测量时常见到的解析频宽(RBW， Resolution Bandwidth)。RBW 代表两个不同频率的信号能够被清楚的分辨出来的最低频宽差异，两个不同频率的信号频宽如低于频谱分析仪的RBW，此时该两信号将重迭，难以分辨，较低的RBW 固然有助于不同频率信号的分辨与测量，低的RBW 将滤除较高频率的信号成份，导致信号显示时产生失真，失真值与设定的RBW 密切相关，较高的RBW 固然有助于宽带带信号的侦测，将增加噪声底层值(Noise Floor)，降低测量灵敏度，对侦测低强度的信号易产生阻碍，因此适当的RBW 宽度是正确使用频谱分析仪重要的概念。
另外的视频频宽（VBW，Video Bandwidth）代表单一信号显示在屏幕所需的
最低频宽。如前所说明，测量信号时，视频频宽过与不及均非适宜，都将造成测量的困扰，如何调整必须加以了解。通常RBW 的频宽大于等于VBW，调整RBW 而信号振幅并无产生明显的变化，此时之RBW 频宽即可加以采用。
测量RF 视频载波时，信号经过设备内部的混波器降频后再加以放大、滤波
（RBW 决定）及检波显示等流程，若扫描太快，RBW 滤波器将无法完全充电到信号的振幅峰值，因此必须维持足够的扫描时间，而RBW 的宽度与扫描时间呈互动关系，RBW 较大，扫描时间也较快，反之亦然，RBW 适当宽度的选择因而显现其重要性。较宽的RBW 较能充分地反应输入信号的波形与振幅，但较低的RBW 将能区别不同频率的信号。例如使用于6MHz 频宽视讯频道的测量，经验得知，RBW 为300kHz 与3MHz 时，载波振幅峰值并不产生显著变化，测量6MHz的视频信号通常选用300kHz 的RBW 以降低噪声。天线信号测量时，频谱分析仪的展频（Span）使用100MHz，获得较宽广的信号频谱需求，RBW使用3MHz。这些的测量参数并非一成不变，将会根据现场状况及过去测量的经验加以调整。
（三）频谱分析仪的分类
1. 并行滤波式频谱分析仪
20
2.快速傅里业频谱仪
3.扫描滤波式频谱分析仪
4.外差式频谱分析仪
21