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频谱分析
一实验目的
1.频谱测量的基本原理
2.常用信号的频谱及测量
3.常用调制信号的频谱及测量
二实验仪器
(1)AFG-2005信号源
(2)TDS2002C数字存储示波器
(3)HP8590频谱分析仪
(4)高频信号发生器
(5)GWGFG-813functiongenerator
(6)MicrowaveSignalGenerator1055A
(7)Protekmultifunctioncounter9100
三实验内容
1.掌握频谱分析的基本原理
2.常用信号的频谱及测量:
正弦波、方波、三角波
3.常用调制信号的频谱及测量:
调幅、调频(相)信号
(1)调幅波的数学表示与频谱
调制信号:
载波:
已调波的振幅:
调幅波:
调幅指数:
由正弦波调制的调幅波是由三个不同频率的正弦波组成的:
a未调幅的载波;
b载波频率与调制频率之和(上边频);
c载波频率与调制频率之差(下边频);
调幅波的两个边带的频谱分布对载波是对称的;
调幅过程实际上是一种频率搬移过程。
经过调制后,调制信号的频谱被搬移到载频附近,成为上边带和下边带;
调幅波所占的频带宽度等于调制信号最高频率的2倍
(2)调频波的数学表示与频谱
调频波的频谱分析频率调制(简称调频,用FM表示)是使高频振荡波的频率按调制信号规律变化的一种调制方式,而高频振荡波的一般形式为v(t)=Vmcosφ(t).若用矢量表示,则上式中Vm为矢量长度,φ(t)为矢量转动的瞬时相角。
作为调频波,相应的矢量长度Vm为恒值,矢量转动的角速度ω(t)为载频角频率ωc迭加按调制信号规律变化的瞬时角频率Δω(t),即ω(t)=ωc+Δω(t)=ωc+kfvΩ(t),式中vΩ(t)为调制。
四实验原理
1.频谱仪的工作原理
但由于其分析是用数字采样,所能分析信号的最高频率受其采样速率的影响,限制了对高频的分析。
目前来说,最高的分析频率只是在10MHz或是几十MHz,也就是说其测量范围是从直流到几十MHz。
是矢量分析。
这种分析方法一般用于低频信号的分析,如声音,振动等。
另一方法原理则不同。
它是靠电路的硬件去实现的,而不是通过数学变换。
它通过直接接收,称为超外差接收直接扫描调谐分析仪。
我们叫它为扫描调谐分析仪。
在工作中通常所用的HP-859X系列频谱仪都是此类的分析仪。
其特点是扫描调谐分析法受器件的影响,只要我们把器件频率做得很高,其分析能力就会很强。
目前的工艺水平,器件可达到100GHz,最高甚至可做到325GHz。
其频率范围要比前一种分析方法大很多。
只是在达到较高分辨率时,其分析测量的时间会有所增加。
2.下面我们着重介绍一下扫描调谐分析仪的基本原理
从图中,我们不难看出,它是用超外差接收机的方式来实现频谱分析的
最基本的核心部分是它的混频器。
基本功
能是将被测信号下变至中频21.4MHz,然后在中频上进行处理,得到幅度。
在下变频的过程中,是由本振来实现下变频的。
本振信号是扫描的,本振扫描的范围覆盖了所要分析信号的频率范围。
所以调谐是在本振中进行的。
全部要分析的信号都下变频到中频进行分析并得到谱频。
当然,频谱仪在输入信号时并没有直接将其接入混频器,而是首先接入一个衰减器。
这不会影响最终的测量结果,完全是为了仪表内部的协调,如匹配、最佳工作点等等。
它的衰减值是步进的,为0dB、5dB、10dB,最大为60dB。
还有的频谱仪是不能输入直流的,否则也会损坏器件。
另外,还应注意不能有静电,因为静电的瞬时电压很高,容易把有源器件击穿。
日常工作中把仪表接地就会有很好的效果,当然要有保护接地会更好。
在中频,所有信号的功率幅度值与输入信号的功率是线性关系。
输入信号功率增大,它也增大,反之相同。
所以我们检测中频信号是可行的。
另外,为了有效检测,要有一个内部中频信号放大。
混频器本身有差落衰减,本频和射频混频之后它并不是只有一个单一中频出来,它的中频信号非常丰富,所有这些信号都会从混频器中输出。
在众多的谐波分量中,只对一个中频感兴趣。
也就是前面所说的21.4MHz。
这是在仪器器件中做好的,用一个带通滤波器把中心频率设在21.4MHz,滤除其它信号,提取21.4MHz的中频信号。
通过中频滤波器输出的信号,才是我们所要检测的信号。
滤波器在工作中有几个因素:
中心频率是21.4MHz,固定不变,其30dB带宽可以改变。
比如对广播信号来说,其带宽一般是几十kHz,若信号带宽是25kHz,中频的带宽一定要大于25kHz。
这样,才能使所有的信号全部进来。
如果太宽,就会混入其它信号;
如果太窄,信号才进来一部分,或是低频成份,或是高频成份。
这样信号是解调不出来的。
中频带宽设置根据实际工作的需要来决定的。
当然它会影响其它很多因素,如底噪声、信号解调的失真度等。
经过中频滤波器的中频信号功率就是反应了输入信号的功率。
检测的方法就是用一个检波器,将它变为电压输出,体现在纵轴的幅度。
当然还要经过D/A转换和一些数据处理,加一些修正和一些对数、线性变换。
这足以给我们带来信号分析上的许多方便。
频谱分析是要分析频域的。
一个信号要分析两个参数,一是幅度,二是频率。
幅度已经得出,而频率和幅度要对应起来,在某一频率是什么幅度。
下面介绍一下频率是如何测量的,如何与幅度对应起来。
它是通过本振与扫描电压对应起来的。
本振是一个压流振荡器。
本振信号是个扫描信号。
扫描控制是由扫描控制器来完成的。
它同时控制显示器的横坐标。
从左到右当扫描电压在0V时,在显示器上是0点,对本振信号来说是F1点,即起始频率点。
当扫描电压到10V时,在显示器上是终止频率点,本振电压就是在终止频率点,中间是线性的。
通过这样的方法,使得显示器坐标的每一点与本振F1、F2的每一点对应起来:
射频信号是本振信号减去中频信号21.4MHz。
当我们操作频谱仪进行分析时,实际是在改变本振信号的频率。
五实验结果
1.当输入信号频率为10KHZ,峰值为5V的正弦波时,测出信号的时域和频域特性
(1)频率为10KHZ,峰值为5V的正弦波
(2)正弦波的时域波形图
(3)正弦波的频域波形
2.当输入频率为10KHZ,峰值为3V的方波时,测出其时域和频域特性
(4)频率为10KHZ,峰值为3V的方波
(5)方波的时域波形图
(6)方波的频域波形图
3.当输入信号频率为10KHZ,峰值为3V的三角波时,测出其时域和频域特性。
(7)频率为10KHZ,峰值为3V的三角波
(8)三角波的时域波形图
(9)三角波的频域波形图
4.AM波的时域和频域的测量
(10)AM波时域波形图
(11)AM波的频域波形图
5.FM波的时域和频域测量
(12)FM的时域波形图
(13)FM的频域波形图
六总结
通过这次的实验,使我认识到测量并不是那么的简单,要把测量做好,就需要我们认真的态度。
在这次实验中,我学会了如何使用扫频仪,同时也加强了对频谱仪的认识。
频谱仪和信号发生器的调试,都是考验着我们的认真与细心。
通过这次实验也进一步加强我自己的动手能力,增强了独立创新的精神,为以后工作打下了基础,我们的学习不仅仅是要学习论理知识,而是要把理论知识和实践结合起来。
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