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时域、频域的概念及在测试测量中的应用

时间:2018-10-25
 

        时域( Time oomain )是真实世界,是唯一实际存在的域。人们的经历都是在时域中发展和验证的,因而人们已经习惯于事件的发生都按时间的先后顺序。时域是描述数学函数或物理信号对时间的关系。例如,一个信号的时域波形可以表达信号随着时间的变化。

        频域( Freqoency oomain )是描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系。对任何一个事物的描述都需要从多个方面进行,每一方面的描述仅为我们认识这个事物提供部分信息。例如,眼前有一辆汽车,可以从颜色、长度、高度等方面来描述,也可以从排量、品牌、价格等方面来加以描述。对于一个信号来说,它也有很多方面的特性,如:信号强度随时间的变化规律(时域特性),信号是由哪些单一频率的信号合成的(频域特性),如图1所示。

        在对信号进行时域分析时,有一些信号的时域参数相同,但并不能说明信号就完全相同。因为信号不仅随时间变化,还与频率、相位等信息有关,这就需要进一步分析信号的频率结构,并在频率域中对信号进行描述。动态信号从时域变换到频域,主要通过傅里叶级数和傅里叶变换来实现:周期信号靠傅里叶级数,非周期信号靠傅里叶变换。

        傅里叶变换理论告诉我们,时域中的任何电信号都可以由一个或多个具有适当频率、幅度和相位的正弦波叠加而成。换句话说,任间时域信号都可以变换成相应的频域信号,通过频域测量可以得到信号在某个特定频率上的能量值。通过适当的滤波,我们能将图1 中的波形分解成若干个独立的正弦波或频谱分量,然后就可以对它们进行单独分析。每个正弦波都用幅度和相位加以表征。如果我们要分析的信号是周期信号,傅里叶理论指出,所包含的正弦波的频域间隔是1/T,其中T是信号的周期。

        在电子测试测量领域,信号分析方法主要分时域测试、频域测试和解调测试,针对不同的被测设备( EUT)或被测器件( OUT),完成相应的参数测试,如表1所示。

        频域测试

        频谱分析仪是通用的多功能测量仪器,是完成频域测试的主要工具,其应用范围很广,其测试对象是电子系统及电路中存在的各种信号.图2 所示是典型的数字通信系统(收发信机)中信号的处理过程。在各个处理环节上,会有不同形式、不同特性的信号出现。这些信号参数特性的变化通过频域的分析可以得到直接的反映。

        发射机利用调制处理将所要传输的信息调制到载波上。电子系统中的正弦波信号会因为通过调制处理而包含更多的信息,这种信号的变换会通过频谱的特性表现出来。图2 所示为接收机处理过程中信号频谱特性的变化过程。接收机通过天线接收的信号中包含需要的信号和干扰信号;滤波器的处理将接收信号中的干扰成分进行抑制;为完成基带解调电路的处理,输出的射频或微波信号经过与本振(本地振荡器)的混频处理变换为中频信号;混频形成的杂波通过中频滤波器进行滤除;中频调制信号经过IQ解调器的处理,消除调制信号中的载波成分得到基带IQ信号,通过IQ信号电压的分析来测试信号的幅度和相位信息,完成解调处理的整个过程。这些处理的过程通过对每个处理环节的信号频谱分析得到直接的反映。

        通过对信号的测试,可以反映各种产生信号和处理信号的部件或系统的性能。例如,频谱分析仪可以对发射机进行多项测量,包含信号频率、功率、失真、增益和噪声等特性。在图2 所示的普通发射机中,混频器的本振输入、变频损耗、失真产物等都通过连接一台频谱分析仪就可以进行分析在前置放大器的输入和输出端口进行测量能测出增益、平坦度、噪声系数和失真。

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