準確測量脈沖信號的S參數(二)

頻譜歸零方法通常在脈沖寬度小于需要數字化和獲取一個(gè)離散時(shí)間數據點(diǎn)的最小時(shí)間的時(shí)候使用。因此，必須對一個(gè)數據點(diǎn)獲取捕獲多個(gè)脈沖。在單獨的輸入脈沖和分析儀的時(shí)域抽樣之間沒(méi)有嚴格的同步。脈沖調制信號的頻域描述具有離散PRF單音，這可以通過(guò)濾波濾出，剩下的是基調，它載有測量信息。在分析儀的下變頻過(guò)程中，通過(guò)濾波去除不希望的噪聲和信號分量。一旦信號被數字化，分析儀應用一個(gè)由用戶(hù)指定中頻帶寬的數字濾波器。通常，這個(gè)數字濾波器用來(lái)減小測量噪聲并增加動(dòng)態(tài)范圍。對非脈沖調制信號來(lái)說(shuō)數字濾波算法工作得很好，但是當接收機接收到一個(gè)脈沖調制信號的時(shí)候會(huì )發(fā)生什么呢？

利用窄帶檢測，利用一個(gè)數字矩形濾波器消弱接收信號中除了調制基調成分以外的所有成分是很有必要的。這需要一個(gè)最小阻帶頻率小于脈沖調制信號PRF的濾波器從而具有最優(yōu)的阻礙。濾波器過(guò)渡斜度需要遠離第一個(gè)PRF單音(圖4，左)，這樣對不需要的單音具有最大的阻礙。這個(gè)濾波器會(huì )很難設計因為PRF單音會(huì )和基頻很近。嚴格的矩形濾波器在頻域有一些折衷，例如在時(shí)域具有額外的抖動(dòng)。對此，濾波器設計者在頻域和時(shí)域采用不同的技術(shù)獲得最佳的性能，同時(shí)提供有效的濾波性能。

圖4的左面給出用于分析儀中的一個(gè)可能的中頻數字濾波器的響應。它在形狀上不是矩形，因此如果不加改變地使用，會(huì )在頻域引入不需要的成分，從而導致測量誤差。另外，這個(gè)數字濾波器在頻域具有周期排列的零點(diǎn)。這些零點(diǎn)的周期與接收機的采樣速率和數字濾波器的結構成正比。使用一個(gè)微波PNA，通過(guò)調整數字濾波器的零點(diǎn)對準不需要的脈沖調制譜成分有可能濾除不需要的信號分量，只留下基頻(圖5)。這種濾波技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是濾波器的零點(diǎn)非常深，能為脈沖調制譜成分提供很大的阻礙。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是零點(diǎn)可以和基頻很接近因為零點(diǎn)的過(guò)渡區非常陡峭。

圖6給出脈沖調制信號和分析儀離散抽樣在時(shí)域的代表性圖形。由于下變頻，抽樣器數字化的脈沖丟失了原來(lái)的時(shí)域形狀，并且當通過(guò)窄帶接收機的時(shí)候不同的硬件濾波元件加到脈沖上。準確的脈沖調制測量信息在這個(gè)下變頻過(guò)程中保持不變。在數字轉換器看到的脈沖到脈沖形狀由于PRF和掃描頻率之間相位關(guān)系的不同而改變。一個(gè)數據點(diǎn)獲取的抽樣脈沖數量和中頻帶寬設置、脈沖周期和脈沖寬度有關(guān)。在這個(gè)例子中，測量了一個(gè)脈沖周期為100μs、脈沖寬度為1μs的脈沖調制信號。測量選擇500Hz的中頻濾波器，為了在分析儀上顯示一個(gè)數據點(diǎn)需要292個(gè)抽樣，每個(gè)間隔6μs。在一個(gè)數據點(diǎn)的獲取時(shí)間中，分析儀得到17個(gè)脈沖，每個(gè)數字化的抽樣包含從輸入脈沖的不同部分而來(lái)的數據。

當使用頻譜歸零工作方式的時(shí)候，與占空周期相應的動(dòng)態(tài)范圍上會(huì )有一個(gè)損失，等于20log(占空周期)。這是由于窄帶濾波器阻止脈沖調制信號中除了基調以外的一切成分。隨著(zhù)占空比的降低，更多的能量移入旁瓣，在基調中就會(huì )有更少的能量。

這可以通過(guò)分析公式2圖解說(shuō)明，并且注意到頻域音調的下降與脈寬和脈沖重復頻率成正比(即，占空周期=脈寬×PRF)。對一些分析儀來(lái)說(shuō)，這會(huì )限制測量可用性。在這種配置下使用微波PNA的一個(gè)主要收益就是可以使用非常窄的脈沖寬度(即，遠小于1μs)，只要占空周期足夠大，從而提供可以接受的測量動(dòng)態(tài)范圍。隨著(zhù)占空周期的下降，動(dòng)態(tài)范圍達到一個(gè)點(diǎn)，在這一點(diǎn)測量結果沒(méi)有足夠的精度。微波PNA優(yōu)于使用窄帶檢測，因為它在跟蹤噪聲和動(dòng)態(tài)范圍方面具有比其它網(wǎng)絡(luò )分析儀(圖7)和頻譜歸零更突出的性能。

使用頻譜歸零技術(shù)測量一個(gè)成分需要通過(guò)控制DUT偏置或者脈沖調制激勵的調制。圖8給出一個(gè)脈沖調制激勵測量的硬件配置。門(mén)轉換(調制器)放在源和接收機的前面，這里這些門(mén)的時(shí)延和寬度可以獨立設置。這為分析儀的內部源提供脈沖并為接收機提供時(shí)間門(mén)從而可以進(jìn)行點(diǎn)內脈沖和脈沖成型，這些將在下一部分講述。外部調制器和脈沖發(fā)生器主要給出脈沖寬度限制。脈沖發(fā)生器必須有一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)參考(10MHz)輸入來(lái)鎖定分析儀和脈沖發(fā)生器到同一個(gè)時(shí)間基準。這對于確保濾波器和脈沖調制譜的頻域成分在調整PRF成分零點(diǎn)過(guò)程中被鎖定在一起是很重要的。微波PNA需要用選項H08和H11進(jìn)行配置。選項H11為點(diǎn)內脈沖和脈沖成型提供中頻門(mén)控硬件。選項H08為在頻譜歸零模式下配置分析儀提供應用軟件。

作者：Loren Betts