基于泰克MSO64的全新瞬態(tài)分析技術(shù)

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泰克新一代示波器MSO64采用全新TEK049平臺，不僅實(shí)現了4通道同時(shí)打開(kāi)時(shí)25GS/s的高采樣率，而且實(shí)現了硬件12-bit高垂直分辨率。同時(shí)，由于采用了新型低噪聲前端放大 ASIC—TEK061，大大降低了噪聲水平，在1mv/div時(shí)，實(shí)測的本底噪聲RSM值只有58uV，遠遠低于市場(chǎng)同類(lèi)示波器。這些特性都是MSO64頻譜模式——Spectrum View獲得高動(dòng)態(tài)、低噪底的強有力保證。

近日 Spectrum View 又新增了 RF_vs_Time Waveform 測試功能，使用該功能可以分析信號的瞬態(tài)變化過(guò)程，包括信號幅度、頻率和相位的瞬態(tài)變化趨勢，因此通常將其稱(chēng)為信號的瞬態(tài)過(guò)程分析。典型的信號瞬態(tài)過(guò)程分析應用場(chǎng)景包括：脈沖信號包絡(luò )及脈內調制分析、跳頻信號分析、PLL頻率鎖定時(shí)間測試、RF開(kāi)關(guān)切換時(shí)間測試、脈沖調制器上升時(shí)間測試、RF Module及模擬IQ調制器絕對時(shí)延測試等。本文將重點(diǎn)介紹瞬態(tài)分析功能在脈沖、跳頻及PLL頻率鎖定時(shí)間測試中的應用。

圖1. MSO64采用全新TEK049平臺和超低噪聲前端TEK061

瞬態(tài)過(guò)程分析基礎

信號的瞬態(tài)過(guò)程分析，實(shí)際就是信號的三要素——幅度、頻率和相位隨時(shí)間的變化過(guò)程分析，不同的信號關(guān)注的參數不同，比如跳頻信號尤為關(guān)注頻率的變化規律，脈沖信號比較關(guān)注信號包絡(luò )及其時(shí)間參數等。但無(wú)論關(guān)注什么參數，總要先得到幅度、頻率和相位的波形。Spectrum View是如何得到這些波形的呢？

Spectrum View采用了圖2所示的DDC (數字下變頻)架構，經(jīng)對原始采樣點(diǎn)處理，可以得到信號的數字IQ數據，信號幅度、頻率和相位特征均包含于IQ數據中。每一組IQ樣點(diǎn)對應的幅度、頻率和相位時(shí)，便可以得到它們隨時(shí)間的變化趨勢，從而完成信號瞬態(tài)過(guò)程的分析。

圖2. 數字下變頻后得到IQ數據

瞬態(tài)過(guò)程分析應用場(chǎng)景

(1) 脈沖及跳頻信號測試

對于從事射頻脈沖信號分析測試的工程師而言，通常都要測試脈沖的上升/下降時(shí)間、脈寬及周期等時(shí)間參數，以及脈內功率平均值及最大值。只有得到射頻脈沖信號的包絡(luò )后，才能更加方便地進(jìn)行這些參數的測試。過(guò)去通常使用一個(gè)外部包絡(luò )檢波器，提取包絡(luò )后再使用示波器測試。采用 Spectrum View 的瞬態(tài)分析功能，無(wú)需任何外部附件，即可輕松得到信號的包絡(luò )，圖3所示的“C1-M”曲線(xiàn)即為包絡(luò )。

值得一提的是，示波器的自動(dòng)測量功能也可以應用于時(shí)域包絡(luò )，從而自動(dòng)完成脈沖信號時(shí)間參數及功率參數的測試，而不再需要使用光標測試，從而提高了測試精度?，F代雷達越來(lái)越多的采用脈沖壓縮技術(shù)，以保證探測距離的同時(shí)，提高距離分辨率，其中以線(xiàn)性調頻脈沖(chirp pulse)多見(jiàn)。線(xiàn)性調頻脈沖信號的測試，除了要觀(guān)測上述的時(shí)間和功率參數，還要對脈內的頻率調制作解調分析，以檢驗 調頻帶寬 、 調頻斜率 及 線(xiàn)性度。在 Spectrum View 的瞬態(tài)模式下，可以完成解調分析，如圖3所示的“C1-f”曲線(xiàn)，并支持測試結果的保存，以作進(jìn)一步的分析。

圖3. RF Chirp Pulse的頻譜、波形、包絡(luò )、頻率及相位曲線(xiàn)

類(lèi)似地， Spectrum View 還可以應用于跳頻信號的分析，觀(guān)測的依然是頻率解調曲線(xiàn)。得到跳頻圖案后，可以進(jìn)一步分析每個(gè)頻點(diǎn)的 駐留時(shí)間 以及 相鄰頻點(diǎn) 之間的切換時(shí)間等參數。

圖4. Spectrum View的瞬態(tài)模式可以直接解調出跳頻圖案

(2) PLL頻率鎖定時(shí)間測試

基于PLL技術(shù)的頻率綜合器應用極其廣泛，無(wú)論是通信還是雷達系統中，PLL頻綜都是必不可少的。因為PLL頻綜具有非常高的頻率穩定度，相噪性能非常優(yōu)異，這些都是保證通信和雷達系統性能的重要因素。PLL是一個(gè)負反饋控制系統，圖5給出了簡(jiǎn)要架構示意圖，從閉環(huán)傳輸特性看，PLL具有一定的環(huán)路帶 寬，這主要取決于環(huán)路上的低通濾波器——Loop filter。環(huán)路帶寬不僅決定了輸出信號的相噪性能，而且也決定了PLL鎖定的速度。相噪性能和鎖定速度是PLL頻綜開(kāi)發(fā)工程師必須要折中考慮的兩個(gè)參數，因此在調試階段也是必測的兩個(gè)參數。

圖5. PLL頻率綜合器架構示意圖

對于鎖定時(shí)間的測試，傳統測試方法是直接將PLL輸出的射頻信號饋入頻譜儀，然后在zero span模式下設置觸發(fā)觀(guān)測射頻信號的包絡(luò )。但是這種方式有兩個(gè)缺點(diǎn)：

① 以觸發(fā)位置為時(shí)間參考點(diǎn)，而PLL在觸發(fā)時(shí)刻之前已經(jīng)開(kāi)始工作，無(wú)法準確標定鎖定時(shí)間；

② 由于這種方法是從包絡(luò )上判定是否鎖定完成，測試誤差會(huì )很大。因為信號的包絡(luò )與頻譜儀設置的RBW關(guān)系很大，存在這樣的情況——即使頻率沒(méi)有完全鎖定，但是信號依然可以完全通過(guò)RBW filter，從而得到正常的包絡(luò )信號。此時(shí)，標定的鎖定時(shí)間會(huì )偏小，而不能正確反映PLL的性能。

使用Spectrum View的瞬態(tài)分析功能可以輕而易舉地解決這個(gè)問(wèn)題，測試連接如圖6所示，待測PLL電路除了將射頻輸出連接至示波器之外，同時(shí)提供一路同步觸發(fā)信號，以此作為時(shí)間基準。在瞬態(tài)分析模式下，調出Frequency_vs_Time波形，當頻率鎖定后，接近一條直線(xiàn)，觀(guān)測在哪個(gè)時(shí)刻頻率鎖定成功 (比如，定義頻率誤差在標稱(chēng)頻率的±5%以?xún)燃凑J為鎖定成功)，從而準確測試鎖定時(shí)間。

圖6. PLL頻率鎖定時(shí)間測試連接示意圖

圖7. PLL頻率鎖定時(shí)間實(shí)測結果

(3) 射頻開(kāi)關(guān)切換時(shí)間測試

作為射頻電路中常用的器件，開(kāi)關(guān)通常用于多個(gè)射頻鏈路之間的切換，從而實(shí)現分時(shí)工作。比如智能手機基本都支持多種無(wú)線(xiàn)通信制式，各種制式之間的切換就是通過(guò)射頻前端的開(kāi)關(guān)實(shí)現的。這類(lèi)射頻開(kāi)關(guān)為單刀多擲開(kāi)關(guān)，通常除了關(guān)注開(kāi)關(guān)的插損、隔離度、駐波比等參數外，還要關(guān)注開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間，以保證各個(gè)鏈路之間嚴格的時(shí)序關(guān)系。

如何測試開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間呢？圖8給出了測試連接示意圖，示波器是整個(gè)測試的核心設備，此外還需要一臺信號源，用于給開(kāi)關(guān)提供射頻激勵信號。測試過(guò)程中，信號源提供CW信號饋入開(kāi)關(guān)，控制電路在控制開(kāi)關(guān)切換的同時(shí)，也給示波器提供一路觸發(fā)信號作為時(shí)間參考。為了準確測試切換時(shí)間，需要得到開(kāi)關(guān)輸出的射頻信號的包絡(luò )，在示波器側通過(guò)比較外觸發(fā)信號與包絡(luò )信號之間的延遲，便可以確定切換時(shí)間。

示波器通常借助于外部的包絡(luò )檢波器測試信號包絡(luò )，但是這會(huì )引入額外的時(shí)延，從而影響測試精度。相比之下，Spectrum View可以直接顯示射頻信號包絡(luò ) (Magnitude_vs_Time)，測試更準確、應用更方便。

圖8. 射頻開(kāi)關(guān)切換時(shí)間測試連接示意圖

 (4) 脈沖調制器上升時(shí)間測試

脈沖調制器是脈沖體制雷達系統中的關(guān)鍵部件，可經(jīng)外部控制產(chǎn)生具有快速上升/下降沿及高開(kāi)關(guān)比的射頻脈沖信號。脈沖調制器往往采用單刀單擲射頻開(kāi)關(guān)實(shí)現，其決定了能夠產(chǎn)生的射頻脈沖的上升/下降時(shí)間及開(kāi)關(guān)比。實(shí)際應用中，往往希望能夠產(chǎn)生邊沿盡量快的射頻脈沖，這樣才能夠生成更窄的脈沖，提高距離分辨率。

值得一提的是，雖然射頻開(kāi)關(guān)可以當做脈沖調制器，但是其上升時(shí)間并不是前面介紹的切換時(shí)間。開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間受限于其控制電路的響應時(shí)間，而上升時(shí)間則取決于開(kāi)關(guān)支持的帶寬。

脈沖調制器上升時(shí)間測試連接如圖4所示，系統需要提供射頻CW信號和用于控制調制器的基帶脈沖信號。為了能夠準確測試上升時(shí)間，推薦使用一臺任意波信號發(fā)生器 (AWG) 產(chǎn)生基帶脈沖信號，因為AWG的帶寬足夠大，所產(chǎn)生的脈沖信號上升時(shí)間遠遠小于脈沖調制器的上升時(shí)間。

CW信號經(jīng)過(guò)脈沖調制器轉換為射頻脈沖信號，然后饋入示波器進(jìn)行測試。在 Spectrum View 模式下，直接調出“Magnitude_vs_Time”，使用示波器的自動(dòng)測量功能便可以精確測出10%~90%或者20%~80%的上升時(shí)間。

圖9. 脈沖調制器上升時(shí)間測試連接示意圖

 (5) RF module絕對時(shí)延測試

在一些相參多通道應用場(chǎng)合，為了保證各通道之間的時(shí)間同步性，對通道上射頻模塊 / 部件的絕對時(shí)延提出了較高要求，比如功率放大器 、上下變頻器、模擬IQ調制器等，因此需要對這些模塊的絕對時(shí)延進(jìn)行標定。

眾所周知，矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀具有測試群時(shí)延 (Group delay) 的功能，但是群時(shí)延并不是絕對時(shí)延。只有當相頻特性呈現理想線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，群時(shí)延才是絕對時(shí)延。顯然，這種理想器件是不存在的。而且實(shí)際測試中除了關(guān)注絕對時(shí)延，可能還會(huì )涉及到射頻脈沖信號經(jīng)過(guò)這類(lèi)器件后的上升/下降時(shí)間等參數測試，因此，示波器是這類(lèi)測試的理想選擇。

絕對時(shí)延測試過(guò)程中，系統給待測件饋入一個(gè)射頻脈沖信號，同時(shí)輸出一路同步觸發(fā)信號作為時(shí)間參考，在Spectrum View模式下調出脈沖信號的包絡(luò )后，使用示波器的自動(dòng)測量功能便可以確定絕對時(shí)延。對于高帶寬應用場(chǎng)合，通道所采用的也都是寬帶射頻模塊，為了能夠測試這種場(chǎng)合下的參數，建議測試時(shí)也采用寬帶信號，圖10便采用了泰克公司的任意波信號發(fā)生器提供高帶寬的線(xiàn)性調頻脈沖信號。

圖10. 射頻模塊絕對時(shí)延測試連接示意圖

模擬IQ調制器的絕對時(shí)延測試，與上述測試方法類(lèi)似，只是需要給待測件提供模擬I信號和Q信號，測試連接如圖11所示。為了準確測試時(shí)延，依然采用射頻脈沖信號。最簡(jiǎn)單的射頻脈沖在脈內是恒定的載波，對應的基帶IQ信號只有I路有信號，Q路信號為0。測試時(shí)建議采用線(xiàn)性調頻脈沖信號，I和Q路均有信號，可以使得調制器的I和Q兩個(gè)支路分別工作起來(lái)，以模擬其真實(shí)工作狀態(tài)。

與功率放大器等射頻模塊的絕對時(shí)延測試類(lèi)似，模擬IQ調制器的時(shí)延測試也需要時(shí)間基準信號，由圖11中所示的任意波信號發(fā)生器提供。Spectrum View測出射頻脈沖信號的包絡(luò )后，使用自動(dòng)測量功能便可以測出包絡(luò )信號與基準信號之間的時(shí)間差，從而精確標定絕對時(shí)延，圖12給出了模擬IQ調制器時(shí)延的實(shí)測結果。

圖11. 模擬IQ調制器絕對時(shí)延測試連接示意圖

圖12. 模擬IQ調制器絕對時(shí)延實(shí)測結果

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