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(tái)，不僅實(shí)現(xiàn)了4通道同時(shí)打開(kāi)時(shí)25GS/s的高采樣率，而且實(shí)現(xiàn)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(cè)的本底噪聲RSM值只有58uV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)有力保證。

近日 Spectrum View 又新增了 RF_vs_Time Waveform 測(cè)試功能，使用該功能可以分析信號(hào)的瞬態(tài)變化過(guò)程，包括信號(hào)幅度、頻率和相位的瞬態(tài)變化趨勢(shì)，因此通常將其稱為信號(hào)的瞬態(tài)過(guò)程分析。典型的信號(hào)瞬態(tài)過(guò)程分析應(yīng)用場(chǎng)景包括：脈沖信號(hào)包絡(luò)及脈內(nèi)調(diào)制分析、跳頻信號(hào)分析、PLL頻率鎖定時(shí)間測(cè)試、RF開(kāi)關(guān)切換時(shí)間測(cè)試、脈沖調(diào)制器上升時(shí)間測(cè)試、RF Module及模擬IQ調(diào)制器絕對(duì)時(shí)延測(cè)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(cè)試中的應(yīng)用。

圖1. MSO64采用全新TEK049平臺(tái)和超低噪聲前端TEK061

瞬態(tài)過(guò)程分析基礎(chǔ)

信號(hào)的瞬態(tài)過(guò)程分析，實(shí)際就是信號(hào)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(hào)關(guān)注的參數(shù)不同，比如跳頻信號(hào)尤為關(guān)注頻率的變化規(guī)律，脈沖信號(hào)比較關(guān)注信號(hào)包絡(luò)及其時(shí)間參數(shù)等。但無(wú)論關(guān)注什么參數(shù)，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(shù)字下變頻)架構(gòu)，經(jīng)對(duì)原始采樣點(diǎn)處理，可以得到信號(hào)的數(shù)字IQ數(shù)據(jù)，信號(hào)幅度、頻率和相位特征均包含于IQ數(shù)據(jù)中。每一組IQ樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(shì)，從而完成信號(hào)瞬態(tài)過(guò)程的分析。

圖2. 數(shù)字下變頻后得到IQ數(shù)據(jù)

瞬態(tài)過(guò)程分析應(yīng)用場(chǎng)景

(1) 脈沖及跳頻信號(hào)測(cè)試

對(duì)于從事射頻脈沖信號(hào)分析測(cè)試的工程師而言，通常都要測(cè)試脈沖的上升/下降時(shí)間、脈寬及周期等時(shí)間參數(shù)，以及脈內(nèi)功率平均值及最大值。只有得到射頻脈沖信號(hào)的包絡(luò)后，才能更加方便地進(jìn)行這些參數(shù)的測(cè)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(cè)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(hào)的包絡(luò)，圖3所示的“C1-M”曲線即為包絡(luò)。

值得一提的是，示波器的自動(dòng)測(cè)量功能也可以應(yīng)用于時(shí)域包絡(luò)，從而自動(dòng)完成脈沖信號(hào)時(shí)間參數(shù)及功率參數(shù)的測(cè)試，而不再需要使用光標(biāo)測(cè)試，從而提高了測(cè)試精度?，F(xiàn)代雷達(dá)越來(lái)越多的采用脈沖壓縮技術(shù)，以保證探測(cè)距離的同時(shí)，提高距離分辨率，其中以線性調(diào)頻脈沖(chirp pulse)多見(jiàn)。線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的測(cè)試，除了要觀測(cè)上述的時(shí)間和功率參數(shù)，還要對(duì)脈內(nèi)的頻率調(diào)制作解調(diào)分析，以檢驗(yàn) 調(diào)頻帶寬 、 調(diào)頻斜率 及 線性度。在 Spectrum View 的瞬態(tài)模式下，可以完成解調(diào)分析，如圖3所示的“C1-f”曲線，并支持測(cè)試結(jié)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

類(lèi)似地， Spectrum View 還可以應(yīng)用于跳頻信號(hào)的分析，觀測(cè)的依然是頻率解調(diào)曲線。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(shù)。

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

(2) PLL頻率鎖定時(shí)間測(cè)試

基于PLL技術(shù)的頻率綜合器應(yīng)用極其廣泛，無(wú)論是通信還是雷達(dá)系統(tǒng)中，PLL頻綜都是必不可少的。因?yàn)镻LL頻綜具有非常高的頻率穩(wěn)定度，相噪性能非常優(yōu)異，這些都是保證通信和雷達(dá)系統(tǒng)性能的重要因素。PLL是一個(gè)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，圖5給出了簡(jiǎn)要架構(gòu)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(hào)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(shù)，因此在調(diào)試階段也是必測(cè)的兩個(gè)參數(shù)。

圖5. PLL頻率綜合器架構(gòu)示意圖

對(duì)于鎖定時(shí)間的測(cè)試，傳統(tǒng)測(cè)試方法是直接將PLL輸出的射頻信號(hào)饋入頻譜儀，然后在zero span模式下設(shè)置觸發(fā)觀測(cè)射頻信號(hào)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(zhǔn)確標(biāo)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(cè)試誤差會(huì)很大。因?yàn)樾盘?hào)的包絡(luò)與頻譜儀設(shè)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(hào)依然可以完全通過(guò)RBW filter，從而得到正常的包絡(luò)信號(hào)。此時(shí)，標(biāo)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(cè)試連接如圖6所示，待測(cè)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(hào)，以此作為時(shí)間基準(zhǔn)。在瞬態(tài)分析模式下，調(diào)出Frequency_vs_Time波形，當(dāng)頻率鎖定后，接近一條直線，觀測(cè)在哪個(gè)時(shí)刻頻率鎖定成功 (比如，定義頻率誤差在標(biāo)稱頻率的±5%以內(nèi)即認(rèn)為鎖定成功)，從而準(zhǔn)確測(cè)試鎖定時(shí)間。

圖6. PLL頻率鎖定時(shí)間測(cè)試連接示意圖

圖7. PLL頻率鎖定時(shí)間實(shí)測(cè)結(jié)果

(3) 射頻開(kāi)關(guān)切換時(shí)間測(cè)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(xiàn)分時(shí)工作。比如智能手機(jī)基本都支持多種無(wú)線通信制式，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(xiàn)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(shù)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(yán)格的時(shí)序關(guān)系。

如何測(cè)試開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間呢？圖8給出了測(cè)試連接示意圖，示波器是整個(gè)測(cè)試的核心設(shè)備，此外還需要一臺(tái)信號(hào)源，用于給開(kāi)關(guān)提供射頻激勵(lì)信號(hào)。測(cè)試過(guò)程中，信號(hào)源提供CW信號(hào)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(hào)作為時(shí)間參考。為了準(zhǔn)確測(cè)試切換時(shí)間，需要得到開(kāi)關(guān)輸出的射頻信號(hào)的包絡(luò)，在示波器側(cè)通過(guò)比較外觸發(fā)信號(hào)與包絡(luò)信號(hào)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(cè)試信號(hào)包絡(luò)，但是這會(huì)引入額外的時(shí)延，從而影響測(cè)試精度。相比之下，Spectrum View可以直接顯示射頻信號(hào)包絡(luò) (Magnitude_vs_Time)，測(cè)試更準(zhǔn)確、應(yīng)用更方便。

圖8. 射頻開(kāi)關(guān)切換時(shí)間測(cè)試連接示意圖

 (4) 脈沖調(diào)制器上升時(shí)間測(cè)試

脈沖調(diào)制器是脈沖體制雷達(dá)系統(tǒng)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(hào)。脈沖調(diào)制器往往采用單刀單擲射頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，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(yīng)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(dāng)做脈沖調(diào)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(yīng)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(diào)制器上升時(shí)間測(cè)試連接如圖4所示，系統(tǒng)需要提供射頻CW信號(hào)和用于控制調(diào)制器的基帶脈沖信號(hào)。為了能夠準(zhǔn)確測(cè)試上升時(shí)間，推薦使用一臺(tái)任意波信號(hào)發(fā)生器 (AWG) 產(chǎn)生基帶脈沖信號(hào)，因?yàn)锳WG的帶寬足夠大，所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)上升時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于脈沖調(diào)制器的上升時(shí)間。

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

圖9. 脈沖調(diào)制器上升時(shí)間測(cè)試連接示意圖

 (5) RF module絕對(duì)時(shí)延測(cè)試

在一些相參多通道應(yīng)用場(chǎng)合，為了保證各通道之間的時(shí)間同步性，對(duì)通道上射頻模塊 / 部件的絕對(duì)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(diào)制器等，因此需要對(duì)這些模塊的絕對(duì)時(shí)延進(jìn)行標(biāo)定。

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

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

圖10. 射頻模塊絕對(duì)時(shí)延測(cè)試連接示意圖

模擬IQ調(diào)制器的絕對(duì)時(shí)延測(cè)試，與上述測(cè)試方法類(lèi)似，只是需要給待測(cè)件提供模擬I信號(hào)和Q信號(hào)，測(cè)試連接如圖11所示。為了準(zhǔn)確測(cè)試時(shí)延，依然采用射頻脈沖信號(hào)。最簡(jiǎn)單的射頻脈沖在脈內(nèi)是恒定的載波，對(duì)應(yīng)的基帶IQ信號(hào)只有I路有信號(hào)，Q路信號(hào)為0。測(cè)試時(shí)建議采用線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，I和Q路均有信號(hào)，可以使得調(diào)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(duì)時(shí)延測(cè)試類(lèi)似，模擬IQ調(diào)制器的時(shí)延測(cè)試也需要時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，由圖11中所示的任意波信號(hào)發(fā)生器提供。Spectrum View測(cè)出射頻脈沖信號(hào)的包絡(luò)后，使用自動(dòng)測(cè)量功能便可以測(cè)出包絡(luò)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)之間的時(shí)間差，從而精確標(biāo)定絕對(duì)時(shí)延，圖12給出了模擬IQ調(diào)制器時(shí)延的實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖11. 模擬IQ調(diào)制器絕對(duì)時(shí)延測(cè)試連接示意圖

圖12. 模擬IQ調(diào)制器絕對(duì)時(shí)延實(shí)測(cè)結(jié)果

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