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，不僅實現(xiàn)了4通道同時打開時25GS/s的高采樣率，而且實現(xiàn)了硬件12-bit高垂直分辨率。同時，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，實測的本底噪聲RSM值只有58uV，遠遠低于市場同類示波器。這些特性都是MSO64頻譜模式——Spectrum View獲得高動態(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，因此通常將其稱為信號的瞬態(tài)過程分析。典型的信號瞬態(tài)過程分析應用場景包括：脈沖信號包絡及脈內(nèi)調(diào)制分析、跳頻信號分析、PLL頻率鎖定時間測試、RF開關(guān)切換時間測試、脈沖調(diào)制器上升時間測試、RF Module及模擬IQ調(diào)制器絕對時延測試等。本文將重點介紹瞬態(tài)分析功能在脈沖、跳頻及PLL頻率鎖定時間測試中的應用。

圖1. MSO64采用全新TEK049平臺和超低噪聲前端TEK061

瞬態(tài)過程分析基礎

信號的瞬態(tài)過程分析，實際就是信號的三要素——幅度、頻率和相位隨時間的變化過程分析，不同的信號關(guān)注的參數(shù)不同，比如跳頻信號尤為關(guān)注頻率的變化規(guī)律，脈沖信號比較關(guān)注信號包絡及其時間參數(shù)等。但無論關(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)對原始采樣點處理，可以得到信號的數(shù)字IQ數(shù)據(jù)，信號幅度、頻率和相位特征均包含于IQ數(shù)據(jù)中。每一組IQ樣點對應的幅度、頻率和相位時，便可以得到它們隨時間的變化趨勢，從而完成信號瞬態(tài)過程的分析。

圖2. 數(shù)字下變頻后得到IQ數(shù)據(jù)

瞬態(tài)過程分析應用場景

(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/下降時間、脈寬及周期等時間參數(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的包絡后，才能更加方便地進行這些參數(shù)的測試。過去通常使用一個外部包絡檢波器，提取包絡后再使用示波器測試。采用 Spectrum View 的瞬態(tài)分析功能，無需任何外部附件，即可輕松得到信號的包絡，圖3所示的“C1-M”曲線即為包絡。

值得一提的是，示波器的自動測量功能也可以應用于時域包絡，從而自動完成脈沖信號時間參數(shù)及功率參數(shù)的測試，而不再需要使用光標測試，從而提高了測試精度?，F(xiàn)代雷達越來越多的采用脈沖壓縮技術(shù)，以保證探測距離的同時，提高距離分辨率，其中以線性調(diào)頻脈沖(chirp pulse)多見。線性調(diào)頻脈沖信號的測試，除了要觀測上述的時間和功率參數(shù)，還要對脈內(nèi)的頻率調(diào)制作解調(diào)分析，以檢驗 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，并支持測試結(jié)果的保存，以作進一步的分析。

圖3. RF Chirp Pulse的頻譜、波形、包絡、頻率及相位曲線

類似地， Spectrum View 還可以應用于跳頻信號的分析，觀測的依然是頻率解調(diào)曲線。得到跳頻圖案后，可以進一步分析每個頻點的 駐留時間 以及 相鄰頻點 之間的切換時間等參數(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頻率鎖定時間測試

基于PLL技術(shù)的頻率綜合器應用極其廣泛，無論是通信還是雷達系統(tǒng)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(wěn)定度，相噪性能非常優(yōu)異，這些都是保證通信和雷達系統(tǒng)性能的重要因素。PLL是一個負反饋控制系統(tǒng)，圖5給出了簡要架構(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頻綜開發(fā)工程師必須要折中考慮的兩個參數(shù)，因此在調(diào)試階段也是必測的兩個參數(shù)。

圖5. PLL頻率綜合器架構(gòu)示意圖

對于鎖定時間的測試，傳統(tǒng)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)觀測射頻信號的包絡。但是這種方式有兩個缺點：

① 以觸發(fā)位置為時間參考點，而PLL在觸發(fā)時刻之前已經(jīng)開始工作，無法準確標定鎖定時間；

② 由于這種方法是從包絡上判定是否鎖定完成，測試誤差會很大。因為信號的包絡與頻譜儀設置的RBW關(guān)系很大，存在這樣的情況——即使頻率沒有完全鎖定，但是信號依然可以完全通過RBW filter，從而得到正常的包絡信號。此時，標定的鎖定時間會偏小，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問題，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，同時提供一路同步觸發(fā)信號，以此作為時間基準。在瞬態(tài)分析模式下，調(diào)出Frequency_vs_Time波形，當頻率鎖定后，接近一條直線，觀測在哪個時刻頻率鎖定成功 (比如，定義頻率誤差在標稱頻率的±5%以內(nèi)即認為鎖定成功)，從而準確測試鎖定時間。

圖6. PLL頻率鎖定時間測試連接示意圖

圖7. PLL頻率鎖定時間實測結(jié)果

(3) 射頻開關(guān)切換時間測試

作為射頻電路中常用的器件，開關(guān)通常用于多個射頻鏈路之間的切換，從而實現(xiàn)分時工作。比如智能手機基本都支持多種無線通信制式，各種制式之間的切換就是通過射頻前端的開關(guān)實現(xiàn)的。這類射頻開關(guān)為單刀多擲開關(guān)，通常除了關(guān)注開關(guān)的插損、隔離度、駐波比等參數(shù)外，還要關(guān)注開關(guān)的切換時間，以保證各個鏈路之間嚴格的時序關(guān)系。

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

示波器通常借助于外部的包絡檢波器測試信號包絡，但是這會引入額外的時延，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 (Magnitude_vs_Time)，測試更準確、應用更方便。

圖8. 射頻開關(guān)切換時間測試連接示意圖

 (4) 脈沖調(diào)制器上升時間測試

脈沖調(diào)制器是脈沖體制雷達系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，可經(jīng)外部控制產(chǎn)生具有快速上升/下降沿及高開關(guān)比的射頻脈沖信號。脈沖調(diào)制器往往采用單刀單擲射頻開關(guān)實現(xiàn)，其決定了能夠產(chǎn)生的射頻脈沖的上升/下降時間及開關(guān)比。實際應用中，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，雖然射頻開關(guān)可以當做脈沖調(diào)制器，但是其上升時間并不是前面介紹的切換時間。開關(guān)的切換時間受限于其控制電路的響應時間，而上升時間則取決于開關(guān)支持的帶寬。

脈沖調(diào)制器上升時間測試連接如圖4所示，系統(tǒng)需要提供射頻CW信號和用于控制調(diào)制器的基帶脈沖信號。為了能夠準確測試上升時間，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間遠遠小于脈沖調(diào)制器的上升時間。

CW信號經(jīng)過脈沖調(diào)制器轉(zhuǎn)換為射頻脈沖信號，然后饋入示波器進行測試。在 Spectrum View 模式下，直接調(diào)出“Magnitude_vs_Time”，使用示波器的自動測量功能便可以精確測出10%~90%或者20%~80%的上升時間。

圖9. 脈沖調(diào)制器上升時間測試連接示意圖

 (5) RF module絕對時延測試

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

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

絕對時延測試過程中，系統(tǒng)給待測件饋入一個射頻脈沖信號，同時輸出一路同步觸發(fā)信號作為時間參考，在Spectrum View模式下調(diào)出脈沖信號的包絡后，使用示波器的自動測量功能便可以確定絕對時延。對于高帶寬應用場合，通道所采用的也都是寬帶射頻模塊，為了能夠測試這種場合下的參數(shù)，建議測試時也采用寬帶信號，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性調(diào)頻脈沖信號。

圖10. 射頻模塊絕對時延測試連接示意圖

模擬IQ調(diào)制器的絕對時延測試，與上述測試方法類似，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。為了準確測試時延，依然采用射頻脈沖信號。最簡單的射頻脈沖在脈內(nèi)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。測試時建議采用線性調(diào)頻脈沖信號，I和Q路均有信號，可以使得調(diào)制器的I和Q兩個支路分別工作起來，以模擬其真實工作狀態(tài)。

與功率放大器等射頻模塊的絕對時延測試類似，模擬IQ調(diào)制器的時延測試也需要時間基準信號，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后，使用自動測量功能便可以測出包絡信號與基準信號之間的時間差，從而精確標定絕對時延，圖12給出了模擬IQ調(diào)制器時延的實測結(jié)果。

圖11. 模擬IQ調(diào)制器絕對時延測試連接示意圖

圖12. 模擬IQ調(diào)制器絕對時延實測結(jié)果

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