基于示波器MSO64的時(shí)頻域信號(hào)分析技術(shù)

泰克新一代示波器MSO64為實(shí)例來(lái)講解時(shí)頻域信號(hào)分析技術(shù)。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。

圖1.MSO64采用全新TEK049平臺(tái)和超低噪聲前端TEK061時(shí)頻域同步分析混合信號(hào)調(diào)試過(guò)程中，往往需要同時(shí)觀測(cè)時(shí)域波形和信號(hào)頻譜，對(duì)于這樣的測(cè)試需求，示波器是非常理想的選擇。雖然測(cè)試動(dòng)態(tài)不如頻譜儀，但示波器有著自己的優(yōu)勢(shì)：可以同時(shí)完成波形及頻譜分析，而且二者具有時(shí)間相關(guān)性;支持多個(gè)通道的時(shí)頻域同步分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的多點(diǎn)監(jiān)測(cè);可以分析周期信號(hào)的頻譜，也可以分析非周期信號(hào)的頻譜;可以分析極低頻率(低至DC)信號(hào)的頻譜，這是頻譜儀所不能及的;支持豐富的信號(hào)探測(cè)方式，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)同軸接口連接，也可以通過(guò)配套的電壓、電流探頭靈活探測(cè)。作為一種全新的基于示波器的頻譜分析方法，Spectrum View完美實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的時(shí)域和頻域并行處理。對(duì)于要求高頻率分辨率的應(yīng)用場(chǎng)合，傳統(tǒng)的FFT方式需要增大水平時(shí)基才可以實(shí)現(xiàn)，這不僅降低了測(cè)量速度，而且也無(wú)法觀測(cè)時(shí)域波形的細(xì)節(jié)。Spectrum View支持時(shí)頻域的獨(dú)立設(shè)置，即使在很小的水平時(shí)基設(shè)置下，依然可以獲得很高的頻率分辨率，不僅可以觀測(cè)波形細(xì)節(jié)，同時(shí)具有較高的頻譜刷新率。圖2.諧波、雜散測(cè)試：Spectrum View vs Conventional FFT

圖2測(cè)試了一個(gè)100MHz的CW信號(hào)，捕獲了4個(gè)周期的時(shí)域波形。圖中分別使用Spectrum View和傳統(tǒng)的FFT(Math功能)測(cè)試該信號(hào)的頻譜，通過(guò)對(duì)比可以看出，由于時(shí)域捕獲時(shí)間較短，導(dǎo)致傳統(tǒng)FFT頻譜的分辨率非常低。相反，Spectrum View的頻譜測(cè)試結(jié)果非常好，不僅具有高分辨率，而且底噪也非常低，可以清晰地觀測(cè)信號(hào)本身及其諧波和雜散。與此同時(shí)，由于水平時(shí)基設(shè)置得較小，還可以觀測(cè)到時(shí)域波形的細(xì)節(jié)信息。

圖3.RF Chirp Pulse時(shí)域參數(shù)及頻譜測(cè)試

鑒于Spectrum View的這些優(yōu)勢(shì)，結(jié)合示波器其它功能，還可以對(duì)射頻脈沖信號(hào)進(jìn)行診斷測(cè)試，包括時(shí)域包絡(luò)參數(shù)及信號(hào)頻譜等。圖3測(cè)試了一路200MHz載波的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，脈沖周期5us，脈寬1us，帶寬50 MHz，同時(shí)給出了時(shí)域波形、包絡(luò)及頻譜測(cè)試結(jié)果。測(cè)試過(guò)程中，還可以靈活調(diào)整Span和RBW以便觀測(cè)包絡(luò)譜或者線狀譜，從而對(duì)信號(hào)進(jìn)行更加細(xì)致的分析。多通道頻譜分析示波器具有多個(gè)模擬通道，每個(gè)通道均可以激活Spectrum View功能，因此支持多通道頻譜測(cè)試。在復(fù)雜調(diào)試過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)的波形和頻譜監(jiān)測(cè)。類似于MSO64的多通道時(shí)域波形顯示方式，所激活的頻譜既可以“堆棧(Stacked)”顯示，也可以“重疊(Overlay)”顯示。圖4同時(shí)觀測(cè)了兩個(gè)通道的時(shí)域波形及頻譜，并且采用了重疊顯示，以便于頻譜之間的對(duì)比。Spectrum View支持移動(dòng)Spectrum Time的位置，如圖4標(biāo)記處所示，以觀測(cè)不同時(shí)刻的頻譜。每個(gè)通道Spectrum Time的位置默認(rèn)是聯(lián)動(dòng)的，這保證了各個(gè)通道測(cè)試頻譜的相關(guān)性。當(dāng)取消聯(lián)動(dòng)設(shè)置后，也可以獨(dú)立設(shè)置每個(gè)通道的Spectrum Time位置。所有通道的頻譜共用相同的Span、RBW、FFT Window，這一點(diǎn)與時(shí)域要求多通道間共用采樣率、水平時(shí)基及觸發(fā)類似。盡管如此，各個(gè)通道的中心頻率可以獨(dú)立設(shè)置，默認(rèn)是聯(lián)動(dòng)的，也可以根據(jù)需要設(shè)置為不同值。

圖4.Spectrum View支持多通道波形及頻譜測(cè)試多域聯(lián)動(dòng)測(cè)試

如前文所述，Spectrum View支持滑動(dòng)Spectrum Time的位置，對(duì)不同時(shí)段的信號(hào)作頻譜測(cè)試，這使得對(duì)信號(hào)進(jìn)行多域聯(lián)動(dòng)測(cè)試成為可能。下面分別測(cè)試了線性調(diào)頻脈沖(Chirp Pulse)及跳頻序列信號(hào)(Hopping Signal)，結(jié)合Spectrum View及Frequency Time Trend測(cè)試功能，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)在時(shí)域、頻域和調(diào)制域的聯(lián)動(dòng)測(cè)試。1.Chirp Pulse多域聯(lián)動(dòng)分析線性調(diào)頻作為一種脈沖壓縮技術(shù)，具有非常高的時(shí)間分辨率，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)應(yīng)用中。無(wú)論是線性調(diào)頻脈沖，還是調(diào)頻連續(xù)波，在產(chǎn)品研制階段都需要驗(yàn)證信號(hào)的性能，需要對(duì)信號(hào)的時(shí)域參數(shù)、幅度參數(shù)及調(diào)制域參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

圖5.Chirp Pulse時(shí)域、頻域和調(diào)制域聯(lián)動(dòng)分析

本例實(shí)測(cè)了一個(gè)chirp pulse，時(shí)域參數(shù)可以使用示波器進(jìn)行測(cè)試，頻譜可以在Spectrum View中測(cè)試。Chirp pulse的調(diào)制域參數(shù)——調(diào)頻曲線，則可以使用Frequency Time Trend測(cè)試，而且由調(diào)頻曲線可以推導(dǎo)出chirp rate及linearity。除此之外，F(xiàn)requency Time Trend支持引入低通濾波器，可以濾除調(diào)頻曲線上疊加的寬帶噪聲，從而改善測(cè)試精度。調(diào)頻曲線數(shù)據(jù)也可以保存下來(lái)，以便于開(kāi)發(fā)人員對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行修正處理。

圖6.Hopping Signal時(shí)域、頻域和調(diào)制域聯(lián)動(dòng)

分析2.Hopping Signal多域聯(lián)動(dòng)分析對(duì)于跳頻信號(hào)，也可以對(duì)其完成多域聯(lián)動(dòng)測(cè)試，如圖6所示，F(xiàn)requency Time Trend測(cè)試了跳頻狀態(tài)序列，可以觀測(cè)頻率跳變過(guò)程，使用Cursor標(biāo)定頻率切換時(shí)間及頻率駐留時(shí)間等。Spectrum Time位于圖6紅色標(biāo)記處，其位置是可以移動(dòng)的，測(cè)試的頻譜就是當(dāng)前位置對(duì)應(yīng)的頻譜。拖動(dòng)Spectrum Time的位置，可以分別對(duì)不同的頻點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，亦可以觀測(cè)頻率切換過(guò)程中的頻譜變化，如圖7所示。

圖7.Hopping Signal時(shí)域、頻域和調(diào)制域聯(lián)動(dòng)

分析結(jié)論本文重點(diǎn)介紹了泰克示波器全新頻譜分析功能Spectrum View的應(yīng)用，相較于專門的頻譜儀及示波器傳統(tǒng)FFT功能，Spectrum View均具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。該功能不僅可以完成普通的頻譜測(cè)試，還可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域波形與頻譜的同步測(cè)試，而且支持多通道的聯(lián)動(dòng)測(cè)試。Spectrum Time位置的可移動(dòng)性，結(jié)合Frequency Time Trend功能，使得示波器具備了多域聯(lián)動(dòng)分析功能。文中通過(guò)對(duì)線性調(diào)頻脈沖及跳頻序列信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了多域聯(lián)動(dòng)分析的可行性。

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審核編輯：湯梓紅