泰克示波器的應(yīng)用之時(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)測的本底噪聲RSM值只有58uV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(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)試過程中，往往需要同時(shí)觀測時(shí)域波形和信號(hào)頻譜，對(duì)于這樣的測試需求，示波器是非常理想的選擇。雖然測試動(dòng)態(tài)不如頻譜儀，但示波器有著自己的優(yōu)勢：

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；

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)探測方式，可以通過標(biāo)準(zhǔn)同軸接口連接，也可以通過配套的電壓、電流探頭靈活探測。

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)，這不僅降低了測量速度，而且也無法觀測時(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、雜散測試：

Spectrum View vs Conventional FFT

圖2測試了一個(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)測試該信號(hào)的頻譜，通過對(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)及頻譜測試

鑒于Spectrum View的這些優(yōu)勢，結(jié)合示波器其它功能，還可以對(duì)射頻脈沖信號(hào)進(jìn)行診斷測試，包括時(shí)域包絡(luò)參數(shù)及信號(hào)頻譜等。圖3測試了一路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)及頻譜測試結(jié)果。測試過程中，還可以靈活調(diào)整Span和RBW以便觀測包絡(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試。在復(fù)雜調(diào)試過程中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)的波形和頻譜監(jiān)測。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試

多域聯(lián)動(dòng)測試

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)作頻譜測試，這使得對(duì)信號(hào)進(jìn)行多域聯(lián)動(dòng)測試成為可能。

下面分別測試了線性調(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)測了一個(gè)chirp pulse，時(shí)域參數(shù)可以使用示波器進(jìn)行測試，頻譜可以在Spectrum View中測試。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，從而改善測試精度。調(diào)頻曲線數(shù)據(jù)也可以保存下來，以便于開發(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)測試，如圖6所示，F(xiàn)requency Time Trend測試了跳頻狀態(tài)序列，可以觀測頻率跳變過程，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，亦可以觀測頻率切換過程中的頻譜變化，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