性能频谱分析仪的时域测量技术及其应用何梅（桂林电子工业学

A0f性能频谱分析仪的时域测量技术及其应用何梅（桂林电子工业学院541004）摘要：本文分析了高性能频谱分析仪的时域测量功能的原理，并给出其时域测量功能在调幅（AM）、调频（FM）、脉冲调制测试中的应用。比起通用的示波器，这种测量有其独特之处，它更好的表征信号的部分调制域特性。关键字：高性能频谱分析仪;E4440;时域测量TheTechnologyandApplicationofTimeDomainMeasurementofHighPerformanceSpectrumAnalyzerHeMei(ElectronicEngineeringDepartment,GuilinUniversityofElectronicTechnology)Abstract:ThispaperanalyzestheprincipleoftimedomainmeasurementfunctionofhighperformancespectrumanalyzeranditsuseinAmplitudemodulation(AM),Frequencymodulation(FM)andpulsemodulationtest.Comparedwithusualoscillograph,thismeasurementfunctionhasitsownadvantages.Itexpressessomecharacterofsignalwellinmodulationdomain.KeyWords:highperformancespectrumanalyzer;E4440;timedomainmeasurement0引言随着信号处理和DSP技术的不断发展，频谱分析仪的功能越来越强大。不仅仅在显示的频率范围和可操作性上有了长足的发展，而且测试的精度进一步提高和测试的功能越来越多。频谱分析仪发展到今天，不仅在频域测试中独领风骚，而且还具有一定的时域、调制域测试功能。本文阐述了高性能频谱分析仪的时域测量功能的原理，以安捷伦的E4440高性能频谱分析仪为例，给出了高性能频谱分析仪时域测量功能在调幅、调频、脉冲调制测试中的应用。比起通用的使用示波器进行的时域测量，这种测量方式更好的表征了调制信号的某些调制特性。1高性能频谱分析仪时域测量原理中频滤波器输入混频器检波器扫描控制器LOLCD显示图1扫频式频谱分析仪原理框图总的来说，高性能频谱分析仪的时域测量功能相当于一个窄带通信接收机，它能显示在以中心频率为中心的带内频率的时域波形。这个功能仅仅是使得频谱分析仪的SPAN（跨度）设置为0Hz，从原理上来说只是频谱分析仪的一个小小的扩展应用。我们从频谱分析仪的原理图来说明这个测试的理论依据。如图1所示，这是扫频式频谱分析仪的原理框图。当SPAN(跨度为0Hz)的时候，扫描控制器的控制信号不再是锯齿波，而变成一条水平线。我们知道，扫描控制器控制LCD显示轴的X轴，当它从水平线上扫的时候，x轴显示的就为时间了。另一方面，扫描控制器变成一条水平线的时候，LO的输出稳定，混频器后的输出信号经过一个通带为分辨力带宽的带通滤波器后，然后通过包络检波器检出信号的包络，控制LCD垂直轴显示信号幅度。这里有几点要说明的：第一，已调信号和LO信号进行谐波混频后，将有用信号频移到了3.6MHz的中频上，然后通过一个中心频率为3.6MHz的中频滤波器滤出有用信号，再通过检波器让信号的幅值作为显示在相对频率（当SPAN为0Hz的时候，就是相对时间）的位置。最终在LCD显示上显示的是已调信号的包络，它已经滤去已调信号的载波。第二，中频滤波器在时域测量的时候，必须尽可能的加大它的分辨力带宽，这样能保证信号的完整性。2高性能频谱分析仪时域测量功能的应用高性能的频谱分析仪，如安捷伦公司的E444X系列，都具有时域测量功能。这里，我们以安捷伦的高性能频谱分析仪E4440为例，说明它在AM、FM、脉冲调制信号的测试中应用。当频谱分析仪在ZeroSpan（跨度为0Hz）状态的时候，这时频谱分析仪为时域分析工作方式，等同于工作在中心频率，带宽为分辨力带宽（RBW）的接收机，它可以显示信号的包络波形，实现AM信号的解调。下面的三种应用都是源于这种时域测量功能。2.1时域测量功能在AM信号测试中的应用使用频谱分析仪的时域测量功能可以获取已调AM信号解调的波形，AM信号的调制度和AM信号的调制频率。测试条件:使用信号源发出一个AM信号，调制波可以是正弦波、方波、锯齿波等等。这里使用Agilent的E4438分别发出三个载波频率为1GHz、幅度为－10dbm，调制波为10kHz的正弦波、三角波、方波，调制幅度50％的信号。然后，使用频谱仪观察信号源的输出波形，并设置频谱仪：使得它的SPAN（跨度）为0Hz，中心频率为1GHz，幅度参考为－10dbm，视频带宽VBW、分辨力带宽RBW为3MHz（分辨力带宽尽量设大点，E4440的最大分辨力带宽为8MHz），垂直轴为线性方式显示。图2调制信号为正弦波的AM波的时域波形图图3调制信号为方波的AM波图4调制信号为锯齿波的AM波测试结果分析：图2、3、4分别为调制波为正弦波、方波和锯齿波时候的频谱分析仪的时域测量波形。由于频谱分析仪的时域测量功能显示的是信号的包络，而AM信号可以通过包络检波，所以时域测量波形直接是解调后的波形。通过观察，基本上，解调后的波形和输入的调制波波形一致。我们来看看如何测量调幅波的调制频率和调制指数。调制频率是被解调波形的频率，测试这三个波形的周期就可以获得调制频率，从图上来看，标记1和1R之间（△Mkr1）测得的数据就是频率。由于我们获得的是包络，那根据调幅波的时域特征，测得2和2R之间（△Mkr2）的比值就可以计算调制指数。计算公式如下：fmod=1/Tm＝minmaxminmaxEEEE＝maxmin/1maxmin/1EEEE图2、3、4的测试数据如下调制波波形正弦波方波锯齿波参考调制频率（KHz）101010参考调制指数（％）505050周期（us）100100100Emin/Emax（%）34.4534.0437.84调制频率fmod（KHz）101010m（％）48.7549.2145.10表1AM波时域测量数据从表1来看，调制频率测量基本上非常准确。在实际做实验的时域，由于频谱分析仪是数字化的仪器，在整个波形中，每两个相邻峰值之间测得的周期有时候会有很小的误差，如果要获得更科学的值，可以通过测量多个脉冲之间的时间，然后除以周期数，得到一个相对精度较高的测试值。这里仅仅想描述一下测试功能，这一方面就不多描述了。我们来看，调制指数的结果就不是很好了，方波和正弦波的调制指数结果还比较准确，只有锯齿波（Ramp）的测量误差比较大。我们来分析一下原因，Ramp是锯齿波，它在最大最小值之间突变的时候，由于仪器并未完全跟上它的突变，或者它的最小点没有被采样到，这样导致它的调制指数变小。对于这种情况，进行下面的实验来说明调制指数测量误差存在的原因。（2）对于Ramp调幅信号进行调制指数测量误差分析锯齿波调制频率(KHz)0.1151020maxminEE34.1333.2934.6537.8444.76m49.1050.0548.5345.1038.15从数据上我们可以看出，在调制频率低于5kHz的时候，调制指数测量的值基本上是准确的。而当频率越高的时候，采样频率对最小点处的值采样点数减少，直接导致m的测量值在大于5MHz后误差增大。2.2使用时域测量功能可以区分AM、窄带FM信号单从频谱上，我们无法区分AM、窄带FM信号的，但我们可以用时域测量功能来区分AM、窄带FM信号。如应用1所描述的，在时域测量情况下，AM调制信号测量结果是它的解调信号，而FM是恒包络信号，在时域测量情况下，就成了一条直线。测试条件：AM、FM信号的载波频率为1GHz、幅度为－10dBm。AM信号的调制度为50％，调制波速率为10kHz。FM的频率偏移为5KHz，调制波速率为10KHz。图5AM波的频谱图图6FM波的频谱图图7FM波的时域测量波形测试结果分析：图7和图8分别为AM、FM信号的频谱图，它们在频域上基本相同，从频域上我们无法区分这两个信号。而图2和图10是频谱分析仪时域测量时获得的波形，由于FM是恒包络信号，而AM信号的包络就是它的调制波形，这样我们就很容易的区分AM、FM波。2.3使用时域测量功能测量脉冲调制信号调幅信号是单一信号，它产生一对对称的分布于载波两旁的边带。一个脉冲由无数谐波组成，每一谐波产生一对调幅边带。脉冲调制从本质上来说也是AM调制的一种。所以说，脉冲调制也可以通过包络检波获得它的调制波波形。测试条件：信号源设置为载波为1GHz、－10dBm；脉冲调制波参数为脉宽为20us，脉冲重复周期为80us。测试结果：如图8所示，脉冲周期为80us，脉冲宽度τ＝18.67us，脉冲宽度测试结果有一定误差。我们可以根据测得的脉冲宽度值和载波信息，计算获得脉冲调制信号峰值功率。计算公式是：脉冲调制信号峰值功率＝脉冲频谱载波功率－20lg（τ/T）在这里，脉冲调制峰值功率＝-10dbm－20lg（18.67/80）=-2.63dbm图8时域测量下的脉冲调制波形3在时域测量中需要注意的几点1)在中心频率测量频谱的条件下，调整SPAN为0Hz，使得频谱分析仪工作在时域测量状态。2)设置最宽的分辨力带宽（ResolutionBandwidth）,这样可以包含所有的频谱分量。3)设置最宽的视频带宽（VisualBandwidth），这样可以防止平均。4)垂直轴用线性方式显示。5)在测量方波的调制指数的时候，一定要选方波平稳部分的点，这样可以提高测试的准确度。6)调整扫描时间（sweep）来获得最佳的测量波形。7)在调幅测量中，调制速率较小的时候频谱仪测得的调制指数准确度高，这是由于能够获取足够的采样点数。8)如果载波频率低于20MHz，则应该使用DC耦合，如果使用AC耦合，低频端的数据幅度误差会很大，会导致错误的测试结果。这个，可能不同的频谱分析仪会有不同的范围，可参考仪器手册。4结论本文通过对频谱分析仪测量原理阐述了时域测量的理论依据，然后分别给出了时域测量在调幅、调频、脉冲调制信号测量中的应用。重点给出了时域测量AM信号的应用，后两者的应用与其有一定的相似性。频谱分析仪的时域测量功能有一定的局限性，并不是所有调制信号可以用的。在可测的调制信号中，也有由于其结构的局限性而导致的测量误差的增大。但不可否认的是，时域测量功能扩展了频谱分析仪测量的领域。参考文献[1]AgilentTechnologies:AgilentPSA系列高性能频谱分析仪[2]AgilentTechnologies:AgilentPSG+ESG系列高性能信号源