性能頻譜分析儀的時(shí)域測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用  摘要：本文分析了高性能頻譜分析儀的時(shí)域測(cè)量功能的原理，并給出其時(shí)域測(cè)量功能在調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、脈沖調(diào)制測(cè)試中的應(yīng)用。比起通用的示波器，這種測(cè)量有其之處，它更好的表征信號(hào)的部分調(diào)制域特性。 關(guān)鍵字： 高性能頻譜分析儀; E4440; 時(shí)域測(cè)量  The Technology and Application of Time Domain Measurement of High Performance  Spectrum Analyzer  Abstract: This er analyzes the principle of time domain measurement function of high performance spectrum analyzer and its use in Amplitude modulation(AM) Frequency modulation(FM) and pulse modulation test. Compared with usual oscillograph this measurement function has its own advantages. It expresses some character of signal well in modulation domain.  Key Words: high performance spectrum analyzer; E4440; time domain measurement

引言 隨著信號(hào)處理和DSP技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜分析儀的功能越來(lái)越強(qiáng)大。不僅僅在顯示的頻率范圍和可操作性上有了長(zhǎng)足的發(fā)展，而且測(cè)試的精度進(jìn)一步提高和測(cè)試的功能越來(lái)越多。頻譜分析儀發(fā)展到，不僅在頻域測(cè)試中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，而且還具有一定的時(shí)域、調(diào)制域測(cè)試功能。  本文闡述了高性能頻譜分析儀的時(shí)域測(cè)量功能的原理，以安捷倫的E4440高性能頻譜分析儀為例，給出了高性能頻譜分析儀時(shí)域測(cè)量功能在調(diào)幅、調(diào)頻、脈沖調(diào)制測(cè)試中的應(yīng)用。比起通用的使用示波器進(jìn)行的時(shí)域測(cè)量，這種測(cè)量方式更好的表征了調(diào)制信號(hào)的某些調(diào)制特性。

1 高性能頻譜分析儀時(shí)域測(cè)量原理

 圖1掃頻式頻譜分析儀原理框圖 

的來(lái)說(shuō)，高性能頻譜分析儀的時(shí)域測(cè)量功能相當(dāng)于一個(gè)窄帶通信接收機(jī)，它能顯示在以中心頻率為中心的帶內(nèi)頻率的時(shí)域波形。這個(gè)功能僅僅是使得頻譜分析儀的SPAN（跨度）設(shè)置為0Hz，從原理上來(lái)說(shuō)只是頻譜分析儀的一個(gè)小小的擴(kuò)展應(yīng)用。我們從頻譜分析儀的原理圖來(lái)說(shuō)明這個(gè)測(cè)試的理論依據(jù)。      如圖1所示，這是掃頻式頻譜分析儀的原理框圖。當(dāng)SPAN(跨度為0Hz)的時(shí)候，掃描控制器的控制信號(hào)不再是鋸齒波，而變成一條水平線。我們知道，掃描控制器控制LCD顯示軸的X軸，當(dāng)它從水平線上掃的時(shí)候，x軸顯示的就為時(shí)間了。另一方面，掃描控制器變成一條水平線的時(shí)候，LO的輸出穩(wěn)定，混頻器后的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)通帶為分辨力帶寬的帶通濾波器后，然后通過(guò)包絡(luò)檢波器檢出信號(hào)的包絡(luò)，控制LCD垂直軸顯示信號(hào)幅度。這里有幾點(diǎn)要說(shuō)明的：，已調(diào)信號(hào)和LO信號(hào)進(jìn)行諧波混頻后，將有用信號(hào)頻移到了3.6MHz的中頻上，然后通過(guò)一個(gè)中心頻率為3.6MHz的中頻濾波器濾出有用信號(hào)，再通過(guò)檢波器讓信號(hào)的幅值作為顯示在相對(duì)頻率（當(dāng)SPAN為0Hz的時(shí)候，就是相對(duì)時(shí)間）的位置。終在LCD顯示上顯示的是已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)，它已經(jīng)濾去已調(diào)信號(hào)的載波。第二，中頻濾波器在時(shí)域測(cè)量的時(shí)候，必須盡可能的加大它的分辨力帶寬，這樣能保證信號(hào)的完整性。

2 高性能頻譜分析儀時(shí)域測(cè)量功能的應(yīng)用  高性能的頻譜分析儀，如安捷倫公司的E444X系列，都具有時(shí)域測(cè)量功能。這里，我們以安捷倫的高性能頻譜分析儀E4440為例，說(shuō)明它在AM、FM、脈沖調(diào)制信號(hào)的測(cè)試中應(yīng)用。當(dāng)頻譜分析儀在Zero Span（跨度為0Hz）狀態(tài)的時(shí)候，這時(shí)頻譜分析儀為時(shí)域分析工作方式，等同于工作在中心頻率，帶寬為分辨力帶寬（RBW）的接收機(jī)，它可以顯示信號(hào)的包絡(luò)波形，實(shí)現(xiàn)AM信號(hào)的解調(diào)。下面的三種應(yīng)用都是源于這種時(shí)域測(cè)量功能。

2.1 時(shí)域測(cè)量功能在AM信號(hào)測(cè)試中的應(yīng)用  使用頻譜分析儀的時(shí)域測(cè)量功能可以獲取已調(diào)AM信號(hào)解調(diào)的波形，AM信號(hào)的調(diào)制度和AM信號(hào)的調(diào)制頻率。 

測(cè)試條件: 使用信號(hào)源發(fā)出一個(gè)AM信號(hào)，調(diào)制波可以是正弦波、方波、鋸齒波等等。 這里使用Agilent的E4438分別發(fā)出三個(gè)載波頻率為1GHz、幅度為－10dbm，調(diào)制波為10kHz

的正弦波、三角波、方波，調(diào)制幅度50％的信號(hào)。然后，使用頻譜儀觀察信號(hào)源的輸出波形，并設(shè)置頻譜儀：使得它的SPAN（跨度）為0Hz，中心頻率為1GHz，幅度參考為－10dbm，視頻帶寬VBW、分辨力帶寬RBW為3MHz（分辨力帶寬盡量設(shè)大點(diǎn)，E4440的大分辨力帶寬為8MHz），垂直軸為線性方式顯示。

圖2 調(diào)制信號(hào)為正弦波的AM波的時(shí)域波形圖

 圖3 調(diào)制信號(hào)為方波的AM波

    圖4 調(diào)制信號(hào)為鋸齒波的AM波 

測(cè)試結(jié)果分析：圖2、3、4分別為調(diào)制波為正弦波、方波和鋸齒波時(shí)候的頻譜分析儀的時(shí)域測(cè)量波形。由于頻譜分析儀的時(shí)域測(cè)量功能顯示的是信號(hào)的包絡(luò)，而AM信號(hào)可以通過(guò)包絡(luò)檢波，所以時(shí)域測(cè)量波形直接是解調(diào)后的波形。通過(guò)觀察，基本上，解調(diào)后的波形和輸入的調(diào)制波波形一致。我們來(lái)看看如何測(cè)量調(diào)幅波的調(diào)制頻率和調(diào)制指數(shù)。調(diào)制頻率是被解調(diào)波形的頻率，測(cè)試這三個(gè)波形的周期就可以獲得調(diào)制頻率，從圖上來(lái)看，標(biāo)記1和1R之間（△Mkr1）測(cè)得的數(shù)據(jù)就是頻率。由于我們獲得的是包絡(luò)，那根據(jù)調(diào)幅波的時(shí)域特征，測(cè)得2和2R之間（△Mkr2）的比值就可以計(jì)算調(diào)制指數(shù)。

計(jì)算公式如下：

表1  AM波時(shí)域測(cè)量數(shù)據(jù)  從表1來(lái)看，調(diào)制頻率測(cè)量基本上非常準(zhǔn)確。在實(shí)際做實(shí)驗(yàn)的時(shí)域，由于頻譜分析儀是數(shù)字化的儀器，在整個(gè)波形中，每?jī)蓚€(gè)相鄰峰值之間測(cè)得的周期有時(shí)候會(huì)有很小的誤差，如果要獲得更科學(xué)的值，可以通過(guò)測(cè)量多個(gè)脈沖之間的時(shí)間，然后除以周期數(shù)，得到一個(gè)相對(duì)精度較高的測(cè)試值。這里僅僅想描述一下測(cè)試功能，這一方面就不多描述了。我們來(lái)看，調(diào)制指數(shù)的結(jié)果就不是很好了，方波和正弦波的調(diào)制指數(shù)結(jié)果還比較準(zhǔn)確，只有鋸齒波（Ramp）的測(cè)量誤差比較大。我們來(lái)分析一下原因，Ramp是鋸齒波，它在大小值之間突變的時(shí)候，由于儀器并未完全跟上它的突變，或者它的小點(diǎn)沒(méi)有被采樣到，這樣導(dǎo)致它的調(diào)制指數(shù)變小。對(duì)于這種情況，進(jìn)行下面的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明調(diào)制指數(shù)測(cè)量誤差存在的原因。

（2）對(duì)于Ramp調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行調(diào)制指數(shù)測(cè)量誤差分析

  從數(shù)據(jù)上我們可以看出，在調(diào)制頻率低于5kHz的時(shí)候，調(diào)制指數(shù)測(cè)量的值基本上是準(zhǔn)確的。而當(dāng)頻率越高的時(shí)候，采樣頻率對(duì)小點(diǎn)處的值采樣點(diǎn)數(shù)減少，直接導(dǎo)致m的測(cè)量值在大于5MHz后誤差增大。  2.2 使用時(shí)域測(cè)量功能可以區(qū)分AM、窄帶FM信號(hào)  單從頻譜上，我們無(wú)法區(qū)分AM、窄帶FM信號(hào)的，但我們可以用時(shí)域測(cè)量功能來(lái)區(qū)分AM、窄帶FM信號(hào)。如應(yīng)用1所描述的，在時(shí)域測(cè)量情況下，AM調(diào)制信號(hào)測(cè)量結(jié)果是它的解調(diào)信號(hào)，而FM是恒包絡(luò)信號(hào)，在時(shí)域測(cè)量情況下，就成了一條直線。 測(cè)試條件：AM、FM信號(hào)的載波頻率為1GHz、幅度為－10dBm。AM信號(hào)的調(diào)制度為50％，

調(diào)制波速率為10kHz。FM的頻率偏移為5KHz，調(diào)制波速率為10KHz。

 圖5   AM波的頻譜圖

    圖6  FM波的頻譜圖

    圖7  FM波的時(shí)域測(cè)量波形  測(cè)試結(jié)果分析：圖7和圖8分別為AM、FM信號(hào)的頻譜圖，它們?cè)陬l域上基本相同，從頻域上我們無(wú)法區(qū)分這兩個(gè)信號(hào)。而圖2和圖10是頻譜分析儀時(shí)域測(cè)量時(shí)獲得的波形，由于FM是恒包絡(luò)信號(hào)，而AM信號(hào)的包絡(luò)就是它的調(diào)制波形，這樣我們就很容易的區(qū)分AM、FM波。

 2.3 使用時(shí)域測(cè)量功能測(cè)量脈沖調(diào)制信號(hào) 調(diào)幅信號(hào)是單一信號(hào)，它產(chǎn)生一對(duì)對(duì)稱的分布于載波兩旁的邊帶。一個(gè)脈沖由無(wú)數(shù)諧波組成，每一諧波產(chǎn)生一對(duì)調(diào)幅邊帶。脈沖調(diào)制從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)也是AM調(diào)制的一種。所以說(shuō)，脈沖調(diào)制也可以通過(guò)包絡(luò)檢波獲得它的調(diào)制波波形。  測(cè)試條件：信號(hào)源設(shè)置為載波為1GHz、－10dBm；脈沖調(diào)制波參數(shù)為脈寬為20us，脈沖重復(fù)周期為80us。

測(cè)試結(jié)果：如圖8所示，脈沖周期為80us，脈沖寬度τ＝18.67us，脈沖寬度測(cè)試結(jié)果有一定誤差。我們可以根據(jù)測(cè)得的脈沖寬度值和載波信息，計(jì)算獲得脈沖調(diào)制信號(hào)峰值功率。

計(jì)算公式是： 

脈沖調(diào)制信號(hào)峰值功率＝脈沖頻譜載波功率－20lg（τ/T）

 在這里，脈沖調(diào)制峰值功率＝-10dbm－20lg（18.67/80）=-2.63dbm   

圖8 時(shí)域測(cè)量下的脈沖調(diào)制波形 

3 在時(shí)域測(cè)量中需要注意的幾點(diǎn) 

1) 在中心頻率測(cè)量頻譜的條件下，調(diào)整SPAN為0Hz，使得頻譜分析儀工作在時(shí)域測(cè)量狀 態(tài)。 

2) 設(shè)置寬的分辨力帶寬（Resolution Bandwidth）這樣可以包含所有的頻譜分量。

3) 設(shè)置寬的視頻帶寬（Visual Bandwidth），這樣可以防止平均。

4) 垂直軸用線性方式顯示。 

5) 在測(cè)量方波的調(diào)制指數(shù)的時(shí)候，一定要選方波平穩(wěn)部分的點(diǎn)，這樣可以提高測(cè)試的準(zhǔn)確 度。 

6) 調(diào)整掃描時(shí)間（sweep）來(lái)獲得佳的測(cè)量波形。

7) 在調(diào)幅測(cè)量中，調(diào)制速率較小的時(shí)候頻譜儀測(cè)得的調(diào)制指數(shù)準(zhǔn)確度高，這是由于能夠獲 取足夠的采樣點(diǎn)數(shù)。 

8) 如果載波頻率低于20MHz，則應(yīng)該使用DC耦合，如果使用AC耦合，低頻端的數(shù)據(jù) 幅度誤差會(huì)很大，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。這個(gè)，可能不同的頻譜分析儀會(huì)有不同的范圍，可參考儀器手冊(cè)。

 4 結(jié)論  本文通過(guò)對(duì)頻譜分析儀測(cè)量原理闡述了時(shí)域測(cè)量的理論依據(jù)，然后分別給出了時(shí)域測(cè)量在調(diào)幅、調(diào)頻、脈沖調(diào)制信號(hào)測(cè)量中的應(yīng)用。重點(diǎn)給出了時(shí)域測(cè)量AM信號(hào)的應(yīng)用，后兩者的應(yīng)用與其有一定的相似性。頻譜分析儀的時(shí)域測(cè)量功能有一定的局限性，并不是所有調(diào)制信號(hào)可以用的。在可測(cè)的調(diào)制信號(hào)中，也有由于其結(jié)構(gòu)的局限性而導(dǎo)致的測(cè)量誤差的增大。但不可否認(rèn)的是，時(shí)域測(cè)量功能擴(kuò)展了頻譜分析儀測(cè)量的領(lǐng)域。