性能頻譜分析儀的時域測量技術(shù)及其應用 摘要：本文分析了高性能頻譜分析儀的時域測量功能的原理，并給出其時域測量功能在調(diào)幅（am）、調(diào)頻（fm）、脈沖調(diào)制測試中的應用。比起通用的示波器，這種測量有其之處，它更好的表征信號的部分調(diào)制域特性。 關(guān)鍵字： 高性能頻譜分析儀; e4440; 時域測量 the technology and application of time domain measurement of high performance spectrum analyzer abstract: this paper 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 隨著信號處理和dsp技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜分析儀的功能越來越強大。不僅僅在顯示的頻率范圍和可操作性上有了長足的發(fā)展，而且測試的精度進一步提高和測試的功能越來越多。頻譜分析儀發(fā)展到，不僅在頻域測試中，而且還具有一定的時域、調(diào)制域測試功能。 本文闡述了高性能頻譜分析儀的時域測量功能的原理，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域測量功能在調(diào)幅、調(diào)頻、脈沖調(diào)制測試中的應用。比起通用的使用示波器進行的時域測量，這種測量方式更好的表征了調(diào)制信號的某些調(diào)制特性。
1 高性能頻譜分析儀時域測量原理
圖1掃頻式頻譜分析儀原理框圖
的來說，高性能頻譜分析儀的時域測量功能相當于一個窄帶通信接收機，它能顯示在以中心頻率為中心的帶內(nèi)頻率的時域波形。這個功能僅僅是使得頻譜分析儀的span（跨度）設置為0hz，從原理上來說只是頻譜分析儀的一個小小的擴展應用。我們從頻譜分析儀的原理圖來說明這個測試的理論依據(jù)。 如圖1示，這是掃頻式頻譜分析儀的原理框圖。當span(跨度為0hz)的時候，掃描控制器的控制信號不再是鋸齒波，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，當它從水平線上掃的時候，x軸顯示的就為時間了。另一方面，掃描控制器變成一條水平線的時候，lo的輸出穩(wěn)定，混頻器后的輸出信號經(jīng)過一個通帶為分辨力帶寬的帶通濾波器后，然后通過包絡檢波器檢出信號的包絡，控制lcd垂直軸顯示信號幅度。這里有幾點要說明的：，已調(diào)信號和lo信號進行諧波混頻后，將有用信號頻移到了3.6mhz的中頻上，然后通過一個中心頻率為3.6mhz的中頻濾波器濾出有用信號，再通過檢波器讓信號的幅值作為顯示在相對頻率（當span為0hz的時候，就是相對時間）的位置。終在lcd顯示上顯示的是已調(diào)信號的包絡，它已經(jīng)濾去已調(diào)信號的載波。第二，中頻濾波器在時域測量的時候，必須盡可能的加大它的分辨力帶寬，這樣能保證信號的完整性。
2 高性能頻譜分析儀時域測量功能的應用 高性能的頻譜分析儀，如安捷倫公司的e444x系列，都具有時域測量功能。這里，我們以安捷倫的高性能頻譜分析儀e4440為例，說明它在am、fm、脈沖調(diào)制信號的測試中應用。當頻譜分析儀在zero span（跨度為0hz）狀態(tài)的時候，這時頻譜分析儀為時域分析工作方式，等同于工作在中心頻率，帶寬為分辨力帶寬（rbw）的接收機，它可以顯示信號的包絡波形，實現(xiàn)am信號的解調(diào)。下面的三種應用都是源于這種時域測量功能。
2.1 時域測量功能在am信號測試中的應用 使用頻譜分析儀的時域測量功能可以獲取已調(diào)am信號解調(diào)的波形，am信號的調(diào)制度和am信號的調(diào)制頻率。
測試條件: 使用信號源發(fā)出一個am信號，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。然后，使用頻譜儀觀察信號源的輸出波形，并設置頻譜儀：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（分辨力帶寬盡量設大點，e4440的大分辨力帶寬為8mhz），垂直軸為線性方式顯示。
圖2 調(diào)制信號為正弦波的am波的時域波形圖
圖3 調(diào)制信號為方波的am波
圖4 調(diào)制信號為鋸齒波的am波
測試結(jié)果分析：圖2、3、4分別為調(diào)制波為正弦波、方波和鋸齒波時候的頻譜分析儀的時域測量波形。由于頻譜分析儀的時域測量功能顯示的是信號的包絡，而am信號可以通過包絡檢波，以時域測量波形直接是解調(diào)后的波形。通過觀察，基本上，解調(diào)后的波形和輸入的調(diào)制波波形一致。我們來看看如何測量調(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，測試這三個波形的周期就可以獲得調(diào)制頻率，從圖上來看，標記1和1r之間（△mkr1）測得的數(shù)據(jù)就是頻率。由于我們獲得的是包絡，那根據(jù)調(diào)幅波的時域特征，測得2和2r之間（△mkr2）的比值就可以計算調(diào)制指數(shù)。
計算公式如下：
表1 am波時域測量數(shù)據(jù) 從表1來看，調(diào)制頻率測量基本上非常準確。在實際做實驗的時域，由于頻譜分析儀是數(shù)字化的儀器，在整個波形中，每兩個相鄰峰值之間測得的周期有時候會有很小的誤差，如果要獲得更科學的值，可以通過測量多個脈沖之間的時間，然后除以周期數(shù)，得到一個相對精度較高的測試值。這里僅僅想描述一下測試功能，這一方面就不多描述了。我們來看，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)果還比較準確，只有鋸齒波（ramp）的測量誤差比較大。我們來分析一下原因，ramp是鋸齒波，它在大小值之間突變的時候，由于儀器并未跟上它的突變，或者它的小點沒有被采樣到，這樣導致它的調(diào)制指數(shù)變小。對于這種情況，進行下面的實驗來說明調(diào)制指數(shù)測量誤差存在的原因。
（2）對于ramp調(diào)幅信號進行調(diào)制指數(shù)測量誤差分析
從數(shù)據(jù)上我們可以看出，在調(diào)制頻率低于5khz的時候，調(diào)制指數(shù)測量的值基本上是準確的。而當頻率越高的時候，采樣頻率對小點處的值采樣點數(shù)減少，直接導致m的測量值在大于5mhz后誤差增大。 2.2 使用時域測量功能可以區(qū)分am、窄帶fm信號 單從頻譜上，我們無法區(qū)分am、窄帶fm信號的，但我們可以用時域測量功能來區(qū)分am、窄帶fm信號。如應用1描述的，在時域測量情況下，am調(diào)制信號測量結(jié)果是它的解調(diào)信號，而fm是恒包絡信號，在時域測量情況下，就成了一條直線。 測試條件：am、fm信號的載波頻率為1ghz、幅度為－10dbm。am信號的調(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波的時域測量波形 測試結(jié)果分析：圖7和圖8分別為am、fm信號的頻譜圖，它們在頻域上基本相同，從頻域上我們無法區(qū)分這兩個信號。而圖2和圖10是頻譜分析儀時域測量時獲得的波形，由于fm是恒包絡信號，而am信號的包絡就是它的調(diào)制波形，這樣我們就很容易的區(qū)分am、fm波。
2.3 使用時域測量功能測量脈沖調(diào)制信號 調(diào)幅信號是單一信號，它產(chǎn)生一對對稱的分布于載波兩旁的邊帶。一個脈沖由無數(shù)諧波組成，每一諧波產(chǎn)生一對調(diào)幅邊帶。脈沖調(diào)制從本質(zhì)上來說也是am調(diào)制的一種。以說，脈沖調(diào)制也可以通過包絡檢波獲得它的調(diào)制波波形。 測試條件：信號源設置為載波為1ghz、－10dbm；脈沖調(diào)制波參數(shù)為脈寬為20us，脈沖重復周期為80us。
測試結(jié)果：如圖8示，脈沖周期為80us，脈沖寬度τ＝18.67us，脈沖寬度測試結(jié)果有一定誤差。我們可以根據(jù)測得的脈沖寬度值和載波信息，計算獲得脈沖調(diào)制信號峰值功率。
計算公式是：
脈沖調(diào)制信號峰值功率＝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 時域測量下的脈沖調(diào)制波形
3 在時域測量中需要注意的幾點
1) 在中心頻率測量頻譜的條件下，調(diào)整span為0hz，使得頻譜分析儀工作在時域測量狀 態(tài)。
2) 設置寬的分辨力帶寬（resolution bandwidth）這樣可以包含有的頻譜分量。
3) 設置寬的視頻帶寬（visual bandwidth），這樣可以防止平均。
4) 垂直軸用線性方式顯示。
5) 在測量方波的調(diào)制指數(shù)的時候，一定要選方波平穩(wěn)部分的點，這樣可以提高測試的準確 度。
6) 調(diào)整掃描時間（sweep）來獲得佳的測量波形。
7) 在調(diào)幅測量中，調(diào)制速率較小的時候頻譜儀測得的調(diào)制指數(shù)準確度高，這是由于能夠獲 取足夠的采樣點數(shù)。
8) 如果載波頻率低于20mhz，則應該使用dc耦合，如果使用ac耦合，低頻端的數(shù)據(jù) 幅度誤差會很大，會導致錯誤的測試結(jié)果。這個，可能不同的頻譜分析儀會有不同的范圍，可參考儀器手冊。
4 結(jié)論 本文通過對頻譜分析儀測量原理闡述了時域測量的理論依據(jù)，然后分別給出了時域測量在調(diào)幅、調(diào)頻、脈沖調(diào)制信號測量中的應用。重點給出了時域測量am信號的應用，后兩者的應用與其有一定的相似性。頻譜分析儀的時域測量功能有一定的限性，并不是有調(diào)制信號可以用的。在可測的調(diào)制信號中，也有由于其結(jié)構(gòu)的限性而導致的測量誤差的增大。但不可否認的是，時域測量功能擴展了頻譜分析儀測量的領(lǐng)域。