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

1、.：.；性能频谱分析仪的时域丈量技术及其运用何 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丈量功能的原理，并给出其时域丈量功能在调幅AM、调频FM、脉冲调制测试中的运用。比起通用的示波器，这种丈量有其独特之处，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; 时域丈量The Technology and Application of Time Domain Measurement of High Performance Spectrum AnalyzerHe Mei(Electronic Engineering Department, Gu

2、ilin University of Electronic Technology)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 measureme

3、nt function has its own advantages. It expresses some character of signal well in modulation domain.Key Words: high performance spectrum analyzer; E4440; time domain measurement0 引言 随着信号处置和DSP技术的不断开展，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开展，而且测试的精度进一步提高和测试的功能越来越多。频谱分析仪开展到今天，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

4、测试功能。本文论述了高性能频谱分析仪的时域丈量功能的原理，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丈量功能在调幅、调频、脉冲调制测试中的运用。比起通用的运用示波器进展的时域丈量，这种丈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丈量原理A0 f 中频滤波器输入 混频器 检波器 扫描控制器 LO LCD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丈量功能相当于一个窄带通讯接纳机，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运

5、用。我们从频谱分析仪的原理图来阐明这个测试的实际根据。 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，而变成一条程度线。我们知道，扫描控制器控制LCD显示轴的X轴，当它从程度线上扫的时候，x轴显示的就为时间了。另一方面，扫描控制器变成一条程度线的时候，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，然后经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。这里有几点要阐明的：第一，已调信号和LO信号进展谐波混频后，将有用信号频移到了3.6MHz的中频上，然后经过一个中心频率为3.6MHz的中频滤波

6、器滤出有用信号，再经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，它曾经滤去已调信号的载波。第二，中频滤波器在时域丈量的时候，必需尽能够的加大它的分辨力带宽，这样能保证信号的完好性。2 高性能频谱分析仪时域丈量功能的运用高性能的频谱分析仪，如安捷伦公司的E444X系列，都具有时域丈量功能。这里，我们以安捷伦的高性能频谱分析仪E4440为例，阐明它在AM、FM、脉冲调制信号的测试中运用。当频谱分析仪在Zero Span跨度为0Hz形状的时候，这时频谱分析仪为时域分析任务方式，等同于任务在中心频率，带宽为分辨力带宽RB

7、W的接纳机，它可以显示信号的包络波形，实现AM信号的解调。下面的三种运用都是源于这种时域丈量功能。2.1 时域丈量功能在AM信号测试中的运用运用频谱分析仪的时域丈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: 运用信号源发出一个AM信号，调制波可以是正弦波、方波、锯齿波等等。这里运用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，运用频谱仪察看信号源的输出波形，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

8、、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丈量波形。由于频谱分析仪的时域丈量功能显示的是信号的包络，而AM信号可以经过包络检波，所以时域丈量波形直接是解调后的波形。经过察看，根本上，解调后的波形和输入的调制波波形一致。我们来看看如何丈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，标志1

9、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KHz101010参考调制指数505050周期us100100100Emin/Emax%34.4534.0437.84调制频率fmodKHz101010m48.7549.2145.10 表1 AM波时域丈量数据从表1来看，调制频率丈量根本上非常准确。在实践做实验的时域，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，假设要

10、获得更科学的值，可以经过丈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。这里仅仅想描画一下测试功能，这一方面就不多描画了。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，只需锯齿波Ramp的丈量误差比较大。我们来分析一下缘由， 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，进展下面的实验来阐明调制指数丈量误差存在的缘由。2对于Ramp调幅信号进展调制指数丈量误差分析锯齿波调制频率(KHz)0.115102034.1333.2934.6537.84

11、44.76m49.1050.0548.5345.1038.15从数据上我们可以看出，在调制频率低于5kHz的时候，调制指数丈量的值根本上是准确的。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的丈量值在大于5MHz后误差增大。运用时域丈量功能可以区分AM、窄带FM信号单从频谱上，我们无法区分AM、窄带FM信号的，但我们可以用时域丈量功能来区分AM、窄带FM信号。如运用1所描画的，在时域丈量情况下，AM调制信号丈量结果是它的解调信号，而FM是恒包络信号，在时域丈量情况下，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

12、制波速率为10kHz。FM的频率偏移为5KHz，调制波速率为10KHz。图5 AM波的频谱图图6 FM波的频谱图图7 FM波的时域丈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，它们在频域上根本一样，从频域上我们无法区分这两个信号。而图2和图10是频谱分析仪时域丈量时获得的波形，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。运用时域丈量功能丈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，脉冲调制也可以经过包络检波

13、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，脉冲反复周期为80us。测试结果：如图8所示，脉冲周期为80us，脉冲宽度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/T在这里，脉冲调制峰值功率-10dbm20lg18.67/80=-2.63dbm图8 时域丈量下的脉冲调制波形3 在时域丈量中需求留意的几点在中心频率丈量频谱的条件下，调整SPAN为0Hz，使得频谱分析仪任务在时域丈量形状。设置最宽的分辨力带宽Reso

14、lution Bandwidth,这样可以包含一切的频谱分量。设置最宽的视频带宽Visual Bandwidth，这样可以防止平均。垂直轴用线性方式显示。在丈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。调整扫描时间sweep来获得最正确的丈量波形。在调幅丈量中，调制速率较小的时候频谱仪测得的调制指数准确度高，这是由于可以获取足够的采样点数。假设载波频率低于20MHz，那么应该运用DC耦合，假设运用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，能够不同的频谱分析仪会有不同的范围，可参考仪器手册。4 结论本文经过对频谱分析仪丈量原实际述了时域丈量的实际根据，然后分别给出了时域丈量在调幅、调频、脉冲调制信号丈量中的运用。重点