基于泰克MSO64的全新瞬態(tài)分析技術(shù)
泰克新一代示波器MSO64采用全新TEK049平臺,不僅實現(xiàn)了4通道同時打開時25GS/s的高采樣率,而且實現(xiàn)了硬件12-bit高垂直分辨率。同時,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,實測的本底噪聲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獲得高動態(tài)、低噪底的強(qiáng)有力保證。
近日Spectrum View又新增了RF_vs_Time Waveform測試功能,使用該功能可以分析信號的瞬態(tài)變化過程,包括信號幅度、頻率和相位的瞬態(tài)變化趨勢,因此通常將其稱為信號的瞬態(tài)過程分析。典型的信號瞬態(tài)過程分析應(yīng)用場景包括:脈沖信號包絡(luò)及脈內(nèi)調(diào)制分析、跳頻信號分析、PLL頻率鎖定時間測試、RF開關(guān)切換時間測試、脈沖調(diào)制器上升時間測試、RF Module及模擬IQ調(diào)制器絕對時延測試等。本文將重點(diǎn)介紹瞬態(tài)分析功能在脈沖、跳頻及PLL頻率鎖定時間測試中的應(yīng)用。
圖1. MSO64采用全新TEK049平臺和超低噪聲前端TEK061
瞬態(tài)過程分析基礎(chǔ)
信號的瞬態(tài)過程分析,實際就是信號的三要素——幅度、頻率和相位隨時間的變化過程分析,不同的信號關(guān)注的參數(shù)不同,比如跳頻信號尤為關(guān)注頻率的變化規(guī)律,脈沖信號比較關(guān)注信號包絡(luò)及其時間參數(shù)等。但無論關(guān)注什么參數(shù),總要先得到幅度、頻率和相位的波形。Spectrum View是如何得到這些波形的呢?
Spectrum View采用了圖2所示的DDC (數(shù)字下變頻)架構(gòu),經(jīng)對原始采樣點(diǎn)處理,可以得到信號的數(shù)字IQ數(shù)據(jù),信號幅度、頻率和相位特征均包含于IQ數(shù)據(jù)中。每一組IQ樣點(diǎn)對應(yīng)的幅度、頻率和相位時,便可以得到它們隨時間的變化趨勢,從而完成信號瞬態(tài)過程的分析。
圖2. 數(shù)字下變頻后得到IQ數(shù)據(jù)
瞬態(tài)過程分析應(yīng)用場景
(1) 脈沖及跳頻信號測試
對于從事射頻脈沖信號分析測試的工程師而言,通常都要測試脈沖的上升/下降時間、脈寬及周期等時間參數(shù),以及脈內(nèi)功率平均值及最大值。只有得到射頻脈沖信號的包絡(luò)后,才能更加方便地進(jìn)行這些參數(shù)的測試。過去通常使用一個外部包絡(luò)檢波器,提取包絡(luò)后再使用示波器測試。采用Spectrum View的瞬態(tài)分析功能,無需任何外部附件,即可輕松得到信號的包絡(luò),圖3所示的“C1-M”曲線即為包絡(luò)。
值得一提的是,示波器的自動測量功能也可以應(yīng)用于時域包絡(luò),從而自動完成脈沖信號時間參數(shù)及功率參數(shù)的測試,而不再需要使用光標(biāo)測試,從而提高了測試精度?,F(xiàn)代雷達(dá)越來越多的采用脈沖壓縮技術(shù),以保證探測距離的同時,提高距離分辨率,其中以線性調(diào)頻脈沖(chirp pulse)多見。線性調(diào)頻脈沖信號的測試,除了要觀測上述的時間和功率參數(shù),還要對脈內(nèi)的頻率調(diào)制作解調(diào)分析,以檢驗調(diào)頻帶寬、調(diào)頻斜率及線性度。在Spectrum View的瞬態(tài)模式下,可以完成解調(diào)分析,如圖3所示的“C1-f”曲線,并支持測試結(jié)果的保存,以作進(jìn)一步的分析。
圖3. RF Chirp Pulse的頻譜、波形、包絡(luò)、頻率及相位曲線
類似地,Spectrum View還可以應(yīng)用于跳頻信號的分析,觀測的依然是頻率解調(diào)曲線。得到跳頻圖案后,可以進(jìn)一步分析每個頻點(diǎn)的駐留時間以及相鄰頻點(diǎn)之間的切換時間等參數(shù)。
圖4. Spectrum View的瞬態(tài)模式可以直接解調(diào)出跳頻圖案
(2) PLL頻率鎖定時間測試
基于PLL技術(shù)的頻率綜合器應(yīng)用極其廣泛,無論是通信還是雷達(dá)系統(tǒng)中,PLL頻綜都是必不可少的。因為PLL頻綜具有非常高的頻率穩(wěn)定度,相噪性能非常優(yōu)異,這些都是保證通信和雷達(dá)系統(tǒng)性能的重要因素。PLL是一個負(fù)反饋控制系統(tǒng),圖5給出了簡要架構(gòu)示意圖,從閉環(huán)傳輸特性看,PLL具有一定的環(huán)路帶 寬,這主要取決于環(huán)路上的低通濾波器——Loop filter。環(huán)路帶寬不僅決定了輸出信號的相噪性能,而且也決定了PLL鎖定的速度。相噪性能和鎖定速度是PLL頻綜開發(fā)工程師必須要折中考慮的兩個參數(shù),因此在調(diào)試階段也是必測的兩個參數(shù)。
圖5. PLL頻率綜合器架構(gòu)示意圖
對于鎖定時間的測試,傳統(tǒng)測試方法是直接將PLL輸出的射頻信號饋入頻譜儀,然后在zero span模式下設(shè)置觸發(fā)觀測射頻信號的包絡(luò)。但是這種方式有兩個缺點(diǎn):① 以觸發(fā)位置為時間參考點(diǎn),而PLL在觸發(fā)時刻之前已經(jīng)開始工作,無法準(zhǔn)確標(biāo)定鎖定時間;② 由于這種方法是從包絡(luò)上判定是否鎖定完成,測試誤差會很大。因為信號的包絡(luò)與頻譜儀設(shè)置的RBW關(guān)系很大,存在這樣的情況——即使頻率沒有完全鎖定,但是信號依然可以完全通過RBW filter,從而得到正常的包絡(luò)信號。此時,標(biāo)定的鎖定時間會偏小,而不能正確反映PLL的性能。
使用Spectrum View的瞬態(tài)分析功能可以輕而易舉地解決這個問題,測試連接如圖6所示,待測PLL電路除了將射頻輸出連接至示波器之外,同時提供一路同步觸發(fā)信號,以此作為時間基準(zhǔn)。在瞬態(tài)分析模式下,調(diào)出Frequency_vs_Time波形,當(dāng)頻率鎖定后,接近一條直線,觀測在哪個時刻頻率鎖定成功 (比如,定義頻率誤差在標(biāo)稱頻率的±5%以內(nèi)即認(rèn)為鎖定成功),從而準(zhǔn)確測試鎖定時間。
圖6. PLL頻率鎖定時間測試連接示意圖
圖7. PLL頻率鎖定時間實測結(jié)果
(3) 射頻開關(guān)切換時間測試
作為射頻電路中常用的器件,開關(guān)通常用于多個射頻鏈路之間的切換,從而實現(xiàn)分時工作。比如智能手機(jī)基本都支持多種無線通信制式,各種制式之間的切換就是通過射頻前端的開關(guān)實現(xiàn)的。這類射頻開關(guān)為單刀多擲開關(guān),通常除了關(guān)注開關(guān)的插損、隔離度、駐波比等參數(shù)外,還要關(guān)注開關(guān)的切換時間,以保證各個鏈路之間嚴(yán)格的時序關(guān)系。
如何測試開關(guān)的切換時間呢?圖8給出了測試連接示意圖,示波器是整個測試的核心設(shè)備,此外還需要一臺信號源,用于給開關(guān)提供射頻激勵信號。測試過程中,信號源提供CW信號饋入開關(guān),控制電路在控制開關(guān)切換的同時,也給示波器提供一路觸發(fā)信號作為時間參考。為了準(zhǔn)確測試切換時間,需要得到開關(guān)輸出的射頻信號的包絡(luò),在示波器側(cè)通過比較外觸發(fā)信號與包絡(luò)信號之間的延遲,便可以確定切換時間。
示波器通常借助于外部的包絡(luò)檢波器測試信號包絡(luò),但是這會引入額外的時延,從而影響測試精度。相比之下,Spectrum View可以直接顯示射頻信號包絡(luò) (Magnitude_vs_Time),測試更準(zhǔn)確、應(yīng)用更方便。
圖8. 射頻開關(guān)切換時間測試連接示意圖
(4) 脈沖調(diào)制器上升時間測試
脈沖調(diào)制器是脈沖體制雷達(dá)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,可經(jīng)外部控制產(chǎn)生具有快速上升/下降沿及高開關(guān)比的射頻脈沖信號。脈沖調(diào)制器往往采用單刀單擲射頻開關(guān)實現(xiàn),其決定了能夠產(chǎn)生的射頻脈沖的上升/下降時間及開關(guān)比。實際應(yīng)用中,往往希望能夠產(chǎn)生邊沿盡量快的射頻脈沖,這樣才能夠生成更窄的脈沖,提高距離分辨率。
值得一提的是,雖然射頻開關(guān)可以當(dāng)做脈沖調(diào)制器,但是其上升時間并不是前面介紹的切換時間。開關(guān)的切換時間受限于其控制電路的響應(yīng)時間,而上升時間則取決于開關(guān)支持的帶寬。
脈沖調(diào)制器上升時間測試連接如圖4所示,系統(tǒng)需要提供射頻CW信號和用于控制調(diào)制器的基帶脈沖信號。為了能夠準(zhǔn)確測試上升時間,推薦使用一臺任意波信號發(fā)生器 (AWG) 產(chǎn)生基帶脈沖信號,因為AWG的帶寬足夠大,所產(chǎn)生的脈沖信號上升時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于脈沖調(diào)制器的上升時間。
CW信號經(jīng)過脈沖調(diào)制器轉(zhuǎn)換為射頻脈沖信號,然后饋入示波器進(jìn)行測試。在Spectrum View模式下,直接調(diào)出“Magnitude_vs_Time”,使用示波器的自動測量功能便可以精確測出10%~90%或者20%~80%的上升時間。
圖9. 脈沖調(diào)制器上升時間測試連接示意圖
(5) RF module絕對時延測試
在一些相參多通道應(yīng)用場合,為了保證各通道之間的時間同步性,對通道上射頻模塊 / 部件的絕對時延提出了較高要求,比如功率放大器 、上下變頻器、模擬IQ調(diào)制器等,因此需要對這些模塊的絕對時延進(jìn)行標(biāo)定。
眾所周知,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有測試群時延 (Group delay) 的功能,但是群時延并不是絕對時延。只有當(dāng)相頻特性呈現(xiàn)理想線性關(guān)系時,群時延才是絕對時延。顯然,這種理想器件是不存在的。而且實際測試中除了關(guān)注絕對時延,可能還會涉及到射頻脈沖信號經(jīng)過這類器件后的上升/下降時間等參數(shù)測試,因此,示波器是這類測試的理想選擇。
絕對時延測試過程中,系統(tǒng)給待測件饋入一個射頻脈沖信號,同時輸出一路同步觸發(fā)信號作為時間參考,在Spectrum View模式下調(diào)出脈沖信號的包絡(luò)后,使用示波器的自動測量功能便可以確定絕對時延。對于高帶寬應(yīng)用場合,通道所采用的也都是寬帶射頻模塊,為了能夠測試這種場合下的參數(shù),建議測試時也采用寬帶信號,圖10便采用了泰克公司的任意波信號發(fā)生器提供高帶寬的線性調(diào)頻脈沖信號。
圖10. 射頻模塊絕對時延測試連接示意圖
模擬IQ調(diào)制器的絕對時延測試,與上述測試方法類似,只是需要給待測件提供模擬I信號和Q信號,測試連接如圖11所示。為了準(zhǔn)確測試時延,依然采用射頻脈沖信號。最簡單的射頻脈沖在脈內(nèi)是恒定的載波,對應(yīng)的基帶IQ信號只有I路有信號,Q路信號為0。測試時建議采用線性調(diào)頻脈沖信號,I和Q路均有信號,可以使得調(diào)制器的I和Q兩個支路分別工作起來,以模擬其真實工作狀態(tài)。
與功率放大器等射頻模塊的絕對時延測試類似,模擬IQ調(diào)制器的時延測試也需要時間基準(zhǔn)信號,由圖11中所示的任意波信號發(fā)生器提供。Spectrum View測出射頻脈沖信號的包絡(luò)后,使用自動測量功能便可以測出包絡(luò)信號與基準(zhǔn)信號之間的時間差,從而精確標(biāo)定絕對時延,圖12給出了模擬IQ調(diào)制器時延的實測結(jié)果。
圖11. 模擬IQ調(diào)制器絕對時延測試連接示意圖
圖12. 模擬IQ調(diào)制器絕對時延實測結(jié)果
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