作者丨鼎陽科技 張賀陽
引言
射頻脈沖信號(hào)廣泛應(yīng)用于脈沖調(diào)制應(yīng)用中，對(duì)于從事相關(guān)領(lǐng)域的工程師而言，總是繞不開脈沖信號(hào)的測試。在一些蜂窩通信、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中，信號(hào)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證需要脈沖信號(hào)分析和時(shí)域/頻域/調(diào)制的綜合測試工具。
鼎陽科技SSA5000A的脈沖測量功能提供脈沖分析，可以幫助工程師更好的分析當(dāng)今的動(dòng)態(tài)信號(hào)環(huán)境。
01 脈沖信號(hào)的特性
下圖給出了產(chǎn)生射頻脈沖信號(hào)的最簡單方式，可以把脈沖調(diào)制器理解為開關(guān)，基帶脈沖控制信號(hào)的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而將輸入的CW信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻脈沖信號(hào)。這個(gè)過程也可以理解為CW信號(hào)與基帶脈沖信號(hào)的時(shí)域相乘。
CW與基帶脈沖相乘得到射頻脈沖信號(hào)
兩個(gè)信號(hào)時(shí)域相乘，相當(dāng)于二者頻譜的卷積。CW信號(hào)的頻譜理論上是單根譜線，根據(jù)基帶脈沖信號(hào)的頻譜，可以得到射頻脈沖信號(hào)的頻譜。
射頻脈沖信號(hào)的線狀譜
射頻脈沖的頻譜如上圖所示，由于為周期信號(hào)，其頻譜為離散譜，每一根譜線的幅度按照Sinc函數(shù)規(guī)律變化。相鄰譜線之間的間距為基帶脈沖周期T的倒數(shù)。
實(shí)際使用頻譜儀測試時(shí)，通過設(shè)置不同的分辨率帶寬RBW，可以顯示包絡(luò)譜或者線狀譜。當(dāng)RBW小于譜線間距時(shí)，便可以得到線狀譜；當(dāng)逐步增大RBW時(shí)，則逐步顯示為脈沖包絡(luò)譜。
就時(shí)域而言，脈沖信號(hào)最大的特性在于時(shí)域的不連續(xù)。時(shí)域的突發(fā)特性是脈沖用在通信中的基本要求，因此脈沖信號(hào)參數(shù)也是通信信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的主要指標(biāo)。脈沖信號(hào)的時(shí)域不連續(xù)同時(shí)也給我們?cè)诠β始邦l譜測試中增加了不少困難。
在本文中我們將討論脈沖的時(shí)域和頻域測試。
02 使用SSA5000A的脈沖分析功能測量脈沖
正確配置SSA5000A
頻譜分析儀作為能兼顧頻譜功率和帶寬分析的通用儀表，如果對(duì)功率精度沒有特別苛刻的要求，利用頻譜儀在觀察頻譜的同時(shí)也可以進(jìn)行功率測試。SSA5000A的脈沖測量功能可以用于測量脈沖的寬度、幅度和時(shí)間參數(shù)。
在脈沖分析功能中，頻譜儀為零掃寬模式，此時(shí)頻譜儀相當(dāng)于一個(gè)峰值功率計(jì)，可以在特定的頻點(diǎn)以一定的帶寬對(duì)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波并畫出功率隨時(shí)間變化的曲線。此時(shí)頻譜儀的RBW就相當(dāng)于這個(gè)檢波器的帶寬。零掃寬模式下頻譜儀將固定本振在中心頻率處，因此在進(jìn)行脈沖分析時(shí)，我們需要在頻率設(shè)置中正確設(shè)置中心頻率。如果設(shè)置的中心頻率和實(shí)際載波頻率有一定的偏差，可能也會(huì)得到不錯(cuò)的測試結(jié)果，這是因?yàn)榇藭r(shí)脈沖信號(hào)的大部分功率可以通過中頻濾波器。
脈沖分析功能測試結(jié)果
測試結(jié)果如上圖所示，此時(shí)頻譜儀的橫軸為時(shí)間，縱軸依然為功率。分析儀將自動(dòng)識(shí)別脈沖信號(hào)的上升沿和下降沿，計(jì)算出脈沖開和關(guān)期間的功率以及上升/下降時(shí)間。對(duì)于窄脈沖，可以增加分析儀的RBW，從而獲得更加精確的測量結(jié)果。
事實(shí)上，頻譜分析儀測得的上升時(shí)間一般不會(huì)超過頻譜分析儀的最佳上升時(shí)間。分析儀的上升時(shí)間有下面這個(gè)公式來決定：Tr=0.66/max RBW。
SSA5000A的最大RBW為10MHz，也就是說脈沖的上升時(shí)間必須大于66ns，此時(shí)分析儀才能正確測量信號(hào)。對(duì)于普通的線狀譜測試而言，VBW的設(shè)置對(duì)于頻譜的測試結(jié)果沒有太大影響，但是進(jìn)行脈沖測試時(shí)，VBW不能小于RBW，否則會(huì)導(dǎo)致峰值功率偏低。VBW濾波器會(huì)對(duì)通過中頻濾波器的信號(hào)的包絡(luò)進(jìn)行濾波，而在脈沖測試中，會(huì)有同時(shí)多根譜線通過中頻濾波器，其合成包絡(luò)也有一定的帶寬，如果超過了VBW的帶寬，那么測試幅度將會(huì)降低。通常情況下，測試正弦信號(hào)時(shí)，視分比選擇1~3，而測量脈沖信號(hào)時(shí)，一般選擇視分比為10來減小對(duì)瞬變信號(hào)的幅度影響。
對(duì)于已知周期的脈沖信號(hào)，可以在觸發(fā)中選擇周期觸發(fā)，將觸發(fā)周期和脈沖周期設(shè)為一致，從而得到穩(wěn)定的脈沖信號(hào)。
測量結(jié)果分析
脈沖信號(hào)示意圖
脈沖的示意圖如圖所示，從圖中可以清晰地看到脈沖測量的各個(gè)結(jié)果。在功率測量結(jié)果中Pospeak為跡線上的最高電平，NegPeak為當(dāng)前跡線上的最低電平。
頻譜分析儀根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出：
Amptmid = (PosPeak - NegPeak) / 2 + NegPeak
當(dāng)一段跡線連續(xù)穿過脈沖低參考(RefLow，10%)，脈沖持續(xù)參考(RefDuration，50%)，脈沖高參考(RefHigh，90%)時(shí)，記為脈沖信號(hào)的上升沿；或是反向穿過這三個(gè)參考幅度時(shí)，記為下降沿。標(biāo)記這一段跡線為脈沖的邊沿。要完整地測量脈沖的參數(shù)，需要至少3個(gè)邊沿。
在脈沖特性中，脈沖持續(xù)時(shí)間是為正脈沖（負(fù)脈沖）在上升沿（下降沿）穿過脈沖持續(xù)參考與下降沿（上升沿）穿過脈沖持續(xù)參考之間的時(shí)間差。
脈沖中心是為第一個(gè)正脈沖（負(fù)脈沖）的上升沿（下降沿）穿過脈沖持續(xù)參考（RefDuration，50%）與第一個(gè)下降沿（上升沿）穿過脈沖持續(xù)參考（RefDuration，50%）之間的中心點(diǎn)。
脈沖關(guān)閉時(shí)間=脈沖周期-脈沖持續(xù)時(shí)間，根據(jù)周期和脈寬可以計(jì)算出脈沖的占空比和頻率。
在轉(zhuǎn)換特性中，上升時(shí)間為脈沖第一個(gè)上升沿穿過RefLow和穿過RefHigh之間所花費(fèi)的時(shí)間，下降時(shí)間為脈沖第一個(gè)下降沿穿過ReHigh和穿過RefLow之間所花費(fèi)的時(shí)間。且分析儀還會(huì)自動(dòng)計(jì)算出脈沖的上升前激、上升過激、下降前激、下降過激，單位為dB。
03 使用SSA5000A分析脈沖信號(hào)的頻譜
使用掃頻功能觀察脈沖頻譜
通過掃頻頻譜的方式觀察脈沖頻譜是過去幾十年工程師常用的經(jīng)典方式。這種方式適用于觀察脈寬和周期都已知且穩(wěn)定的脈沖信號(hào)。但是由于掃頻式頻譜儀的掃頻速度的限制，頻譜儀對(duì)瞬態(tài)信號(hào)的跟蹤和捕獲能力有限，不能很好的觀察捷變脈沖信號(hào)和寬帶調(diào)制的脈沖信號(hào)。
在使用掃頻的方式觀察線裝譜時(shí)，要將設(shè)置較小的RBW。當(dāng)RBW較小時(shí)，數(shù)據(jù)采集的速度遠(yuǎn)大于數(shù)字后端處理的速度，所以具有較長的死區(qū)時(shí)間，如果存在某些脈沖變化或者短時(shí)干擾，很可能會(huì)漏掉這些信號(hào)。
SSA5000A在10kHzRBW下會(huì)自動(dòng)將掃描切換為FFT模式，此時(shí)頻譜儀每次調(diào)諧到某個(gè)頻率上，會(huì)停留更長的時(shí)間，也會(huì)分析出一個(gè)頻譜內(nèi)的所有能量，在這個(gè)意義上，F(xiàn)FT可以看作是一列并行的中頻濾波器同時(shí)工作，從而加快了頻譜掃描的速度。因此在分析脈沖信號(hào)的頻譜時(shí)，使用FFT掃描得到的結(jié)果將更精準(zhǔn)。測量結(jié)果如圖所示。
頻譜分析模式下脈沖調(diào)制的頻譜
使用實(shí)時(shí)頻譜功能觀察脈沖信號(hào)
和傳統(tǒng)掃頻式頻譜分析儀不同，實(shí)時(shí)頻譜分析儀不進(jìn)行本振掃描，而是利用寬帶ADC對(duì)一定帶寬內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行采樣，并且借助FPGA的實(shí)時(shí)FFT功能進(jìn)行頻譜計(jì)算，從而能夠無丟失地將所有ADC采樣數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行頻譜生成，從而不漏掉任何信號(hào)變化的瞬間。
基于海量連續(xù)的FFT結(jié)果，實(shí)時(shí)頻譜儀可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的頻率模板觸發(fā)以及時(shí)域、頻域和幅度域的三維顯示，從而準(zhǔn)確描繪信號(hào)變化過程。實(shí)時(shí)頻譜最大的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)頻譜的不間斷測量和顯示以及頻率選擇性觸發(fā)，所以用好它的這兩點(diǎn)優(yōu)勢，作為復(fù)雜脈沖分析的觀察工具，是最科學(xué)的。
下圖為實(shí)時(shí)頻譜模式下測得的頻譜圖和瀑布圖。
實(shí)時(shí)頻譜分析模式下頻譜圖和瀑布圖
總結(jié)
鼎陽科技SSA5000A的脈沖測量功能提供脈沖分析，可以幫助工程師更好地進(jìn)行脈沖信號(hào)的測試。本文介紹了脈沖信號(hào)的特性、頻譜儀SSA5000A的配置方法及脈沖分析功能操作方法，工程師和技術(shù)人員可使用SSA5000A的掃頻功能及實(shí)時(shí)頻譜功能分析脈沖信號(hào)的頻譜。
