频谱分析仪的时域测量技术及其应用

用户体验

性能摘要：本文分析了高性能频谱分析仪的时域测量功能的原理，并给出其时域测量功能在调幅（AM）、调频（FM）、脉冲调制测试中的应用。比起通用的示波器，这种测量有其独特之处，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;时域测量TheTechnologyandApplicationofTimeDomainMeasurementofHighPerformanceSpectrumAnalyzerAbstract:ThispaperanalyzestheprincipleoftimedomainmeasurementfunctionofhighperformancespectrumanalyzeranditsuseinAmplitudemodulation(AM),Frequencymodulation(FM)andpulsemodulationtest.Comparedwithusualoscillograph,thismeasurementfunctionhasitsownadvantages.Itexpressessomecharacterofsignalwellinmodulationdomain.KeyWords:highperformancespectrumanalyzer;E4440;timedomainmeasurement

引言随着信号处理和DSP技术的不断发展，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发展，而且测试的精度进一步提高和测试的功能越来越多。频谱分析仪发展到今天，不仅在频域测试中独领风骚，而且还具有一定的时域、调制域测试功能。本文阐述了高性能频谱分析仪的时域测量功能的原理，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测量功能在调幅、调频、脉冲调制测试中的应用。比起通用的使用示波器进行的时域测量，这种测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测量原理

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测量功能相当于一个窄带通信接收机，它能显示在以ZX频率为ZX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应用。我们从频谱分析仪的原理图来说明这个测试的理论依据。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，而变成一条水平线。我们知道，扫描控制器控制LCD显示轴的X轴，当它从水平线上扫的时候，x轴显示的就为时间了。另一方面，扫描控制器变成一条水平线的时候，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，然后通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。这里有几点要说明的：diyi，已调信号和LO信号进行谐波混频后，将有用信号频移到了3.6MHz的中频上，然后通过一个ZX频率为3.6MHz的中频滤波器滤出有用信号，再通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。Z终在LCD显示上显示的是已调信号的包络，它已经滤去已调信号的载波。第二，中频滤波器在时域测量的时候，必须尽可能的加大它的分辨力带宽，这样能保证信号的完整性。

2高性能频谱分析仪时域测量功能的应用高性能的频谱分析仪，如安捷伦公司的E444X系列，都具有时域测量功能。这里，我们以安捷伦的高性能频谱分析仪E4440为例，说明它在AM、FM、脉冲调制信号的测试中应用。当频谱分析仪在ZeroSpan（跨度为0Hz）状态的时候，这时频谱分析仪为时域分析工作方式，等同于工作在ZX频率，带宽为分辨力带宽（RBW）的接收机，它可以显示信号的包络波形，实现AM信号的解调。下面的三种应用都是源于这种时域测量功能。

2.1时域测量功能在AM信号测试中的应用使用频谱分析仪的时域测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:使用信号源发出一个AM信号，调制波可以是正弦波、方波、锯齿波等等。这里使用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，使用频谱仪观察信号源的输出波形，并设置频谱仪：使得它的SPAN（跨度）为0Hz，ZX频率为1GHz，幅度参考为－10dbm，视频带宽VBW、分辨力带宽RBW为3MHz（分辨力带宽尽量设大点，E4440的Zda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测量波形。由于频谱分析仪的时域测量功能显示的是信号的包络，而AM信号可以通过包络检波，所以时域测量波形直接是解调后的波形。通过观察，基本上，解调后的波形和输入的调制波波形一致。我们来看看如何测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，标记1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：

表1AM波时域测量数据从表1来看，调制频率测量基本上非常准确。在实际做实验的时域，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，如果要获得更科学的值，可以通过测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。这里仅仅想描述一下测试功能，这一方面就不多描述了。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，只有锯齿波（Ramp）的测量误差比较大。我们来分析一下原因，Ramp是锯齿波，它在ZdaZ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Z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，进行下面的实验来说明调制指数测量误差存在的原因。

（2）对于Ramp调幅信号进行调制指数测量误差分析

从数据上我们可以看出，在调制频率低于5kHz的时候，调制指数测量的值基本上是准确的。而当频率越高的时候，采样频率对Z小点处的值采样点数减少，直接导致m的测量值在大于5MHz后误差增大。2.2使用时域测量功能可以区分AM、窄带FM信号单从频谱上，我们无法区分AM、窄带FM信号的，但我们可以用时域测量功能来区分AM、窄带FM信号。如应用1所描述的，在时域测量情况下，AM调制信号测量结果是它的解调信号，而FM是恒包络信号，在时域测量情况下，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％，

调制波速率为10kHz。FM的频率偏移为5KHz，调制波速率为10KHz。

图M波的频谱图

图6FM波的频谱图

图7FM波的时域测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，它们在频域上基本相同，从频域上我们无法区分这两个信号。而图2和图10是频谱分析仪时域测量时获得的波形，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。

2.3使用时域测量功能测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，脉冲调制也可以通过包络检波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，脉冲重复周期为80us。

测试结果：如图8所示，脉冲周期为80us，脉冲宽度τ＝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（τ/T）

在这里，脉冲调制峰值功率＝-10dbm－20lg（18.67/80）=-2.63dbm

图8时域测量下的脉冲调制波形

3在时域测量中需要注意的几点

1)在ZX频率测量频谱的条件下，调整SPAN为0Hz，使得频谱分析仪工作在时域测量状态。

2)设置Z宽的分辨力带宽（ResolutionBandwidth）,这样可以包含所有的频谱分量。

3)设置Z宽的视频带宽（VisualBandwidth），这样可以防止平均。

4)垂直轴用线性方式显示。

5)在测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。

6)调整扫描时间（sweep）来获得Z佳的测量波形。

7)在调幅测量中，调制速率较小的时候频谱仪测得的调制指数准确度高，这是由于能够获取足够的采样点数。

8)如果载波频率低于20MHz，则应该使用DC耦合，如果使用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，可能不同的频谱分析仪会有不同的范围，可参考仪器手册。

4结论本文通过对频谱分析仪测量原理阐述了时域测量的理论依据，然后分别给出了时域测量在调幅、调频、脉冲调制信号测量中的应用。ZD给出了时域测量AM信号的应用，后两者的应用与其有一定的相似性。频谱分析仪的时域测量功能有一定的局限性，并不是所有调制信号可以用的。在可测的调制信号中，也有由于其结构的局限性而导致的测量误差的增大。但不可否认的是，时域测量功能扩展了频谱分析仪测量的领域。

仪器网-专业分析仪器服务平台,实验室仪器设备交易网,仪器行业专业网络宣传媒体。

2004-09-03