【应用篇】基于泰克MSO64的全新时频域信号分析技术

winniewei 提交于 周一, 07/01/2019
【应用篇】基于泰克MSO64的全新时频域信号分析技术

前两篇文章主要介绍了Spectrum View的功能特点及相关理论知识,与示波器传统的FFT测试频谱方法相比,Spectrum View具有独到的优势,那么性能优异的Spectrum View主要用于哪些场景呢?这是本文将重点介绍的内容。

本文将以泰克新一代示波器MSO64为实例来讲解时频域信号分析技术。MSO64采用全新TEK049平台,不仅实现了4通道同时打开时25GS/s的高采样率,而且实现了12-bit高垂直分辨率。同时,由于采用了新型低噪声前端放大ASIC—TEK061,大大降低了噪声水平,在1mv/div时,实测的本底噪声RSM值只有58uV,远远低于市场同类示波器。这些特性都是MSO64频谱模式——Spectrum View获得高动态、低噪底的强有力保证。

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图1. MSO64采用全新TEK049平台和超低噪声前端TEK061

时频域同步分析

混合信号调试过程中,往往需要同时观测时域波形和信号频谱,对于这样的测试需求,示波器是非常理想的选择。虽然测试动态不如频谱仪,但示波器有着自己的优势:

  • 可以同时完成波形及频谱分析,而且二者具有时间相关性;
  • 支持多个通道的时频域同步分析,实现对电路的多点监测;
  • 可以分析周期信号的频谱,也可以分析非周期信号的频谱;
  • 可以分析极低频率(低至DC)信号的频谱,这是频谱仪所不能及的;
  • 支持丰富的信号探测方式,可以通过标准同轴接口连接,也可以通过配套的电压、电流探头灵活探测。

作为一种全新的基于示波器的频谱分析方法,Spectrum View完美实现了信号的时域和频域并行处理。对于要求高频率分辨率的应用场合,传统的FFT方式需要增大水平时基才可以实现,这不仅降低了测量速度,而且也无法观测时域波形的细节。Spectrum View支持时频域的独立设置,即使在很小的水平时基设置下,依然可以获得很高的频率分辨率,不仅可以观测波形细节,同时具有较高的频谱刷新率。

图2测试了一个100MHz的CW信号,捕获了4个周期的时域波形。图中分别使用Spectrum View和传统的FFT (Math功能) 测试该信号的频谱,通过对比可以看出,由于时域捕获时间较短,导致传统FFT频谱的分辨率非常低。相反,Spectrum View的频谱测试结果非常好,不仅具有高分辨率,而且底噪也非常低,可以清晰地观测信号本身及其谐波和杂散。与此同时,由于水平时基设置得较小,还可以观测到时域波形的细节信息。

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图2. 谐波、杂散测试:Spectrum View  vs  Conventional FFT

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图3. RF Chirp Pulse时域参数及频谱测试

鉴于Spectrum View的这些优势,结合示波器其它功能,还可以对射频脉冲信号进行诊断测试,包括时域包络参数及信号频谱等。图3测试了一路200MHz载波的线性调频脉冲信号,脉冲周期5us,脉宽1us,带宽50 MHz,同时给出了时域波形、包络及频谱测试结果。测试过程中,还可以灵活调整Span和RBW以便观测包络谱或者线状谱,从而对信号进行更加细致的分析。

多通道频谱分析

波器具有多个模拟通道,每个通道均可以激活Spectrum View功能,因此支持多通道频谱测试。在复杂调试过程中,可以实现对多点的波形和频谱监测。类似于MSO64的多通道时域波形显示方式,所激活的频谱既可“堆栈 (Stacked) ”显示,也可以“重叠 (Overlay) ”显示。图4同时观测了两个通道的时域波形及频谱,并且采用了重叠显示,以便频谱之间的对比。

Spectrum View支持移动Spectrum Time的位置,如图4标记处所示,以观测不同时刻的频谱。每个通道Spectrum Time的位置默认是联动的,这保证了各个通道测试频谱的相关性。当取消联动设置后,也可以独立设置每个通道的Spectrum Time位置。

所有通道的频谱共用相同的Span、RBW、FFT Window,这一点与时域要求多通道间共用采样率、水平时基及触发类似。尽管如此,各个通道的中心频率可以独立设置,默认是联动的,也可以根据需要设置不同

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图4. Spectrum View支持多通道波形及频谱测试

多域联动测试

如前文所述,Spectrum View支持滑动Spectrum Time的位置,对不同时段的信号作频谱测试,这使得对信号进行多域联动测试成为可能。

下面分别测试了线性调频脉冲 (Chirp Pulse) 及跳频序列信号 (Hopping Signal),结合Spectrum View及Frequency Time Trend测试功能,实现了信号在时域、频域和调制域的联动测试。

1. Chirp Pulse多域联动分析

线性调频作为一种脉冲压缩技术,具有非常高的时间分辨率,广泛应用于雷达应用中。无论是线性调频脉冲,还是调频连续波,在产品研制阶段都需要验证信号的性能,需要对信号的时域参数、幅度参数及调制域参数进行测试。

本例实测了一个chirp pulse,时域参数可以使用示波器进行测试,频谱可以在Spectrum View中测试。Chirp pulse的调制域参数——调频曲线,则可以使用Frequency Time Trend测试,而且由调频曲线可以推导出chirp rate及linearity。

除此之外,Frequency Time Trend支持引入低通滤波器,可以滤除调频曲线上叠加的宽带噪声,从而改善测试精度。调频曲线数据也可以保存下来,以便于开发人员对发射机进行修正处理。

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图5. Chirp Pulse时域、频域和调制域联动分析

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图6. Hopping Signal时域、频域和调制域联动分析

2. Hopping Signal多域联动分析

对于跳频信号,也可以对其完成多域联动测试,如图6所示,Frequency Time Trend测试了跳频状态序列,可以观测频率跳变过程,使用Cursor标定频率切换时间及频率驻留时间等。

Spectrum Time位于图6红色标记处,其位置是可以移动的,测试的频谱就是当前位置对应的频谱。拖动Spectrum Time的位置,可以分别对不同的频点进行观测,亦可以观测频率切换过程中的频谱变化,如图7所示。

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图7. Hopping Signal时域、频域和调制域联动分析

结论

本文重点介绍了泰克示波器全新频谱分析功能Spectrum View的应用,相较于专门的频谱仪及示波器传统FFT功能,Spectrum View均具有独特的优势。该功能不仅可以完成普通的频谱测试,还可以实现时域波形与频谱的同步测试,而且支持多通道的联动测试。Spectrum Time位置的可移动性,结合Frequency Time Trend功能,使得示波器具备了多域联动分析功能。文中通过对线性调频脉冲及跳频序列信号进行测试,验证了多域联动分析的可行性。

关于泰克科技

泰克公司总部位于美国俄勒冈州毕佛顿市,致力提供创新、精确、操作简便的测试、测量和监测解决方案,解决各种问题,释放洞察力,推动创新能力。70多年来,泰克一直走在数字时代前沿。欢迎加入我们的创新之旅,敬请登录:tek.com.cn

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