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1、性能频谱谱分析仪仪的时域域测量技技术及其其应用何 梅（桂林电电子工业业学院55410004）摘要：本本文分析析了高性性能频谱谱分析仪仪的时域域测量功功能的原原理，并并给出其其时域测测量功能能在调幅幅（AMM）、调调频（FFM）、脉脉冲调制制测试中中的应用用。比起起通用的的示波器器，这种种测量有有其独特特之处，它它更好的的表征信信号的部部分调制制域特性性。关键字： 高性性能频谱谱分析仪仪; EE44440; 时域测测量The Tecchnoologgy aand Apppliccatiion of Timme DDomaain Meaasurremeent of Higgh PPerfformm
2、ancce SSpecctruum AAnallyzeerHe Meii(Eleectrroniic EEngiineeerinng DDepaartmmentt, GGuillin Uniiverrsitty oof EElecctroonicc Teechnnoloogy)Absttracct: Thiis ppapeer aanallyzees tthe priinciiplee off tiime dommainn meeasuuremmentt fuuncttionn off hiigh perrforrmannce speectrrum anaalyzzer andd itts u
3、use in Ampplittudee moodullatiion(AM), FFreqquenncy moddulaatioon(FFM) andd puulsee moodullatiion tesst. Commparred witth uusuaal oosciilloograaph, thhis meaasurremeent funnctiion hass itts oown advvanttagees. It exppresssess soome chaaraccterr off siignaal wwelll inn moodullatiion dommainn.Key Worr
4、ds: hiigh perrforrmannce speectrrum anaalyzzer; E444400; ttimee doomaiin mmeassureemennt0 引言言 随着着信号处处理和DDSP技技术的不不断发展展，频谱谱分析仪仪的功能能越来越越强大。不不仅仅在在显示的的频率范范围和可可操作性性上有了了长足的的发展，而而且测试试的精度度进一步步提高和和测试的的功能越越来越多多。频谱谱分析仪仪发展到到今天，不不仅在频频域测试试中独领领风骚，而而且还具具有一定定的时域域、调制制域测试试功能。本文阐述述了高性性能频谱谱分析仪仪的时域域测量功功能的原原理，以以安捷伦伦的E44440
5、0高性能能频谱分分析仪为为例，给给出了高高性能频频谱分析析仪时域域测量功功能在调调幅、调调频、脉脉冲调制制测试中中的应用用。比起起通用的的使用示示波器进进行的时时域测量量，这种种测量方方式更好好的表征征了调制制信号的的某些调调制特性性。1 高性性能频谱谱分析仪仪时域测测量原理理A0 f中频滤波波器输入 混频频器 检检波器 扫描描控制器器 LOLCD显显示图1扫频频式频谱谱分析仪仪原理框框图总的来说说，高性性能频谱谱分析仪仪的时域域测量功功能相当当于一个个窄带通通信接收收机，它它能显示示在以中中心频率率为中心心的带内内频率的的时域波波形。这这个功能能仅仅是是使得频频谱分析析仪的SSPANN（跨度
6、度）设置置为0HHz，从从原理上上来说只只是频谱谱分析仪仪的一个个小小的的扩展应应用。我我们从频频谱分析析仪的原原理图来来说明这这个测试试的理论论依据。 如图11所示，这这是扫频频式频谱谱分析仪仪的原理理框图。当当SPAAN(跨跨度为00Hz)的时候候，扫描描控制器器的控制制信号不不再是锯锯齿波，而而变成一一条水平平线。我我们知道道，扫描描控制器器控制LLCD显显示轴的的X轴，当当它从水水平线上上扫的时时候，xx轴显示示的就为为时间了了。另一一方面，扫扫描控制制器变成成一条水水平线的的时候，LLO的输输出稳定定，混频频器后的的输出信信号经过过一个通通带为分分辨力带带宽的带带通滤波波器后，然然后
7、通过过包络检检波器检检出信号号的包络络，控制制LCDD垂直轴轴显示信信号幅度度。这里里有几点点要说明明的：第第一，已已调信号号和LOO信号进进行谐波波混频后后，将有有用信号号频移到到了3.6MHHz的中中频上，然然后通过过一个中中心频率率为3.6MHHz的中中频滤波波器滤出出有用信信号，再再通过检检波器让让信号的的幅值作作为显示示在相对对频率（当当SPAAN为00Hz的的时候，就就是相对对时间）的的位置。最最终在LLCD显显示上显显示的是是已调信信号的包包络，它它已经滤滤去已调调信号的的载波。第第二，中中频滤波波器在时时域测量量的时候候，必须须尽可能能的加大大它的分分辨力带带宽，这这样能保保证
8、信号号的完整整性。2 高性性能频谱谱分析仪仪时域测测量功能能的应用用高性能的的频谱分分析仪，如如安捷伦伦公司的的E4444X系系列，都都具有时时域测量量功能。这这里，我我们以安安捷伦的的高性能能频谱分分析仪EE44440为例例，说明明它在AAM、FFM、脉脉冲调制制信号的的测试中中应用。当当频谱分分析仪在在Zerro SSpann（跨度度为0HHz）状状态的时时候，这这时频谱谱分析仪仪为时域域分析工工作方式式，等同同于工作作在中心心频率，带带宽为分分辨力带带宽（RRBW）的的接收机机，它可可以显示示信号的的包络波波形，实实现AMM信号的的解调。下下面的三三种应用用都是源源于这种种时域测测量功能
9、能。2.1 时域测测量功能能在AMM信号测测试中的的应用使用频谱谱分析仪仪的时域域测量功功能可以以获取已已调AMM信号解解调的波波形，AAM信号号的调制制度和AAM信号号的调制制频率。测试条件件: 使使用信号号源发出出一个AAM信号号，调制制波可以以是正弦弦波、方方波、锯锯齿波等等等。这里使用用Agiilennt的EE44338分别别发出三三个载波波频率为为1GHHz、幅幅度为10ddbm，调调制波为为10kkHz的的正弦波波、三角角波、方方波，调调制幅度度50的信号号。然后后，使用用频谱仪仪观察信信号源的的输出波波形，并并设置频频谱仪：使得它它的SPPAN（跨跨度）为为0Hzz，中心心频率为
10、为1GHHz，幅幅度参考考为110dbbm，视视频带宽宽VBWW、分辨辨力带宽宽RBWW为3MMHz（分分辨力带带宽尽量量设大点点，E444400的最大大分辨力力带宽为为8MHHz），垂垂直轴为为线性方方式显示示。图2 调调制信号号为正弦弦波的AAM波的的时域波波形图图3 调调制信号号为方波波的AMM波图4 调调制信号号为锯齿齿波的AAM波测试结果果分析：图2、33、4分分别为调调制波为为正弦波波、方波波和锯齿齿波时候候的频谱谱分析仪仪的时域域测量波波形。由由于频谱谱分析仪仪的时域域测量功功能显示示的是信信号的包包络，而而AM信信号可以以通过包包络检波波，所以以时域测测量波形形直接是是解调后后
11、的波形形。通过过观察，基基本上，解解调后的的波形和和输入的的调制波波波形一一致。我我们来看看看如何何测量调调幅波的的调制频频率和调调制指数数。调制制频率是是被解调调波形的的频率，测测试这三三个波形形的周期期就可以以获得调调制频率率，从图图上来看看，标记记1和11R之间间（Mkrr1）测测得的数数据就是是频率。由由于我们们获得的的是包络络，那根根据调幅幅波的时时域特征征，测得得2和22R之间间（Mkrr2）的的比值就就可以计计算调制制指数。计计算公式式如下：fmodd=1/Tm图2、33、4的的测试数数据如下下调制波波波形正弦波方波锯齿波参考调制制频率（KKHz）101010参考调制制指数（）5
12、05050周期（uus）100100100Eminn/Emmax（%）34.44534.00437.884调制频率率fmodd（KHHz）101010m（）48.77549.22145.110 表表1 AM波波时域测测量数据据从表1来来看，调调制频率率测量基基本上非非常准确确。在实实际做实实验的时时域，由由于频谱谱分析仪仪是数字字化的仪仪器，在在整个波波形中，每每两个相相邻峰值值之间测测得的周周期有时时候会有有很小的的误差，如如果要获获得更科科学的值值，可以以通过测测量多个个脉冲之之间的时时间，然然后除以以周期数数，得到到一个相相对精度度较高的的测试值值。这里里仅仅想想描述一一下测试试功能，这
13、这一方面面就不多多描述了了。我们们来看，调调制指数数的结果果就不是是很好了了，方波波和正弦弦波的调调制指数数结果还还比较准准确，只只有锯齿齿波（RRampp）的测测量误差差比较大大。我们们来分析析一下原原因， Rammp是锯锯齿波，它它在最大大最小值值之间突突变的时时候，由由于仪器器并未完完全跟上上它的突突变，或或者它的的最小点点没有被被采样到到，这样样导致它它的调制制指数变变小。对对于这种种情况，进进行下面面的实验验来说明明调制指指数测量量误差存存在的原原因。（2）对对于Raamp调调幅信号号进行调调制指数数测量误误差分析析锯齿波调制频率(KHzz)0.115102034.11333.229
14、34.66537.88444.776m49.11050.00548.55345.11038.115从数据上上我们可可以看出出，在调调制频率率低于55kHzz的时候候，调制制指数测测量的值值基本上上是准确确的。而而当频率率越高的的时候，采采样频率率对最小小点处的的值采样样点数减减少，直直接导致致m的测测量值在在大于55MHzz后误差差增大。2.2 使用时域域测量功功能可以以区分AAM、窄窄带FMM信号单从频谱谱上，我我们无法法区分AAM、窄窄带FMM信号的的，但我我们可以以用时域域测量功功能来区区分AMM、窄带带FM信信号。如如应用11所描述述的，在在时域测测量情况况下，AAM调制制信号测测量结
15、果果是它的的解调信信号，而而FM是是恒包络络信号，在在时域测测量情况况下，就就成了一一条直线线。测试条件件：AMM、FMM信号的的载波频频率为11GHzz、幅度度为110dBBm。AAM信号号的调制制度为550，调调制波速速率为110kHHz。FFM的频频率偏移移为5KKHz，调调制波速速率为110KHHz。图5 AMM波的频频谱图图6 FM波波的频谱谱图图7 FM波波的时域域测量波波形测试结果果分析：图7和和图8分分别为AAM、FFM信号号的频谱谱图，它它们在频频域上基基本相同同，从频频域上我我们无法法区分这这两个信信号。而而图2和和图100是频谱谱分析仪仪时域测测量时获获得的波波形，由由于
16、FMM是恒包包络信号号，而AAM信号号的包络络就是它它的调制制波形，这这样我们们就很容容易的区区分AMM、FMM波。2.3 使用时域域测量功功能测量量脉冲调调制信号号调幅信号号是单一一信号，它它产生一一对对称称的分布布于载波波两旁的的边带。一一个脉冲冲由无数数谐波组组成，每每一谐波波产生一一对调幅幅边带。脉脉冲调制制从本质质上来说说也是AAM调制制的一种种。所以以说，脉脉冲调制制也可以以通过包包络检波波获得它它的调制制波波形形。测试条件件：信号号源设置置为载波波为1GGHz、10ddBm；脉冲调调制波参参数为脉脉宽为220uss，脉冲冲重复周周期为880uss。测试结果果：如图图8所示示，脉冲
17、冲周期为为80uus，脉脉冲宽度度188.677us，脉脉冲宽度度测试结结果有一一定误差差。我们们可以根根据测得得的脉冲冲宽度值值和载波波信息，计计算获得得脉冲调调制信号号峰值功功率。计计算公式式是：脉冲调制制信号峰峰值功率率脉冲冲频谱载载波功率率200lg（/T）在这里，脉脉冲调制制峰值功功率-10ddbm20llg（118.667/880）=-2.63ddbm图8 时时域测量量下的脉脉冲调制制波形3 在时时域测量量中需要要注意的的几点1) 在中心频频率测量量频谱的的条件下下，调整整SPAAN为00Hz，使使得频谱谱分析仪仪工作在在时域测测量状态态。2) 设置最宽宽的分辨辨力带宽宽（Rees
18、ollutiion Banndwiidthh）,这这样可以以包含所所有的频频谱分量量。3) 设置最宽宽的视频频带宽（VVisuual Banndwiidthh），这这样可以以防止平平均。4) 垂直轴用用线性方方式显示示。5) 在测量方方波的调调制指数数的时候候，一定定要选方方波平稳稳部分的的点，这这样可以以提高测测试的准准确度。6) 调整扫描描时间（ssweeep）来来获得最最佳的测测量波形形。7) 在调幅测测量中，调调制速率率较小的的时候频频谱仪测测得的调调制指数数准确度度高，这这是由于于能够获获取足够够的采样样点数。8) 如果载波波频率低低于200MHzz，则应应该使用用DC耦耦合，如如果
19、使用用AC耦耦合，低低频端的的数据幅幅度误差差会很大大，会导导致错误误的测试试结果。这这个，可可能不同同的频谱谱分析仪仪会有不不同的范范围，可可参考仪仪器手册册。4 结论论本文通过过对频谱谱分析仪仪测量原原理阐述述了时域域测量的的理论依依据，然然后分别别给出了了时域测测量在调调幅、调调频、脉脉冲调制制信号测测量中的的应用。重重点给出出了时域域测量AAM信号号的应用用，后两两者的应应用与其其有一定定的相似似性。频频谱分析析仪的时时域测量量功能有有一定的的局限性性，并不不是所有有调制信信号可以以用的。在在可测的的调制信信号中，也也有由于于其结构构的局限限性而导导致的测测量误差差的增大大。但不不可否认认的是，时时域测量量功能扩扩展了频频谱分析析仪测量量的领域域。参考文献献1 Aggileent Tecchnoologgiess: AAgillentt PSSA 系系列高性性能频谱谱分析仪仪2 Aggileent Tecchnoologgiess: AAgillentt PSSG+EESG系系列高性性能信号号源