基于泰克示波器MSO64的新時頻域信號分析技術

泰克新一代示波器MSO64為實例來講解時頻域信號分析技術。MSO64采用全新TEK049平臺，不僅實現了4通道同時打開時25GS/s的高采樣率，而且實現了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，遠遠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、低噪底的強有力保證。

　　圖1.MSO64采用全新TEK049平臺和超低噪聲前端TEK061時頻域同步分析混合信號調試過程中，往往需要同時觀測時域波形和信號頻譜，對于這樣的測試需求，示波器是非常理想的選擇。雖然測試動態不如頻譜儀，但示波器有著自己的優勢：可以同時完成波形及頻譜分析，而且二者具有時間相關性；支持多個通道的時頻域同步分析，實現對電路的多點監測；可以分析周期信號的頻譜，也可以分析非周期信號的頻譜；可以分析極低頻率(低至DC)信號的頻譜，這是頻譜儀所不能及的；支持豐富的信號探測方式，可以通過標準同軸接口連接，也可以通過配套的電壓、電流探頭靈活探測。作為一種全新的基于示波器的頻譜分析方法，Spectrum View完美實現了信號的時域和頻域并行處理。對于要求高頻率分辨率的應用場合，傳統的FFT方式需要增大水平時基才可以實現，這不僅降低了測量速度，而且也無法觀測時域波形的細節。Spectrum View支持時頻域的獨立設置，即使在很小的水平時基設置下，依然可以獲得很高的頻率分辨率，不僅可以觀測波形細節，同時具有較高的頻譜刷新率。圖2.諧波、雜散測試：Spectrum View vs Conventional FFT

圖2測試了一個100MHz的CW信號，捕獲了4個周期的時域波形。圖中分別使用Spectrum View和傳統的FFT(Math功能)測試該信號的頻譜，通過對比可以看出，由于時域捕獲時間較短，導致傳統FFT頻譜的分辨率非常低。相反，Spectrum View的頻譜測試結果非常好，不僅具有高分辨率，而且底噪也非常低，可以清晰地觀測信號本身及其諧波和雜散。與此同時，由于水平時基設置得較小，還可以觀測到時域波形的細節信息。

　　圖3.RF Chirp Pulse時域參數及頻譜測試

鑒于Spectrum View的這些優勢，結合示波器其它功能，還可以對射頻脈沖信號進行診斷測試，包括時域包絡參數及信號頻譜等。圖3測試了一路200MHz載波的線性調頻脈沖信號，脈沖周期5us，脈寬1us，帶寬50 MHz，同時給出了時域波形、包絡及頻譜測試結果。測試過程中，還可以靈活調整Span和RBW以便觀測包絡譜或者線狀譜，從而對信號進行更加細致的分析。多通道頻譜分析示波器具有多個模擬通道，每個通道均可以激活Spectrum View功能，因此支持多通道頻譜測試。在復雜調試過程中，可以實現對多點的波形和頻譜監測。類似于MSO64的多通道時域波形顯示方式，所激活的頻譜既可以“堆棧(Stacked)”顯示，也可以“重疊(Overlay)”顯示。圖4同時觀測了兩個通道的時域波形及頻譜，并且采用了重疊顯示，以便于頻譜之間的對比。Spectrum View支持移動Spectrum Time的位置，如圖4標記處所示，以觀測不同時刻的頻譜。每個通道Spectrum Time的位置默認是聯動的，這保證了各個通道測試頻譜的相關性。當取消聯動設置后，也可以獨立設置每個通道的Spectrum Time位置。所有通道的頻譜共用相同的Span、RBW、FFT Window，這一點與時域要求多通道間共用采樣率、水平時基及觸發類似。盡管如此，各個通道的中心頻率可以獨立設置，默認是聯動的，也可以根據需要設置為不同值。

如前文所述，Spectrum View支持滑動Spectrum Time的位置，對不同時段的信號作頻譜測試，這使得對信號進行多域聯動測試成為可能。下面分別測試了線性調頻脈沖(Chirp Pulse)及跳頻序列信號(Hopping Signal)，結合Spectrum View及Frequency Time Trend測試功能，實現了信號在時域、頻域和調制域的聯動測試。1.Chirp Pulse多域聯動分析線性調頻作為一種脈沖壓縮技術，具有非常高的時間分辨率，廣泛應用于雷達應用中。無論是線性調頻脈沖，還是調頻連續波，在產品研制階段都需要驗證信號的性能，需要對信號的時域參數、幅度參數及調制域參數進行測試。

本例實測了一個chirp pulse，時域參數可以使用示波器進行測試，頻譜可以在Spectrum View中測試。Chirp pulse的調制域參數——調頻曲線，則可以使用Frequency Time Trend測試，而且由調頻曲線可以推導出chirp rate及linearity。除此之外，Frequency Time Trend支持引入低通濾波器，可以濾除調頻曲線上疊加的寬帶噪聲，從而改善測試精度。調頻曲線數據也可以保存下來，以便于開發人員對發射機進行修正處理。

分析2.Hopping Signal多域聯動分析對于跳頻信號，也可以對其完成多域聯動測試，如圖6所示，Frequency Time Trend測試了跳頻狀態序列，可以觀測頻率跳變過程，使用Cursor標定頻率切換時間及頻率駐留時間等。Spectrum Time位于圖6紅色標記處，其位置是可以移動的，測試的頻譜就是當前位置對應的頻譜。拖動Spectrum Time的位置，可以分別對不同的頻點進行觀測，亦可以觀測頻率切換過程中的頻譜變化，如圖7所示。

　　分析結論本文重點介紹了泰克示波器全新頻譜分析功能Spectrum View的應用，相較于專門的頻譜儀及示波器傳統FFT功能，Spectrum View均具有獨特的優勢。該功能不僅可以完成普通的頻譜測試，還可以實現時域波形與頻譜的同步測試，而且支持多通道的聯動測試。Spectrum Time位置的可移動性，結合Frequency Time Trend功能，使得示波器具備了多域聯動分析功能。文中通過對線性調頻脈沖及跳頻序列信號進行測試，驗證了多域聯動分析的可行性。
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