2020年01月29日 | 基于示波器的时频域信号分析技术的应用场景

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。

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。

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

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

示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，所激活的频谱既可以“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，以便于频谱之间的对比。

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为不同值。

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。

图5. Chirp Pulse时域、频域和调制域联动分析

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。

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。