“示波器采集平台+实时频谱分析软件”=脉冲调制信号强大解决方案 示波器, 软件

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示波器采集平台+实时频谱分析软件”=脉冲调制信号强大解决方案

之前的博文里，我们介绍过低占空比的脉冲信号测量和分析工具。在目前的电子设计中，还有一种重要的脉冲信号需要精密分析，这就是脉冲调制信号。 早期的射频信号，通常使用连续波调制。而今天的大多数射频体制都使用了突发的方式，如我们熟悉的GSM信号，就是一种突发跳频脉冲形式的信号；另外一个例子就是雷达，雷达信号通常都是脉冲形式，并且脉冲内部会使用相位编码、捷变频或扫频等脉压方式，而脉冲之间也可能有频率捷变、参差PRI等变化。对这些脉冲调制信号，需要测试的项目包括脉冲时域参数测量、功率测量、脉内调制分析、脉间分析（如脉冲到脉冲频率变化、脉冲到脉冲相位变化、脉冲到脉冲功率变化等）。传统手段中，这些参数测量可能需要峰值功率计、信号源分析仪、频谱分析仪、矢量信号分析仪等多种仪器，并配合被测件工作模式控制，才能获得部分参数；而被测件实际工作状态下的测试一直是个耗时费力花钱的工作。 近几年来，射频信号带宽越来高，出现了很多超宽带（调制带宽超过500MHz或相对带宽超过20%）的应用，而其时变特性对传统频域分析仪器也提出了很高的挑战。这些宽带和时变挑战让我们很容易联想到一种宽带的、特别适用于时间测量的通用仪器——示波器：它的低通模型让其可以采集带宽范围以内的所有频谱成分；而其高采样率也提供了较高的时间测试精度，这两大特点让其成为一种较为理想的宽带、超宽带脉冲调制信号分析平台。相比频谱分析仪或矢量信号分析仪来说，示波器平台的主要劣势在于动态范围，但对于宽带、超宽带信号来说，示波器的动态范围通常也可以满足测试需求的。 在基于示波器的宽带、超宽带脉冲调制信号分析平台中，示波器硬件提供了采集引擎。采集下来的波形数据可以通过多种手段分析，工作中MATLAB、LabViEW等分析平台都是用户常用的。下面简单介绍泰克的信号分析工具——SignalVu矢量信号分析软件。 SignalVu是泰克公司将实时频谱分析仪的应用软件移植到示波器平台的产物。除了一些和实时频谱分析仪硬件相关的功能外，SignalVu完整继承了实时频谱分析的理念和功能，能将时域、频域和调制域结合起来联合分析。进一步的，由于示波器是多通道的仪器，所以一些频谱仪无法完成的功能，在示波器上也可以实现：比如差分基带信号的分析，就可以利用示波器的四条通道完成（见图9左下角蓝框内）。 对于脉冲调制信号，SignalVu有两大主要的特点，能简便快速地分析：第一是独一无二的跳频测试能力，第二是完备的脉冲分析能力。 跳频测试能力（是指跳频图案观测，换频时间测量，跳频点解调），跳频点的解调与传统矢量信号分析设备不同，SignalVu解调功能无需仪器中心频率对准信号载波，它能自动锁定信号载波，并告知信号载波相对于仪器中心频率的偏移。 下面是一个跳频通信信号的示例，图1是信号的时域波形，示波器捕获了信号中的八个脉冲： 图1. 脉冲信号时域信号 从时域上，很难看出信号频率变化情况，虽然可以用数学功能中的FFT对每个脉冲分析，但是操作比较繁琐。现在打开SignalVu，观察信号的频率和功率随时间变化的情况，如图2。其中右图是时间概览，是脉冲时域包络；左边的三维频谱图（瀑布图），横轴是频率，纵轴是时间，颜色代表功率。通过三维频谱图，我们可以观测短时间内信号的跳频图案。 图2. SignalVu的三维频谱图和时间概览 下一步就是对信号的调制情况进行分析。在图2中，我们发现至少有六个跳频点，只有左图中从上往下数的第六个脉冲的载波对准了仪器中心频率，我们对这个脉冲分析——如图3所示，打开数字解调功能，在右下的时间概览图中将分析范围设定至第六个脉冲： 图3. 对准中心频率的信号解调 图3中，我们添加了几个分析窗口，分别是星座图、眼图和解调以后的IQ时域图，输入正确的调制参数后即正常解调。 那么接下来，对载波不在中心频率的信号是否能够解调呢？是否需要特殊的设置呢？完全不用，测试人员只用将分析窗口（时间概览图中的明亮部分）拖至需要分析的位置，再点击左上角的蓝色圆形图标即可（注意：无需改变中心频率或重新采集）。图4是对第二个脉冲解调的结果，可以看到，解调正确，没有出现无法锁定的的现象。进一步地，分析软件直接告知用户该脉冲的载波频偏为-20MHz（即低于仪器中心频率20MHz，红圈中所示）。 图4 对于载波偏移中心频率的信号解调 同样，我们可以一个一个地分析所有采集的脉冲。通过这种方式，测试人员可以先把被测设备的真实工作环境捕获下来，再逐个分析脉冲，从而得到设备的实际运行状态，而非定频测试情况下的状态。 另外一些信号，特别是雷达脉冲，需要测试的项目很多，包括时域的上升/下降时间、脉冲宽度、脉冲重频、过冲、纹波、跌落等；频域的功率、频率、相位等；同时还需要测试脉冲到脉冲的参数变化，以确定脉冲一致性、相参性等指标。 对于这类测试要求，泰克的SignalVu内建的全脉冲测量套件提供较为完整的自动化测试方案。下面是一个宽带雷达脉冲信号的分析示例，被测信号是脉冲线性调频，扫频宽度约990MHz，脉冲宽度（50%~50%）为9.9us，上升/下降时间为约50ns。图5是时域信号采集结果： 图5 雷达脉冲时域采集 在SignalVu中，打开雷达（脉冲）测试套件，如图6，添加脉冲参数窗口（右上）、参数趋势窗口（左下）和参数统计窗口（左上），结果立刻给出： 图6 脉冲分析套件 SignalVu可以对捕获的所有满足判别条件（用户可以自己设定）的脉冲进行自动分析，并将测量结果填入脉冲参数表格窗口中。测试人员可以使用鼠标点击所关注参数，则相关参数的测量位置、结果和算法示意会绘制在脉冲趋势窗口中；同时脉冲参数统计窗口会绘制所有脉冲的对应参数统计结果，并以时间趋势、直方图或FFT的方式显示。图6是在SignalVu中选择了“脉冲宽度”这一项的分析结果，所以左下的脉冲趋势图中绘制了脉冲的形状和宽度测量位置，同时左上的趋势统计中绘制了总共九个脉冲的宽度趋势统计结果：由于该例中脉冲宽度一致性非常好，所以趋势统计结果呈现一条直线。 脉冲统计窗口中的FFT（图6红圈中的选项）是一个有意思的功能，它可以把时域的变化趋势变换为频域的显示方式，从而加强了仪器的调试能力：例如，如果脉冲峰值功率受到了其它信号（如电源）的影响，则对脉冲峰值功率取FFT可以看到这些干扰信号的频谱，从而帮助设计人员找到脉冲一致性不良的成因。 除了上图中的时域参数测量外，SignalVu还可具有脉冲内部调制分析以及脉冲间调制参数变化的分析能力。图7和图8是对于信号脉内频率和相同位置相位分析的结果。 图7 脉内线性调频的时频特性分析 图7中，在右上表格中点选频率变化，左下的脉冲趋势图中显示脉内频率随时间变化趋势，而左上参数统计图显示九个脉冲的扫频范围变化情况。由于宽带线性调频信号的用处非常广泛，所以SignalVu对线性调频信号分析的支持更为全面，用户在告知软件所测信号为线性调频以后，SignalVu可以自动计算扫频斜率（见图8的红圈处）、自动拟合参考扫频曲线并自动计算每个时间点的频率偏差，用户可以非常简单地计算出调频线性度。 图8 脉冲相同位置相位测试 图8中，同样的，当用户选择脉冲相位测试项时，SignalVu不仅可以获得单个脉冲参考位置（用户可以自己定义该参考位置）的相位信息，还可以将所有脉冲的相位信息绘制成曲线，帮助用户判断脉冲的相参性是否满足要求。该例中，我们测量了47个脉冲的固定位置相位，左上的参数统计窗口中曲线呈性变化线趋势，表示信号相参性较好；若呈现较大起伏或没有明显规律，则表示信号相参性较差或不具相参性。 SiganlVu可以自动测量的脉冲参数有27个，包括常用的各种时间、幅度、频率、相位参数，最新版的软件还加入了冲激响应测试，也就是脉压参数预估。同时，该分析软件支持最多10000个脉冲的自动分析，效率很高。由于篇幅关系，不能一一说明。 最后，有时测试人员面对的脉冲信号占空比很低，如某些航管信号的脉冲宽度仅为几个微秒，但出现频度只有每秒几百个，此时如果使用示波器进行连续采集，即使使用所有的示波器内存，也可能只采到几个脉冲，这还没有考虑某些矢量信号分析软件只能支持几兆内存的分析，故长存储根本没有意义。 在泰克的SignalVu中，软件可以分析所有的采集内存；如图9所示，由于它还支持Fast采集（如果对Fast不太熟悉，请参考前期博文），测试人员可以高效率利用内存，分析更多的有用的信息。 此例是一个脉冲线性扫频信号，脉冲宽度几微妙，但重复频率不到400赫兹，如果要用连续采集来捕获分析50个此种脉冲，则采集时间需超过120ms，按40GS/s（25ps点间隔）或50GS/s（20ps点间隔）的流行采样率，需要的存储深度超过4.8G，而事实上没有任何示波器可以提供这种性能。但使用Fast就完全不需要这么深的内存了，图9中，我们仅仅使用了50M（1M*50，50G采样率下1M存储深度可以采集20us，可以完整捕获有效脉冲），即完成了这个“不可能完成”的任务，性价比极高——购买过示波器的朋友都知道，示波器扩展内存选项的价格可不是一般的贵！ 图9 利用Fast测试低占空比信号 小结： 脉冲调制信号的测试传统上比较复杂，需要多种仪器配合。同时，传统设备由于跳频测试功能不足、测试参数少、内存利用率低等限制，很难满足今天大量的随时间变化的宽带/超宽带信号测试。泰克将实时频谱分析的理念带入示波器这种超宽带接收机中，推出了“示波器采集平台+实时频谱分析软件”的测试工具，为今天的脉冲调制信号提供了简洁、方便并且功能强大的测试解决方案。 注：本文中所有示例均产生自泰克任意波形发生器AWG7122B和信号生成软件RFXpress