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如何用示波器进行射频信号测量 1

如何用示波器进行射频信号测量 1

雷达脉冲参数统计分析

  除了在示波器里直接对雷达脉冲的基本参数进行测量,也可以借助功能更加强大的矢量信号分析软件。下图是用Keysight公司的89601B矢量信号分析软件结合示波器对超宽带的Chirp雷达信号做解调分析的例子,图中显示了被测信号的频谱、时域功率包络以及频率随时间的变化曲线。被测信号由M8195A超宽带任意波发生器产生,Chirp信号的脉冲宽度为2us,频率变化范围从1G~19GHz,整个信号带宽高达18GHz!这里充分体现了实时示波器带宽的优势。


  更严格的雷达测试不会仅仅只测脉冲和调制带宽等基本参数。比如由于器件的带宽不够或者频响特性不理想,可能会造成Chirp脉冲内部各种频率成分的功率变化,从而形成脉冲功率包络上的跌落(Droop)和波动(Ripple)现象。因此,严格的雷达性能指标测试还需要对脉冲的峰值功率、平均功率、峰均比、Droop、Ripple、频率变化范围、线性度等参数以及多个脉冲间的频率、相位变化进行测量,或者要分析参数随时间的变化曲线和直方图分布等。这些更复杂的测试可以借助于89601B软件里的BHQ雷达脉冲测量选件实现。这个测试软件也支持示波器的分段存储模式,可以一次捕获到多个连续脉冲后再做统计分析,下图是一个实际测试的例子。


  除了雷达脉冲分析以外,借助于示波器自身的抖动分析软件或者矢量信号分析软件,还可以对超宽带的调频信号进行分析。下图是对一段在7GHz的带宽范围内进行调频的信号的频谱、时域以及跳频图案的分析结果。



调制器时延测试

  在卫星通信或者导航等领域,需要测试其射频输出(可能是射频或者Ku/Ka波段信号)相对于内部定时信号(1pps或100pps信号)的绝对时延并进行修正。这就需要使用至少2通道的宽带示波器同时捕获定时信号和射频输出,并能进行精确可重复的测量。
  下图是用示波器捕获到的1pps定时信号(蓝色波形)以及QPSK调制的射频输出信号(紫色波形)。用作触发的定时信号到来后,射频信号功率第1个过零点的时刻相对于定时信号的时延就是要测量的系统时延。如果仅仅通过手动光标测量,很难卡准合适的功率零点位置。我们借助于前面介绍过的数字检波功能,可以检出射频信号的功率包络并进行放大(如灰色波形所示),并借助示波器的测量功能来测量功率包络最小点的时刻(Tmin),这就实现了卫星转发器或调制器时延的精确测试。通过多次自动测试过零点时刻,还可以进行长时间的统计,以分析时延的变化范围和抖动等。



超宽带通信信号解调分析

  在WLAN、卫星通信、光通信领域,可能需要对非常高带宽的信号(>500MHz)进行性能测试和解调分析,这对于测量仪器的带宽和通道数要求非常高。比如在光纤骨干传输网上,已经实现了单波长100Gbps的信号传输,其采用的技术就是把2路25Gbps的信号通过QPSK的调制方式调制到激光器的一个偏振态,然后把另2路25Gbps的信号通过同样的方式调制到激光器一个偏振态上,然后把两个偏振态的信号合成在一起实现100Gbps的信号传输。而在下一代200Gbps或者400Gbps的技术研发中,可能会采用更高的波特率以及更高阶的调制如16QAM、64QAM甚至OFDM等技术,这些都对测量仪器的带宽和性能提出了非常高的要求。
  如下图所示是一种进行100G/400G光相干通信测试的分析仪表:仪器下半部分是一个相干光通信的解调器,用于把输入信号的2个偏振态下共4路I/Q信号分解出来并转换成电信号输出,每路最高支持的信号波特率可达126Gbaud;而上半部分就是一台高带宽的Z系列示波器,单台示波器就可以实现4路33GHz的测量带宽或者2路63GHz的测量带宽;示波器里运行矢量信号分析软件,可以完成信号的偏振对齐、色散补偿以及4路I/Q信号的解调和同时显示等。


  下图中还显示了用示波器做超宽带信号解调分析的结果,被测信号是由超宽带任意波发生器发出的32Gbaud的16QAM调制信号。由于16QAM调制格式下每个符号可以传输4个bit的有效数据,所以实际的数据传输速率达到128Gbps。通过宽带的频响修正和预失真补偿,实现了高达20dB以上的信噪比以及<4%的EVM(矢量调制误差)指标。


多通道相参信号测量

  在MIMO(Multiple-input and Multiple-output)、相控阵以及做科学研究的场合,通常需要对多于4路的高速信号做同时测量。为了满足这种应用,现代的高带宽示波器在硬件和软件上都提供了对于多通道测量的支持能力。
  下图展示的是基于Z系列示波器的多通道级联方案以及示波器里的多通道测量软件,目前可以支持最多10台示波器的级联,提供20路同步的带宽高达63GHz的测量通道,或者40路带宽为33GHz测量通道。通过精确的时延和抖动校准,通道间的抖动可以控制在200fs(rms)以内。

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