频谱分析仪的时域测量技术及其应用

性能频谱分析仪的时域测量技术及其应用

摘要：本文分析了高性能频谱分析仪的时域测量功能的原理，并给出其时域测量功能在调幅（AM）、调频（FM）、脉冲调制测试中的应用。比起通用的示波器，这种测量有其独特之处，它更好的表征信号的部分调制域特性。

关键字：高性能频谱分析仪; E4440; 时域测量

The Technology and Application of Time Domain Measurement of High Performance

Spectrum Analyzer

Abstract: This paper analyzes the principle of time domain measurement function of high performance spectrum analyzer and its use in Amplitude modulation(AM), Frequency modulation(FM) and pulse modulation test. Compared with usual oscillograph, this measurement function has its own advantages. It expresses some character of signal well in modulation domain.

Key Words: high performance spectrum analyzer; E4440; time domain measurement

0 引言随着信号处理和DSP技术的不断发展，频谱分析仪的功能越来越强大。不仅仅在显示的频率范围和可操作性上有了长足的发展，而且测试的精度进一步提高和测试的功能越来越多。频谱分析仪发展到今天，不仅在频域测试中独领风骚，而且还具有一定的时域、调制域测试功能。

本文阐述了高性能频谱分析仪的时域测量功能的原理，以安捷伦的E4440高性能频谱分析仪为例，给出了高性能频谱分析仪时域测量功能在调幅、调频、脉冲调制测试中的应用。比起通用的使用示波器进行的时域测量，这种测量方式更好的表征了调制信号的某些调制特性。

1 高性能频谱分析仪时域测量原理

中频滤波器

图1扫频式频谱分析仪原理框图

总的来说，高性能频谱分析仪的时域测量功能相当于一个窄带通信接收机，它能显示在以中心频率为中心的带内频率的时域波形。这个功能仅仅是使得频谱分析仪的SPAN（跨度）设置为0Hz，从原理上来说只是频谱分析仪的一个小小的扩展应用。我们从频谱分析仪的原理图来说明这个测试的理论依据。

如图1所示，这是扫频式频谱分析仪的原理框图。当SPAN(跨度为0Hz)的时候，扫描控制器的控制信号不再是锯齿波，而变成一条水平线。我们知道，扫描控制器控制LCD显示轴的X轴，当它从水平线上扫的时候，x轴显示的就为时间了。另一方面，扫描控制器变成一条水平线的时候，LO的输出稳定，混频器后的输出信号经过一个通带为分辨力带宽的带通滤波器后，然后通过包络检波器检出信号的包络，控制LCD垂直轴显示信号幅度。这里有几点要说明的：第一，已调信号和LO信号进行谐波混频后，将有用信号频移到了3.6MHz 的中频上，然后通过一个中心频率为3.6MHz的中频滤波器滤出有用信号，再通过检波器让信号的幅值作为显示在相对频率（当SPAN为0Hz的时候，就是相对时间）的位置。最终在LCD显示上显示的是已调信号的包络，它已经滤去已调信号的载波。第二，中频滤波器在时域测量的时候，必须尽可能的加大它的分辨力带宽，这样能保证信号的完整性。

2 高性能频谱分析仪时域测量功能的应用

高性能的频谱分析仪，如安捷伦公司的E444X系列，都具有时域测量功能。这里，我们以安捷伦的高性能频谱分析仪E4440为例，说明它在AM、FM、脉冲调制信号的测试中应用。当频谱分析仪在Zero Span（跨度为0Hz）状态的时候，这时频谱分析仪为时域分析工作方式，等同于工作在中心频率，带宽为分辨力带宽（RBW）的接收机，它可以显示信号的包络波形，实现AM信号的解调。下面的三种应用都是源于这种时域测量功能。

2.1 时域测量功能在AM信号测试中的应用

使用频谱分析仪的时域测量功能可以获取已调AM信号解调的波形，AM信号的调制度和AM信号的调制频率。

测试条件: 使用信号源发出一个AM信号，调制波可以是正弦波、方波、锯齿波等等。

这里使用Agilent的E4438分别发出三个载波频率为1GHz、幅度为－10dbm，调制波为10kHz

的正弦波、三角波、方波，调制幅度50％的信号。然后，使用频谱仪观察信号源的输出波形，并设置频谱仪：使得它的SPAN（跨度）为0Hz，中心频率为1GHz，幅度参考为－10dbm，视频带宽VBW、分辨力带宽RBW为3MHz（分辨力带宽尽量设大点，E4440的最大分辨力带宽为8MHz），垂直轴为线性方式显示。

图2 调制信号为正弦波的AM波的时域波形图

图3 调制信号为方波的AM波

图4 调制信号为锯齿波的AM波

测试结果分析：图2、3、4分别为调制波为正弦波、方波和锯齿波时候的频谱分析仪的时域测量波形。由于频谱分析仪的时域测量功能显示的是信号的包络，而AM信号可以通过包络检波，所以时域测量波形直接是解调后的波形。通过观察，基本上，解调后的波形和输入的调制波波形一致。我们来看看如何测量调幅波的调制频率和调制指数。调制频率是被解调波形的频率，测试这三个波形的周期就可以获得调制频率，从图上来看，标记1和1R之间（△Mkr1）测得的数据就是频率。由于我们获得的是包络，那根据调幅波的时域特征，测得2和2R之间（△Mkr2）的比值就可以计算调制指数。计算公式如下：

f mod =1/T

m ＝min max min max E E E E +-＝max

min/1max min/1E E E E +- 图2、3、4的测试数据如下

表1 AM 波时域测量数据

从表1来看，调制频率测量基本上非常准确。在实际做实验的时域，由于频谱分析仪是数字化的仪器，在整个波形中，每两个相邻峰值之间测得的周期有时候会有很小的误差，如果要获得更科学的值，可以通过测量多个脉冲之间的时间，然后除以周期数，得到一个相对精度较高的测试值。这里仅仅想描述一下测试功能，这一方面就不多描述了。我们来看，调制指数的结果就不是很好了，方波和正弦波的调制指数结果还比较准确，只有锯齿波（Ramp ）的测量误差比较大。我们来分析一下原因， Ramp 是锯齿波，它在最大最小值之间突变的时候，由于仪器并未完全跟上它的突变，或者它的最小点没有被采样到，这样导致它的调制指数变小。对于这种情况，进行下面的实验来说明调制指数测量误差存在的原因。

（2）对于Ramp 调幅信号进行调制指数测量误差分析

从数据上我们可以看出，在调制频率低于5kHz 的时候，调制指数测量的值基本上是准确的。而当频率越高的时候，采样频率对最小点处的值采样点数减少，直接导致m 的测量值在大于5MHz 后误差增大。

2.2 使用时域测量功能可以区分AM 、窄带FM 信号

单从频谱上，我们无法区分AM 、窄带FM 信号的，但我们可以用时域测量功能来区分AM 、窄带FM 信号。如应用1所描述的，在时域测量情况下，AM 调制信号测量结果是它的解调信号，而FM 是恒包络信号，在时域测量情况下，就成了一条直线。

测试条件：AM 、FM 信号的载波频率为1GHz 、幅度为－10dBm 。AM 信号的调制度为50％，