时频测量原理简述

时频测量原理简述

目录

1 调制域测量

1）什么是调制域测量

2）为什么要进行调制域测量

2 时频测量原理—如何实现调制域测量

1）瞬时频率测量原理

2）无间隔计数器的实现

3）提高测量速度与分辨力的方法

4）调制域分析的应用

5）发展动态

正文内容

1）什么是调制域测量？

电信号的完整关系：可采用三个量以及之间的关系来描述。这三个量就是时间、频率和幅度，其中：幅度-时间关系：示波器；

幅度-频率关系：频谱仪

频率-时间关系：调制域分析仪

下图描述了同一信号在时域（V-T）、频域（V-F）、调制域（F-T）的特性。

调制域分析仪：能够完成时间与频率关系测量的仪器。

调制域即由频率轴（F）和时间轴（T）共同构成的平面域。

调制域测量技术是对时域和频域测量技术的补充和完善。

◆时域与频域分析的局限性

一个实际的信号可以从时域和频域进行描述和分析，时域分析可以了解信号波形（幅值）随时间的直观变化；频域分析则可以了解信号中所含频谱分量，但是，却不能把握各频谱分量在何时出现。

◆调制域概念

在通信等领域中，各种复杂的调制信号越来越多地被人们使用，因而，常常需要了解信号频率随时间的变化，以便对调制信号等进行有效分析——即调制域分析。

调制域即指由频率轴(F)和时间轴(T)共同构成的平面域。

1 调制域测量

2）为什么要进行调制域测量？

在通信等领域中，各种复杂的调制信号越来越多地被人们使用，因而，常常需要了解信号频率随时间的变化，以便对调制信号等进行有效分析——即调制域分析。

方便地表达出频域和时域中难以描述的信号参数和信号特性。为人们对复杂信号的测试和分析提供了方便直观的方法，解决了一些难以用传统方法或不可能用传统方法解决的难题。

4.9.2 时频测量原理

1）瞬时频率测量原理

◆瞬时频率的概念

信号频率随时间的变化，可将频率量视为时间t的连续函数，用f(t)表示。f(t)也代表了时间t时的瞬时频率。

◆平均频率

实际上，由于测量上的困难，瞬时频率只是一种理论上的概念。因为所有测量都需要一定的采样时间（闸门时间），测量结果则为该采样时间内的平均频率。

◆用平均频率逼近瞬时频率

在时间轴上以某个时刻t0为起始点，连续地对被测信号进行采样，则：

各采样计数值Mi与相应时间点ti相对应。则可得到采样时间内的平均频率值。当时间趋于无限小时即可得到各时间点的瞬时频率值。

如下图所示，采样点A作为时间起始点t0，则：

在采样点B得到事件周期值M1和时间标记：t1=N1T0+t0 (T0为时标)

在采样点C得到事件周期值M2和时间标记：t2=N2T0+t1

于是，B点的频率为：f1=M1/(N1T0)=(M1/M2)*F0同理，C点的频率为

f2= (M2/N2)*F0

如此连续不断地测量下去就得到了时频曲线。

2）无间隙计数器的实现

◆无间隙计数器

通用计数器的频率测量，其前后两次闸门之间必然存在一段间隙时间（显示、存储、下一次测量准备），

使有用信息被丢失，导致时间轴上的不连续性。为此，就要使用无间隙计数器方案。

◆实现原理

使用两组计数器交替工作，每一组都包括时间计数器（对时标T0）和事件计数器。当一组计数器工作时，另一组计数器进行数据的显示等工作。

如此往复交替，完成时间轴上无间隙的测量。

工作波形图

原理框图

3）提高测量速度与分辨力的方法

◆采用同步和内插技术提高分辨力

两组基本计数器均采用双计数器(事件计数器和时间计数器)且闸门由输入信号同步，同时采用内插技术进一步提高分辨力。

◆最小采样时间

两组计数器交替计数，即当一组计数器在采样计数时，另一组基本计数器正在进行内插、读数、清零等操作，因此最小采样时间满足下式：

T min=T内插+T计数器稳定+T数据存储+T计数器清零

该式中,后3项取决于器件速度（一般选用高速器件）,因此应设法减小内插时间以提高测量速度。

◆内插时间

在使用模拟内插法时，设开门和关门脉冲的最大宽度为Tm(两个零头时间)，放大倍数为K，则内插时间为：KTm。

为减小内插时间，可提高时基频率（如采用更高频率的晶振）以减小Tm的值。但时基频率的提高将给器件的选择和电路设计带来困难。

减小内插时间还可减小内插系数K，但K值太小测时分辨力降低，为适应某些高测时分辨力要求，必须协调好采样速度和高测时分辨力的矛盾。

一般时间间隔测量的局限性：

为减小量化误差，需减小时标以增大计数值，但时标的减小受时基电路和计数器最高工作频率限制，而计数器也有最大计数容量的限制（最大计数值）。

内插法对已存在的量化误差，测量出量化单位以下的尾数(零头时间)。如下图所示，

则准确的Tx为：Tx=T0+T1-T2

为实现T1-T2的测量，有模拟和数字两种方法。

1）模拟内插法原理

由于T1和T2均很小（小于时标），采用普通的“时标计数法”难以实现（需要非常小的时标）。其实现的基本思路是：对T1和T2作时间扩展（放大）后测量。

三次测量

若T1、T2均扩展k倍，采用同一个时标（设为τ0）分别测量T0、kT1、kT2，设计数值分别为：N0、N1、N2，

则：

TX=T0+T1-T2=(N0+(N1-N2)/k) τ0

意义：上式由于T0=N0τ0不存在量化误差，总量化误差由(N1-N2)引起，降低了k倍。相当于用τ0/k时标的普通时间测量。

2）时间扩展电路

◆时间扩展电路

如下图所示：