利用混合域分析儀進(jìn)行跨域分析
MDO4000系列混合域分析儀（圖1），是一款具有創(chuàng)新意義的分析儀，至今已經(jīng)獲得國內(nèi)外十多個(gè)最佳創(chuàng)新獎項(xiàng)。原因?yàn)镸DO4000的“五機(jī)合一”特色，即：四通道500MHz/1GHz帶寬數(shù)字熒光示波器，16通道邏輯分析儀，多種總線協(xié)議分析儀，3GHz/6GHz頻譜分析儀，以及大于等于1GHz帶寬的調(diào)制域分析儀。這五種功能工作在同一時(shí)鐘、同一觸發(fā)機(jī)制下，使得MDO4000具有創(chuàng)新的時(shí)域、頻域和調(diào)制域時(shí)間相關(guān)的跨域分析功能。 圖1:MDO4000系列混合域分析儀。 跨域分析簡介 隨著嵌入式技術(shù)、軟件無線電技術(shù)及數(shù)字射頻技術(shù)的發(fā)展，在設(shè)計(jì)、開發(fā)和調(diào)試這些系統(tǒng)的射頻驅(qū)動電路時(shí)，僅僅從頻域或時(shí)域進(jìn)行測試，已經(jīng)無法滿足它們對高效率、高可靠性的需求。這需要一種測試工具，可以將射頻信號當(dāng)作示波器的一個(gè)通道看待，在時(shí)域上將基帶信號、控制信號、總線信號、頻譜及射頻信號的調(diào)制域特性有機(jī)地結(jié)合在一起。這就是時(shí)域、頻域、調(diào)制域時(shí)間相關(guān)的跨域分析。目前，泰克MDO4000系列混合域分析儀是僅有的可以進(jìn)行跨域分析的分析儀。 圖2（a）是典型的MDO4000系列混合域分析儀進(jìn)行時(shí)間相關(guān)的跨域分析示意圖。圖中上半部分為時(shí)域波形，下半部分為頻域頻譜。這張圖顯示了2.4GHz載波被基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行ASK調(diào)制的過程。圖中，黃色為基帶信號，藍(lán)色為位參考信號。位參考信號兩個(gè)寬脈沖間共有七個(gè)位間隔，用以分隔8個(gè)串行二進(jìn)制數(shù)，因此，黃色的基帶數(shù)據(jù)在位參考信號的分隔下呈現(xiàn)為數(shù)據(jù)0~7.那么哪里體現(xiàn)了時(shí)域、頻域的時(shí)間相關(guān)特性？在圖2（a）、2（b）上半部分中，紅色圓圈框住的橙色條表示頻譜在時(shí)間軸上的時(shí)刻，也就是說，圖2（a）、2（b）顯示的頻譜在時(shí)間軸上是上半部分橙色框時(shí)刻的頻譜。通過移動橙色框在時(shí)間軸上的位置，下半部分的頻譜就會有相應(yīng)變化。 另一方面，在圖2（a）中，上半部分時(shí)域顯示還有一條橙色波形，該波形幾乎與黃色基帶信號一模一樣，實(shí)際上該波形為2.4GHz載波信號的幅度隨時(shí)間的變化，即射頻信號的調(diào)制域波形。由此可見，利用時(shí)間相關(guān)的跨域分析，可以輕松測試基帶信號、控制信號、射頻頻譜及射頻信號的調(diào)制域特性之間的因果關(guān)系。 圖2:MDO4000系列跨域分析示意圖。 如何實(shí)現(xiàn)跨域分析 既然跨域分析指的是時(shí)域、頻域、調(diào)制域協(xié)同分析，那么能否將用于時(shí)域分析的示波器和頻域及調(diào)制域分析的頻譜儀或矢量信號分析儀組成測試系統(tǒng)進(jìn)行跨域分析？答案是否定的！因?yàn)槭静ㄆ骱皖l譜儀或矢量信號分析儀是不同的儀器，即使都用外部時(shí)鐘同步，但獨(dú)立的觸發(fā)機(jī)制使得它們難以獲得相同時(shí)基；即使忽略各儀器觸發(fā)的不確定性所帶來的時(shí)基誤差，各臺儀器分別顯示的結(jié)果也很難在時(shí)間軸上對應(yīng)起來。 或許有人會提出這樣一個(gè)疑問：既然示波器可以測試各通道不同信號的時(shí)序關(guān)系，如果犧牲一個(gè)示波器通道，將射頻信號接到該通道，然后利用示波器的FFT顯示該通道的頻譜，這樣不是就可以進(jìn)行跨域分析了嗎？答案同樣也是否定的。 圖3是示波器截圖，1通道黃色信號為控制脈沖，2通道藍(lán)色信號為數(shù)據(jù)，3通道粉絲信號為接入的射頻信號，紅色曲線為3通道射頻信號的FFT頻譜。該射頻信號在控制脈沖發(fā)出以前發(fā)射900MHz載波，在控制脈沖發(fā)出后發(fā)射2.4GHz載波。從這張截圖可以發(fā)現(xiàn)如下問題：該示波器帶寬為1GHz,因此3通道無法正確顯示控制脈沖以后的2.4GHz載波；紅色FFT頻譜為3通道全部樣點(diǎn)的FFT,沒有時(shí)間軸上的信息。鑒于以上兩點(diǎn)，紅色FFT頻譜僅顯示900MHz載波頻譜，無法顯示整個(gè)頻譜變化的過程，因此這種方法無法用于跨域分析。 圖3:示波器截圖。 作為對比，將上圖中3通道射頻信號接入頻譜儀，其顯示頻譜如圖4（a）所示。在該頻譜中，可以同時(shí)看到900MHz與2.4GHz信號。將圖4（a）的頻譜顯示改為最大保持模式，得到圖4（b）的頻譜。我們發(fā)現(xiàn)在2.5GHz處會時(shí)斷時(shí)續(xù)地出現(xiàn)一個(gè)信號。 圖4（a）、4（b）是頻譜儀可以得到的最大信息。我們無法從中看出該頻譜隨時(shí)間的變化，更無法得到射頻信號與控制脈沖之間的時(shí)序關(guān)系。MDO4000分析儀的出現(xiàn)很好地解決了時(shí)間和觸發(fā)的同步問題，使得頻域、時(shí)域、調(diào)制域波形得以在時(shí)間軸上同步顯示，為嵌入式、數(shù)字射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)、調(diào)試提供了創(chuàng)新的手段。 圖4:頻譜儀可得到的最大信息。 下面通過圖5（a）~（c）來示意MDO4000分析儀的跨域分析能力。MDO4000的1通道接入控制脈沖信號（黃色），其它通道信號將在下文做進(jìn)一步說明。在每張截圖旁邊，分別標(biāo)注了紅色箭頭，指向當(dāng)前的頻譜時(shí)刻和頻譜顯示的相應(yīng)載波。圖5（a）中，頻譜時(shí)刻位于控制脈沖左側(cè)，此時(shí)射頻信號頻率為900MHz;圖5（b）中，頻譜時(shí)刻位于控制脈沖時(shí)刻，此時(shí)沒有射頻信號；圖5（c）中，頻譜時(shí)刻位于控制脈沖右側(cè)較遠(yuǎn)處，此時(shí)射頻信號頻率為2.4GHz. 圖5:MDO4000分析儀跨域分析能力。 通過這一實(shí)例，可以輕松地看到射頻信號的頻譜與控制脈沖之間的關(guān)系，充分體現(xiàn)了跨域分析的特點(diǎn)與優(yōu)勢。 幫助提高系統(tǒng)的控制及編程效率 幫助提高系統(tǒng)的控制效率及編程效率 在圖5（a）~（c）的案例中，僅解釋了射頻信號與控制脈沖之間的關(guān)系，對其它信號并未解釋。下面將圖5（a）~（c）案例中的時(shí)基展開，得到圖7（a）~（d），來分析一下該系統(tǒng)工作過程。在黃色觸發(fā)脈沖發(fā)出以前，該系統(tǒng)射頻為900MHz（圖5（a）），黃色觸發(fā)脈沖發(fā)出后，射頻信號經(jīng)短暫的時(shí)延后中斷發(fā)射。在黃色觸發(fā)脈沖結(jié)束時(shí)，SPI總線發(fā)出第一組指令7C-00-93H;經(jīng)80us后又發(fā)出第二組指令00-00-20H;再經(jīng)80us發(fā)出第三組指令20-31-41H.通過上節(jié)鎖相環(huán)及跳頻案例，可以知道，第三組20-31-41H指令是控制鎖相環(huán)鎖定到2.4GHz的指令。因此，在第三組指令發(fā)出后，VCO開始工作，經(jīng)160us達(dá)到鎖定狀態(tài)，射頻信號最終穩(wěn)定在2.4GHz頻率上（圖7（d））。 圖7:將圖5案例中的時(shí)基展開。 然而，本例中的指令分三組發(fā)出，每組間有80us的時(shí)延。在前兩組指令發(fā)出時(shí)，射頻工作在2.5G左右，等于空耗了160us的時(shí)間，設(shè)計(jì)效率大大降低。這對需要實(shí)時(shí)控制的嵌入式或數(shù)字射頻系統(tǒng)來說，是不可接受的。 通過本測試案例，可以看到跨域分析能夠使得射頻信號與控制信號間的時(shí)序關(guān)系成為可能。有了這樣的測試結(jié)果，在編程或設(shè)計(jì)控制信號時(shí)序時(shí)，能夠在保留必要冗余的前提下，最大限度地減少射頻等待發(fā)射的時(shí)間，從而提高系統(tǒng)的工作效率。 發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)手段難以發(fā)現(xiàn)的潛在問題，提高系統(tǒng)可靠性 在之前的實(shí)例中，曾展示了利用MDO4000測試基帶調(diào)制信號與射頻信號之間的時(shí)延。該時(shí)延為10us左右，轉(zhuǎn)換為頻率約100KHz.可以預(yù)見，如果該系統(tǒng)的基帶調(diào)制信號的速率高于100KHz,由于射頻信號的時(shí)延，該系統(tǒng)將無法正常工作。MDO4000發(fā)現(xiàn)了該系統(tǒng)的潛在問題。 幫助查找系統(tǒng)中的噪聲來源 簡單的數(shù)字調(diào)制射頻模塊（如ASK、FSK）被廣泛應(yīng)用于各種無線監(jiān)控系統(tǒng)，如汽車胎壓監(jiān)測、汽車遙控鑰匙、RFID等系統(tǒng)中。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是簡單、低價(jià)，但在設(shè)計(jì)電路時(shí)，如果忽略射頻信號對電路的影響，有可能造成控制失效的問題。射頻模塊對電路的影響，主要體現(xiàn)在對電源的影響。圖8（a）和8（b）分別示意了ASK射頻模塊和FSK射頻模塊對電路中的電流和電壓的影響。 在兩圖上半部分中，黃色信號為系統(tǒng)電壓波形，綠色信號為系統(tǒng)電流波形，橙色信號為射頻信號的調(diào)制域波形，而圖中下半部分為射頻信號的頻譜。在圖8（a）中，可以看到ASK射頻信號發(fā)出后，其電壓與電流波形都被疊加了噪聲；而在圖8（b）中，電壓被疊加了噪聲，電流卻很干凈。這說明FSK調(diào)制方式可以降低射頻模塊對電壓的影響。 圖8:ASK射頻模塊和FSK射頻模塊對電路中的電流和電壓的影響。 本文小結(jié) 作為創(chuàng)新的測試工具，泰克混合域分析儀MDO提供了一種全新的測試?yán)砟?跨域分析?？缬蚍治鰹榍度胧缴漕l系統(tǒng)、數(shù)字射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)測、研發(fā)提供了一種高效、方便的新手段。MDO4000的出現(xiàn)，勢必對測試標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
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