信號源分析儀瞬態(tài)測試應(yīng)用—鎖相環(huán)的跳頻測量

E5052B上的瞬態(tài)測試功能是分析信號時域變化的強(qiáng)大工具，用戶可以利用該測試功能分析其信號的頻率，幅度，相位的時域變化。瞬態(tài)測量方式有窄帶(narrowband frequency)及寬帶(wideband frequency)兩種：1)窄帶頻率模式的最大可測量頻率變化是80MHz(載波大于800MHz時)，頻率分辨率高(可至mHz)，可對80MHz范圍內(nèi)的小頻率變化進(jìn)行精確測量。2)寬帶頻率模式最大的頻率變化不受80MHz的限制，由輸入信號載波的頻率段決定，最大頻率范圍是2.4-7.2GHz(帶寬4.8GHz)，但是頻率分辨率較窄帶模式低(最低的頻率分辨率是1kHz，0.05至0.15GHz時)。

目前的無線通信應(yīng)用中，鎖相環(huán)是頻率合成中經(jīng)常會使用的技術(shù)。由于其具有高頻率、寬頻、頻譜質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，常常會配合其他的頻率合成技術(shù)一起使用，如與直接數(shù)字合成技術(shù)(DDS)結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)快速跳頻，高相位噪聲的信號輸出。在設(shè)計(jì)及驗(yàn)證鎖相環(huán)時，用戶不僅需要對其輸出的頻率跳變進(jìn)行驗(yàn)證，還需要對其從頻率變化開始至穩(wěn)定的時間進(jìn)行測量。下面我們以鎖相環(huán)(PLL)的測試為例，介紹E5052B的瞬態(tài)測試應(yīng)用。

當(dāng)鎖相環(huán)的輸出信號頻率跳變較寬，而且用戶需要同時觀察其從起始頻率至終止頻率的變化時，可以使用E5052B瞬態(tài)測試中的寬帶-窄帶測試模式，如圖1 所示。在測試中，寬帶頻率窗口與窄帶頻率窗口中的測試是并行同步的，用戶可以在寬帶窗口觀察信號從起始頻率至終止頻率的整個頻率變化過程，然后在窄帶窗口中測量信號在終止頻率的變化細(xì)節(jié)。E5052B的內(nèi)部系統(tǒng)框圖如下圖所示，DUT(被測物)的信號輸入儀表后，通過功分器分成兩路，上面的一路是寬帶測試：利用分頻器將輸入頻率分至低頻后直接數(shù)模轉(zhuǎn)換并分析;下面的一路是窄帶測試：輸入信號通過混頻器，頻率搬移至中頻后數(shù)模轉(zhuǎn)換并分析。由于整個處理過程是并行的，故寬帶窗口與窄帶窗口的時間是同步的。

圖1 寬帶-窄帶測試模式的系統(tǒng)框圖

在寬帶-窄帶模式設(shè)置中，需要注意兩個方面：1)設(shè)置中的目標(biāo)頻率(Target Freq)需要與被測信號跳變終止時的頻率一致，而且窄帶窗口的頻率變化需要在窄帶模式的頻率范圍內(nèi)，否則信號無法在窄帶模式中測量。2)設(shè)置中的窄帶頻率范圍(Freq Range)需要根據(jù)用戶所需要的頻率分辨率及時間分辨率進(jìn)行折衷：因?yàn)镋5052B設(shè)置的頻率范圍越寬，時間分辨率越高，如在80MHz頻率范圍時，最高的時間分辨率是8ns，而在1.6MHz頻率范圍時，最高的時間分辨率只有0.13us;但設(shè)置的頻率范圍越寬，頻率分辨率卻會越低，如在80MHz時，最高的頻率分辨率只有7kHz，而在1.6MHz時，分辨率最高可達(dá)110Hz。故假如被測信號的跳變速度快，那么儀表的頻率范圍越寬越容易得到較好的時間測試精度;但是若被測信號跳變速度不快，而且需要得到較好分辨率卻需要頻率范圍越小越好。

圖2，圖3為由信號源E4438C輸出的100MHz的信號在不同頻率范圍的測試結(jié)果，由于其E4438C的頻率穩(wěn)定度很好(Residual FM小于1Hz)，所以在窄帶窗口測試出來的噪聲實(shí)際上是儀表的內(nèi)部底噪，可以看出在25kHz時的底噪明顯要比200kHz時的底噪小。

圖2 窄帶頻率范圍為200kHz時的100MHz信號測試結(jié)果

圖3 窄帶頻率范圍為25kHz時的100MHz信號測試結(jié)果

通過對頻率范圍的合理設(shè)置，用戶可以在較高的頻率分辨率下測量信號的時域變化，如圖4所示。圖4是一個載波為4.6199996GHz，頻率跳變400Hz的測試結(jié)果，其跳變時間是91.3us。圖中窄帶窗口的測試曲線的波紋較大，是由于信號的輸入功率是-24dBm，比儀表所要求的最小輸入功率-20dBm低所導(dǎo)致的。由此處可以看出，若用戶需要得到最高的測試精度，除了要考慮頻率范圍對時間分辨率和頻率分辨率的影響，輸入功率的大小也不能太低。

圖4中心頻率為4.6199996GHz，頻率跳變400Hz的信號

雖然寬帶-窄帶模式是最常用的，但是它也有其局限之處，由于窄帶模式最寬的頻率測量范圍只有80MHz，當(dāng)信號變化超過80MHz時，該模式只能對信號起始和終止頻率的其中一個進(jìn)行細(xì)節(jié)的測量，用戶不可同時對鎖相環(huán)起始和終止頻率進(jìn)行頻率分辨率較高的測量。所以假如需同時細(xì)致測量起始頻率及終止頻率，要利用E5052B上的另一種測量模式：窄帶-窄帶模式(Narrow-Narrow Band Mode)。我們可以利用窄帶-窄帶模式準(zhǔn)確測量鎖相環(huán)從起始頻率跳變至終止頻率且穩(wěn)定鎖相時的過程。

E5052B的窄帶-窄帶模式與寬帶-窄帶模式最大的變化是DUT功分之后的兩路信號都是用外差式的接收機(jī)結(jié)構(gòu)來分析，而且兩路信號的本振是共用同一個參考晶振，保證其相參。由于兩路信號都是同步處理，所以兩路信號的時間測量結(jié)果也是同步的。

圖5窄帶-窄帶模式的系統(tǒng)框圖

例如某鎖相環(huán)的調(diào)頻是從4.6199995GHz跳至4.828GHz，由于頻率變化超過80MHz，已經(jīng)不能直接用一個窄帶模式來分析，此時利用窄帶-窄帶模式，分別其起始頻率設(shè)置為窄帶1(NB1)的目標(biāo)頻率，終止頻率設(shè)為窄帶2(NB2)，即可利用該模式分析鎖相環(huán)從開始到鎖相結(jié)束的時間，結(jié)果如圖6所示。圖中的測量曲線波紋較大也是由于輸入功率低于-20dBm所引起，假如輸出功率大于-20dBm，測試的結(jié)果會更準(zhǔn)確。

窄帶-窄帶分析模式的每一個測量通道NB1和NB2其實(shí)也受到窄帶分析帶寬最大不超過80MHz的限制，但是由于他們的目標(biāo)頻率(Target Freq)可以獨(dú)立設(shè)置，所以相當(dāng)于用戶可在整個被測信號的頻率變化過程中，任取兩段80MHz的頻率范圍來觀察。而且兩個窄帶通道的頻率測量范圍可根據(jù)不同的頻率分辨率及時間分辨率來需要獨(dú)立設(shè)置。所以該模式適合于測量頻率合成器的跳頻鎖相時間。

圖6 窄帶-窄帶模式分析鎖相環(huán)調(diào)頻時間的結(jié)果

總結(jié)：在測試時，用戶可根據(jù)其信號頻率變化的特點(diǎn)自由選擇寬帶-窄帶及窄帶-窄帶兩種測試模式。寬帶-窄帶模式適合于觀察頻率跳變的整個變化過程，窄帶-窄帶模式適合于對起始及終止頻率的變化過程進(jìn)行細(xì)致分析。