信號(hào)源分析儀瞬態(tài)測(cè)試應(yīng)用—鎖相環(huán)的跳頻測(cè)量

E5052B上的瞬態(tài)測(cè)試功能是分析信號(hào)時(shí)域變化的強(qiáng)大工具，用戶可以利用該測(cè)試功能分析其信號(hào)的頻率，幅度，相位的時(shí)域變化。瞬態(tài)測(cè)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(cè)量頻率變化是80MHz(載波大于800MHz時(shí))，頻率分辨率高(可至mHz)，可對(duì)80MHz范圍內(nèi)的小頻率變化進(jìn)行精確測(cè)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(hào)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(shí))。

目前的無(wú)線通信應(yīng)用中，鎖相環(huán)是頻率合成中經(jīng)常會(huì)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(huì)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(hào)輸出。在設(shè)計(jì)及驗(yàn)證鎖相環(huán)時(shí)，用戶不僅需要對(duì)其輸出的頻率跳變進(jìn)行驗(yàn)證，還需要對(duì)其從頻率變化開(kāi)始至穩(wěn)定的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。下面我們以鎖相環(huán)(PLL)的測(cè)試為例，介紹E5052B的瞬態(tài)測(cè)試應(yīng)用。

當(dāng)鎖相環(huán)的輸出信號(hào)頻率跳變較寬，而且用戶需要同時(shí)觀察其從起始頻率至終止頻率的變化時(shí)，可以使用E5052B瞬態(tài)測(cè)試中的寬帶-窄帶測(cè)試模式，如圖1 所示。在測(cè)試中，寬帶頻率窗口與窄帶頻率窗口中的測(cè)試是并行同步的，用戶可以在寬帶窗口觀察信號(hào)從起始頻率至終止頻率的整個(gè)頻率變化過(guò)程，然后在窄帶窗口中測(cè)量信號(hào)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(cè)物)的信號(hào)輸入儀表后，通過(guò)功分器分成兩路，上面的一路是寬帶測(cè)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(cè)試：輸入信號(hào)通過(guò)混頻器，頻率搬移至中頻后數(shù)模轉(zhuǎn)換并分析。由于整個(gè)處理過(guò)程是并行的，故寬帶窗口與窄帶窗口的時(shí)間是同步的。

圖1 寬帶-窄帶測(cè)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(gè)方面：1)設(shè)置中的目標(biāo)頻率(Target Freq)需要與被測(cè)信號(hào)跳變終止時(shí)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(hào)無(wú)法在窄帶模式中測(cè)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(shí)間分辨率進(jìn)行折衷：因?yàn)镋5052B設(shè)置的頻率范圍越寬，時(shí)間分辨率越高，如在80MHz頻率范圍時(shí)，最高的時(shí)間分辨率是8ns，而在1.6MHz頻率范圍時(shí)，最高的時(shí)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(huì)越低，如在80MHz時(shí)，最高的頻率分辨率只有7kHz，而在1.6MHz時(shí)，分辨率最高可達(dá)110Hz。故假如被測(cè)信號(hào)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(shí)間測(cè)試精度;但是若被測(cè)信號(hào)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(hào)源E4438C輸出的100MHz的信號(hào)在不同頻率范圍的測(cè)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(cè)試出來(lái)的噪聲實(shí)際上是儀表的內(nèi)部底噪，可以看出在25kHz時(shí)的底噪明顯要比200kHz時(shí)的底噪小。

圖2 窄帶頻率范圍為200kHz時(shí)的100MHz信號(hào)測(cè)試結(jié)果

圖3 窄帶頻率范圍為25kHz時(shí)的100MHz信號(hào)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)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(cè)量信號(hào)的時(shí)域變化，如圖4所示。圖4是一個(gè)載波為4.6199996GHz，頻率跳變400Hz的測(cè)試結(jié)果，其跳變時(shí)間是91.3us。圖中窄帶窗口的測(cè)試曲線的波紋較大，是由于信號(hào)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(cè)試精度，除了要考慮頻率范圍對(duì)時(shí)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(hào)

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(cè)量范圍只有80MHz，當(dāng)信號(hào)變化超過(guò)80MHz時(shí)，該模式只能對(duì)信號(hào)起始和終止頻率的其中一個(gè)進(jìn)行細(xì)節(jié)的測(cè)量，用戶不可同時(shí)對(duì)鎖相環(huán)起始和終止頻率進(jìn)行頻率分辨率較高的測(cè)量。所以假如需同時(shí)細(xì)致測(cè)量起始頻率及終止頻率，要利用E5052B上的另一種測(cè)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(cè)量鎖相環(huán)從起始頻率跳變至終止頻率且穩(wěn)定鎖相時(shí)的過(guò)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(hào)都是用外差式的接收機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)分析，而且兩路信號(hào)的本振是共用同一個(gè)參考晶振，保證其相參。由于兩路信號(hào)都是同步處理，所以兩路信號(hào)的時(shí)間測(cè)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(guò)80MHz，已經(jīng)不能直接用一個(gè)窄帶模式來(lái)分析，此時(shí)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(kāi)始到鎖相結(jié)束的時(shí)間，結(jié)果如圖6所示。圖中的測(cè)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(cè)試的結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確。

窄帶-窄帶分析模式的每一個(gè)測(cè)量通道NB1和NB2其實(shí)也受到窄帶分析帶寬最大不超過(guò)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(gè)被測(cè)信號(hào)的頻率變化過(guò)程中，任取兩段80MHz的頻率范圍來(lái)觀察。而且兩個(gè)窄帶通道的頻率測(cè)量范圍可根據(jù)不同的頻率分辨率及時(shí)間分辨率來(lái)需要獨(dú)立設(shè)置。所以該模式適合于測(cè)量頻率合成器的跳頻鎖相時(shí)間。

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

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