详解脉冲信号原理与测量

以下介绍的脉冲调制信号主要指周期脉冲调制信号的分析与测量,对于非周期的脉冲调制信号的分析与测量不在本文赘述。

前言

脉冲调制技术在雷达、电子战和数字通信系统中应用十分广泛,与连续波信号相比,脉冲信号的测量更为困难。表征脉冲调制信号的主要参数有:脉冲宽度、脉冲周期、脉冲重复频率,峰值功率和平均功率等。

在时域里,用示波器很容易观察脉冲调制信号,测量脉冲的上升时间和下降时间;但相比较而言,信号分析仪具有更大的动态范围。随着现代数字处理技术的广泛应用,信号分析仪亦大面积用于脉冲调制信号的频谱测量。

测试脉冲调制信号,可以使用普尚信号分析仪的Zero Span和脉冲分析选件,合理设置信号分析仪的分辨率带宽(RBW)、扫频宽度(span)、扫描时间(sweep time)等,是获得真实脉冲信号的关键。

脉冲信号测量原理

2.1脉冲调制信号分析与测量

信号分析仪只能测量幅度信息,而不能测量相位信息,因此信号分析仪观察的脉冲调制信号频谱全部是正向的。采样信号分析仪测量脉冲射频信号时,选择不同的分辨率带宽,将显示不同的频谱。当采用窄的分辨带宽时,显示频谱呈现离散的谱线;当采用宽的分辨带宽时,这些谱线便融合在一起,频谱呈连续状。利用线状谱和脉冲谱的频谱特性,可以测量脉冲调制参数。

2.1.1线状谱

当信号分析仪的分辨率带宽足够窄,信号分析仪上将清楚地呈现出每一条谱线,对于线状谱显示的一般要求是:RBW<0.3PRF,其中PRF为脉冲重复周期。

此时,每一个带宽内,只有一根谱线,所显示的结果非常接近于脉冲信号频谱。因此只要不要违背对分辨率带宽的扫描限制,改变扫描时间,谱线之间的间距将不发生变化。利用这一特点,可以方便地计算出脉冲调制信号的PRF和脉宽指标。

例如设置载波信号的频率为1GHz,幅度为0dBm,脉冲波形的脉宽为10us,周期T为100us。从理论计算可得:脉冲重复周期PRF=1/T=1/100us=10KHz。设置信号分析仪的RBW为1KHz,扫频宽度为500KHz,可获得图1这样的线谱图。

从图1可以观察到,谱线间的间隔约为10KHz,所以,PRF=10KHz;频谱包络的第一个零点出现在第10根谱线上,频率间隔约为100KHz,有效脉冲宽度S=1/100KHz=10us,测量数据与理论数据相比较,误差较小。

图1 线状谱

2.1.2脉冲谱

线状谱表征的是脉冲谱单独的谱线。在雷达和通信系统中,只关注单独的谱线是不够的。在大多数情况下,例如,在分析具有低PRF的短脉冲串的雷达信号时,往往更关注的是与脉冲有关的频谱,而无须关注个别谱线的细节。

同样以SP206V信号发生器和SP926B信号分析仪为例介绍脉冲谱:设置载波信号的频率为1GHz,幅度为0dBm,脉冲波形的脉宽为10us,周期T为100us。

峰值功率:设置RBW足够大,使频谱主瓣刚好变模糊,用Peak Search测的点,即为脉冲的真实峰值功率,如图2,此时测量结果为-0.52dB,与设置值误差很小。

图2 脉冲峰值功率测量

有效脉冲宽度:调整RBW,可以清晰地看到脉冲谱的包络,如图3,可观察到脉冲谱的第一个零点出现在100KHz附近,所以有效脉冲宽度为τ=1/100KHz=10us.

图3 脉冲有效宽度测量

2.2 Zero Span功能

为了对脉冲宽度进行准确测量,还可以利用信号分析仪来测量脉冲射频的时域特性(在零扫宽模式下),将信号分析仪的轨迹点增至最大,确保RBW足够宽,即可准确测量脉冲宽度和重复时间。

设置不同的分辨率带宽RBW,会影响脉冲测量的准确性。如图4,对应不同的RBW,最终测量所得的脉冲波形也有极大的区别。这个要从脉冲信号的频谱成份说起,对脉冲信号进行傅立叶变换,就可以知道脉冲是由某一频率的基频和各次倍频的正弦波信号叠加而成的,也就是有f,2f,3f,4f…….频率分量的正弦波合成的。RBW类似于滤波器,带宽越窄,就会把越多的高频信号都滤掉了,然后只剩下低频成分了。这样脉冲信号看起来越像正弦波。如图4和图5,分别测量了RBW为10MHz和30KHz,对应的脉冲信号波形。很明显,RBW明显偏小之后,测量的脉冲波形出现了明显的变形和畸变。

图4 不同RBW下的脉冲波形

通过Zero Span功能,还可以更为直观的读取峰值功率,脉冲宽度,脉冲周期等指标。

图5 利用Zero Span功能,可以快速标记峰值功率,脉冲宽度,脉冲周期等指标

2.3脉冲分析应用

普尚SP900系列信号分析仪的脉冲分析应用(SP967EM0E)也可以方便快捷的进行脉冲波形的时间、电平和调制参数的自动测量以及脉冲序列的统计分析。如图6所示,就是信号分析仪的实测结果,测量结果显示,脉冲分析应用的测量结果与前文所述的Zero Span等测量方法,对于最大功率,脉宽,重复周期等参数的测量,保持了很好的一致。

这里需要特别注意的是,脉冲分析应用对于窄脉冲的测量,需要更大的分析带宽,否则测量结果也很不准确;例如普尚SP926B信号分析仪(160MHz分析带宽),设置采样率200MHz能基本准确测量20ns脉冲信号;而更大的带宽,如普尚SP900P信号分析仪(500MHz分析带宽) ,设置采样率600MHz)测试20ns脉宽信号,测量结果无太大差异。

图6 脉冲分析功能快速测量脉冲信号

普尚简介

使用普尚SP200系列信号发生器具有出色的相位噪声、ACPR、EVM,经过验证的可扩展平台以及经济高效的校准和内部诊断功能,可支持输出最窄20ns的脉冲,结合普尚SP900系列高性能信号分析仪进行测试,可覆盖最新的无线通信标准信号(如5G NR、WLAN、Bluetooth等)的信号解调分析,为窄脉冲信号分析提供有力支持,最大分析带宽可以达到510MHz,搭配量身订制的选件可充分发挥仪器的价值,满足多样化测试需求。

普尚电子创立二十年来努力实现进口测试测量仪表的国产化替代,并致力于为客户提供高性价比的测试测量解决方案。如有更多技术交流及合作意向请联系我们,普尚欢迎您的加入!