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脈沖信號(hào)測(cè)試如何選擇示波器帶寬

射頻問問 ? 來源:射頻問問 ? 2023-07-27 10:21 ? 次閱讀

RF測(cè)試筆記是業(yè)界一線工程師們通過理論和實(shí)踐相結(jié)合的方式介紹射頻微波測(cè)試技術(shù)的專欄,主要涵蓋噪聲系數(shù)、數(shù)字調(diào)制、矢網(wǎng)、頻譜分析、脈沖信號(hào)等內(nèi)容。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問題,可以在文尾寫下留言。

示波器模擬帶寬的定義大家都比較熟悉,是針對(duì)于正弦波信號(hào)定義的。從頻域上看,正弦波信號(hào)的頻譜就是單根譜線,只要示波器的帶寬不小于信號(hào)的頻率,那么就可以有效觀測(cè)到波形。若要追求更高的幅度測(cè)試精度,則可以按照5倍法則選擇示波器的帶寬,即示波器帶寬不低于待測(cè)信號(hào)頻率的5倍!

與正弦波信號(hào)不同,脈沖信號(hào)由于具有很多諧波頻率分量,為了信號(hào)保真度,其對(duì)示波器的帶寬提出了更高的要求。脈沖信號(hào)又分為基帶脈沖信號(hào)和射頻脈沖信號(hào),本文將從這兩個(gè)方面著手定性的分析脈沖信號(hào)測(cè)試對(duì)示波器帶寬的要求。

1. 基帶脈沖信號(hào)測(cè)試:對(duì)于這類信號(hào),有一個(gè)參數(shù)對(duì)示波器的帶寬要求極高,那就是上升/下降時(shí)間。如果比較關(guān)注上升/下降時(shí)間的測(cè)試精度,則示波器本身的上升時(shí)間一定要盡量小,這就要求帶寬足夠大,具體選擇方法可參考文章《選擇示波器時(shí)的“5倍法則”》。

如果不要求準(zhǔn)確測(cè)試上升/下降時(shí)間,而關(guān)注更多的是脈寬、周期、幅度等參數(shù),則應(yīng)該如何選擇示波器帶寬呢?這就需要了解基帶脈沖信號(hào)的頻譜了,假設(shè)圖1所示基帶脈沖的脈寬為PW,周期為 PRI,則相鄰譜線間距為 1/PRI。為方便起見,圖2所示的頻譜示意圖只包含了主瓣和第一旁瓣,理論上講,脈沖的頻譜包含無數(shù)多個(gè)旁瓣,只是越遠(yuǎn)離主瓣,旁瓣的幅度越小。

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圖1. 基帶脈沖信號(hào)

從示波器的角度講,如果要得到良好的觀測(cè)效果,當(dāng)然帶寬越大越好,這樣脈沖有更多的旁瓣會(huì)被采集,波形保真度會(huì)更好。如果示波器的帶寬不夠,那么高頻諧波分量就會(huì)被抑制掉,從波形上看,快沿變緩了。舉一個(gè)極端的例子,如果示波器的帶寬只允許基波通過,則看到的波形就是一個(gè)正弦波。

對(duì)于基帶脈沖信號(hào)的頻譜,脈寬PW決定了第一零點(diǎn)帶寬,脈沖的大部分功率都集中在了第一零點(diǎn)帶寬以內(nèi)。當(dāng)然,脈沖信號(hào)的頻譜服從Sa(f) 函數(shù)分布,第一旁瓣也攜帶較多的功率,距離主瓣越遠(yuǎn)的旁瓣,攜帶的功率越少。

推薦的示波器帶寬至少要能夠包含第1旁瓣,才會(huì)得到比較好的測(cè)試效果。舉例:基帶脈沖寬度為1ns,則第一零點(diǎn)帶寬為1GHz,如果要覆蓋第一旁瓣,則建議示波器的帶寬為2GHz或者更大。

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圖2. 基帶脈沖信號(hào)的頻譜示意圖

2. 射頻脈沖的測(cè)試:與基帶脈沖不同,射頻調(diào)制脈沖是指在脈內(nèi)引入了載波,圖3給出了最簡單的射頻脈沖。從本質(zhì)上講,這種射頻脈沖生成的過程就是基帶脈沖對(duì)載波調(diào)幅的過程,因此射頻脈沖的頻譜與基帶脈沖頻譜基本相同,只是前者將頻率搬移至載波 fc 處,如圖4所示。

對(duì)于射頻脈沖信號(hào)的測(cè)試,如何考慮示波器的帶寬呢?類似地,如果對(duì)上升沿/下降沿測(cè)試要求不高,則推薦的示波器的帶寬應(yīng)在原來的基礎(chǔ)上再加上 fc 。舉例:射頻脈沖載波頻率為1GHz,脈寬為1ns,則推薦的示波器帶寬不應(yīng)低于3GHz。

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圖3. 最簡單的射頻脈沖:脈內(nèi)為CW信號(hào)

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圖4. 射頻調(diào)制脈沖的頻譜示意圖

以上考慮的是簡單射頻脈沖的情況,對(duì)于采用復(fù)雜調(diào)制的射頻脈沖信號(hào)又該如何選擇帶寬呢?

以應(yīng)用較多的線性調(diào)頻脈沖(chirp pulse) 為例,其頻譜不再服從Sa(f) 分布,而是類似于帶通濾波器的幅頻響應(yīng),沒有較高幅度的旁瓣,如圖5所示,這是使用泰克示波器 MSO64 的全新頻譜分析模式Spectrum View 實(shí)測(cè)的chirp pulse 波形和頻譜。Chirp pulse 信號(hào)具有一定的調(diào)制帶寬BW,測(cè)試這類信號(hào)時(shí),推薦的示波器帶寬不能小于:fc + BW/2 .

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圖5. 使用泰克MSO64示波器實(shí)測(cè)的chirp pulse波形及頻譜

審核編輯:湯梓紅

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原文標(biāo)題:脈沖信號(hào)測(cè)試應(yīng)如何選擇示波器帶寬?

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