安捷倫科技射頻微波應用工程師--吳輝

E5052B上的瞬態測試功能是分析信號時域變化的強大工具，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范圍內的小頻率變化進行精確測量。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）。

目前的無線通信應用中，鎖相環是頻率合成中經常會使用的技術。由于其具有高頻率、寬頻、頻譜質量好等優點，常常會配合其他的頻率合成技術一起使用，如與直接數字合成技術（DDS）結合使用，以實現快速跳頻，高相位噪聲的信號輸出。在設計及驗證鎖相環時，用戶不僅需要對其輸出的頻率跳變進行驗證，還需要對其從頻率變化開始至穩定的時間進行測量。下面我們以鎖相環（PLL）的測試為例，介紹E5052B的瞬態測試應用。

當鎖相環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節。E5052B的內部系統框圖如下圖所示，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模轉換并分析；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模轉換并分析。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框圖

在寬帶-窄帶模式設置中，需要注意兩個方面：1）設置中的目標頻率（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，否則信號無法在窄帶模式中測量。2）設置中的窄帶頻率范圍（Freq Range）需要根據用戶所需要的頻率分辨率及時間分辨率進行折衷：因為E5052Ｂ設置的頻率范圍越寬，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果，由于其E4438C的頻率穩定度很好（Residual FM小于1Hz），所以在窄帶窗口測試出來的噪聲實際上是儀表的內部底噪，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信號測試結果

 

 

圖3 窄帶頻率范圍為25kHz時的100MHz信號測試結果

 

通過對頻率范圍的合理設置，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行細節的測量，用戶不可同時對鎖相環起始和終止頻率進行頻率分辨率較高的測量。所以假如需同時細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-窄帶模式準確測量鎖相環從起始頻率跳變至終止頻率且穩定鎖相時的過程。

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結構來分析，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果也是同步的。

 

 

圖5窄帶-窄帶模式的系統框圖

 

例如某鎖相環的調頻是從4.6199995GHz跳至4.828GHz，由于頻率變化超過80MHz，已經不能直接用一個窄帶模式來分析，此時利用窄帶-窄帶模式，分別其起始頻率設置為窄帶1（NB1）的目標頻率，終止頻率設為窄帶2（NB2），即可利用該模式分析鎖相環從開始到鎖相結束的時間，結果如圖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，測試的結果會更準確。

窄帶-窄帶分析模式的每一個測量通道NB1和NB2其實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頻率（Target Freq）可以獨立設置，所以相當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不同的頻率分辨率及時間分辨率來需要獨立設置。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調頻時間的結果

總結：在測試時，用戶可根據其信號頻率變化的特點自由選擇寬帶-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行細致分析。