作者丨鼎陽科技 張賀陽

引言

射頻脈沖信號廣泛應用于脈沖調制應用中，對于從事相關領域的工程師而言，總是繞不開脈沖信號的測試。在一些蜂窩通信、無線傳感器網絡等應用中，信號設計和驗證需要脈沖信號分析和時域/頻域/調制的綜合測試工具。

鼎陽科技SSA5000A的脈沖測量功能提供脈沖分析，可以幫助工程師更好的分析當今的動態信號環境。

01 脈沖信號的特性

下圖給出了產生射頻脈沖信號的最簡單方式，可以把脈沖調制器理解為開關，基帶脈沖控制信號的導通與關斷，從而將輸入的CW信號轉換為射頻脈沖信號。這個過程也可以理解為CW信號與基帶脈沖信號的時域相乘。

CW與基帶脈沖相乘得到射頻脈沖信號

兩個信號時域相乘，相當于二者頻譜的卷積。CW信號的頻譜理論上是單根譜線，根據基帶脈沖信號的頻譜，可以得到射頻脈沖信號的頻譜。

射頻脈沖信號的線狀譜

射頻脈沖的頻譜如上圖所示，由于為周期信號，其頻譜為離散譜，每一根譜線的幅度按照Sinc函數規律變化。相鄰譜線之間的間距為基帶脈沖周期T的倒數。

實際使用頻譜儀測試時，通過設置不同的分辨率帶寬RBW，可以顯示包絡譜或者線狀譜。當RBW小于譜線間距時，便可以得到線狀譜；當逐步增大RBW時，則逐步顯示為脈沖包絡譜。

就時域而言，脈沖信號最大的特性在于時域的不連續。時域的突發特性是脈沖用在通信中的基本要求，因此脈沖信號參數也是通信信號質量評估的主要指標。脈沖信號的時域不連續同時也給我們在功率及頻譜測試中增加了不少困難。

在本文中我們將討論脈沖的時域和頻域測試。

02 使用SSA5000A的脈沖分析功能測量脈沖

正確配置SSA5000A

頻譜分析儀作為能兼顧頻譜功率和帶寬分析的通用儀表，如果對功率精度沒有特別苛刻的要求，利用頻譜儀在觀察頻譜的同時也可以進行功率測試。SSA5000A的脈沖測量功能可以用于測量脈沖的寬度、幅度和時間參數。

在脈沖分析功能中，頻譜儀為零掃寬模式，此時頻譜儀相當于一個峰值功率計，可以在特定的頻點以一定的帶寬對信號進行包絡檢波并畫出功率隨時間變化的曲線。此時頻譜儀的RBW就相當于這個檢波器的帶寬。零掃寬模式下頻譜儀將固定本振在中心頻率處，因此在進行脈沖分析時，我們需要在頻率設置中正確設置中心頻率。如果設置的中心頻率和實際載波頻率有一定的偏差，可能也會得到不錯的測試結果，這是因為此時脈沖信號的大部分功率可以通過中頻濾波器。

脈沖分析功能測試結果

測試結果如上圖所示，此時頻譜儀的橫軸為時間，縱軸依然為功率。分析儀將自動識別脈沖信號的上升沿和下降沿，計算出脈沖開和關期間的功率以及上升/下降時間。對于窄脈沖，可以增加分析儀的RBW，從而獲得更加精確的測量結果。

事實上，頻譜分析儀測得的上升時間一般不會超過頻譜分析儀的最佳上升時間。分析儀的上升時間有下面這個公式來決定：Tr=0.66/max RBW。

SSA5000A的最大RBW為10MHz，也就是說脈沖的上升時間必須大于66ns，此時分析儀才能正確測量信號。對于普通的線狀譜測試而言，VBW的設置對于頻譜的測試結果沒有太大影響，但是進行脈沖測試時，VBW不能小于RBW，否則會導致峰值功率偏低。VBW濾波器會對通過中頻濾波器的信號的包絡進行濾波，而在脈沖測試中，會有同時多根譜線通過中頻濾波器，其合成包絡也有一定的帶寬，如果超過了VBW的帶寬，那么測試幅度將會降低。通常情況下，測試正弦信號時，視分比選擇1~3，而測量脈沖信號時，一般選擇視分比為10來減小對瞬變信號的幅度影響。

對于已知周期的脈沖信號，可以在觸發中選擇周期觸發，將觸發周期和脈沖周期設為一致，從而得到穩定的脈沖信號。

測量結果分析

脈沖信號示意圖

脈沖的示意圖如圖所示，從圖中可以清晰地看到脈沖測量的各個結果。在功率測量結果中Pospeak為跡線上的最高電平，NegPeak為當前跡線上的最低電平。

頻譜分析儀根據數據計算出：

Amptmid = (PosPeak - NegPeak) / 2 + NegPeak

當一段跡線連續穿過脈沖低參考(RefLow，10%)，脈沖持續參考(RefDuration，50%)，脈沖高參考(RefHigh，90%)時，記為脈沖信號的上升沿；或是反向穿過這三個參考幅度時，記為下降沿。標記這一段跡線為脈沖的邊沿。要完整地測量脈沖的參數，需要至少3個邊沿。

在脈沖特性中，脈沖持續時間是為正脈沖（負脈沖）在上升沿（下降沿）穿過脈沖持續參考與下降沿（上升沿）穿過脈沖持續參考之間的時間差。

脈沖中心是為第一個正脈沖（負脈沖）的上升沿（下降沿）穿過脈沖持續參考（RefDuration，50%）與第一個下降沿（上升沿）穿過脈沖持續參考（RefDuration，50%）之間的中心點。

脈沖關閉時間=脈沖周期-脈沖持續時間，根據周期和脈寬可以計算出脈沖的占空比和頻率。

在轉換特性中，上升時間為脈沖第一個上升沿穿過RefLow和穿過RefHigh之間所花費的時間，下降時間為脈沖第一個下降沿穿過ReHigh和穿過RefLow之間所花費的時間。且分析儀還會自動計算出脈沖的上升前激、上升過激、下降前激、下降過激，單位為dB。

03 使用SSA5000A分析脈沖信號的頻譜

使用掃頻功能觀察脈沖頻譜

通過掃頻頻譜的方式觀察脈沖頻譜是過去幾十年工程師常用的經典方式。這種方式適用于觀察脈寬和周期都已知且穩定的脈沖信號。但是由于掃頻式頻譜儀的掃頻速度的限制，頻譜儀對瞬態信號的跟蹤和捕獲能力有限，不能很好的觀察捷變脈沖信號和寬帶調制的脈沖信號。

在使用掃頻的方式觀察線裝譜時，要將設置較小的RBW。當RBW較小時，數據采集的速度遠大于數字后端處理的速度，所以具有較長的死區時間，如果存在某些脈沖變化或者短時干擾，很可能會漏掉這些信號。

SSA5000A在10kHzRBW下會自動將掃描切換為FFT模式，此時頻譜儀每次調諧到某個頻率上，會停留更長的時間，也會分析出一個頻譜內的所有能量，在這個意義上，FFT可以看作是一列并行的中頻濾波器同時工作，從而加快了頻譜掃描的速度。因此在分析脈沖信號的頻譜時，使用FFT掃描得到的結果將更精準。測量結果如圖所示。

頻譜分析模式下脈沖調制的頻譜

使用實時頻譜功能觀察脈沖信號

和傳統掃頻式頻譜分析儀不同，實時頻譜分析儀不進行本振掃描，而是利用寬帶ADC對一定帶寬內的信號進行采樣，并且借助FPGA的實時FFT功能進行頻譜計算，從而能夠無丟失地將所有ADC采樣數據不斷進行頻譜生成，從而不漏掉任何信號變化的瞬間。

基于海量連續的FFT結果，實時頻譜儀可以進行實時的頻率模板觸發以及時域、頻域和幅度域的三維顯示，從而準確描繪信號變化過程。實時頻譜最大的優點在于對頻譜的不間斷測量和顯示以及頻率選擇性觸發，所以用好它的這兩點優勢，作為復雜脈沖分析的觀察工具，是最科學的。

下圖為實時頻譜模式下測得的頻譜圖和瀑布圖。

實時頻譜分析模式下頻譜圖和瀑布圖

總結

鼎陽科技SSA5000A的脈沖測量功能提供脈沖分析，可以幫助工程師更好地進行脈沖信號的測試。本文介紹了脈沖信號的特性、頻譜儀SSA5000A的配置方法及脈沖分析功能操作方法，工程師和技術人員可使用SSA5000A的掃頻功能及實時頻譜功能分析脈沖信號的頻譜。