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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 分析儀

利用混合域分析儀進行跨域分析

發布日期：2022-10-09 點擊率：64

泰克科技公司(Tektronix)最新推出的MDO4000系列混合域分析儀(圖1)，是一款具有創新意義的分析儀，至今已經獲得國內外十多個最佳創新獎項。原因為MDO4000的“五機合一”特色，即：四通道500MHz/1GHz帶寬數字熒光示波器，16通道邏輯分析儀，多種總線協議分析儀，3GHz/6GHz頻譜分析儀，以及大于等于1GHz帶寬的調制域分析儀。這五種功能工作在同一時鐘、同一觸發機制下，使得MDO4000具有創新的時域、頻域和調制域時間相關的跨域分析功能。

圖1：MDO4000系列混合域分析儀。

跨域分析簡介

隨著嵌入式技術、軟件無線電技術及數字射頻技術的發展，在設計、開發和調試這些系統的射頻驅動電路時，僅僅從頻域或時域進行測試，已經無法滿足它們對高效率、高可靠性的需求。這需要一種測試工具，可以將射頻信號當作示波器的一個通道看待，在時域上將基帶信號、控制信號、總線信號、頻譜及射頻信號的調制域特性有機地結合在一起。這就是時域、頻域、調制域時間相關的跨域分析。目前，泰克MDO4000系列混合域分析儀是僅有的可以進行跨域分析的分析儀。

圖2(a)是典型的MDO4000系列混合域分析儀進行時間相關的跨域分析示意圖。圖中上半部分為時域波形，下半部分為頻域頻譜。這張圖顯示了2.4GHz載波被基帶數據進行ASK調制的過程。圖中，黃色為基帶信號，藍色為位參考信號。位參考信號兩個寬脈沖間共有七個位間隔，用以分隔8個串行二進制數，因此，黃色的基帶數據在位參考信號的分隔下呈現為數據0~7。那么哪里體現了時域、頻域的時間相關特性？在圖2(a)、2(b)上半部分中，紅色圓圈框住的橙色條表示頻譜在時間軸上的時刻，也就是說，圖2(a)、2(b)顯示的頻譜在時間軸上是上半部分橙色框時刻的頻譜。通過移動橙色框在時間軸上的位置，下半部分的頻譜就會有相應變化。

另一方面，在圖2(a)中，上半部分時域顯示還有一條橙色波形，該波形幾乎與黃色基帶信號一模一樣，實際上該波形為2.4GHz載波信號的幅度隨時間的變化，即射頻信號的調制域波形。由此可見，利用時間相關的跨域分析，可以輕松測試基帶信號、控制信號、射頻頻譜及射頻信號的調制域特性之間的因果關系。

圖2：MDO4000系列跨域分析示意圖

如何實現跨域分析

既然跨域分析指的是時域、頻域、調制域協同分析，那么能否將用于時域分析的示波器和頻域及調制域分析的頻譜儀或矢量信號分析儀組成測試系統進行跨域分析？答案是否定的！因為示波器和頻譜儀或矢量信號分析儀是不同的儀器，即使都用外部時鐘同步，但獨立的觸發機制使得它們難以獲得相同時基；即使忽略各儀器觸發的不確定性所帶來的時基誤差，各臺儀器分別顯示的結果也很難在時間軸上對應起來。

或許有人會提出這樣一個疑問：既然示波器可以測試各通道不同信號的時序關系，如果犧牲一個示波器通道，將射頻信號接到該通道，然后利用示波器的FFT顯示該通道的頻譜，這樣不是就可以進行跨域分析了嗎？答案同樣也是否定的。

圖3是示波器截圖，1通道黃色信號為控制脈沖，2通道藍色信號為數據，3通道粉絲信號為接入的射頻信號，紅色曲線為3通道射頻信號的FFT頻譜。該射頻信號在控制脈沖發出以前發射900MHz載波，在控制脈沖發出后發射2.4GHz載波。從這張截圖可以發現如下問題：該示波器帶寬為1GHz，因此3通道無法正確顯示控制脈沖以后的2.4GHz載波；紅色FFT頻譜為3通道全部樣點的FFT，沒有時間軸上的信息。鑒于以上兩點，紅色FFT頻譜僅顯示900MHz載波頻譜，無法顯示整個頻譜變化的過程，因此這種方法無法用于跨域分析。

圖3：示波器截圖

作為對比，將上圖中3通道射頻信號接入頻譜儀，其顯示頻譜如圖4(a)所示。在該頻譜中，可以同時看到900MHz與2.4GHz信號。將圖4(a)的頻譜顯示改為最大保持模式，得到圖4(b)的頻譜。我們發現在2.5GHz處會時斷時續地出現一個信號。

圖4(a)、4(b)是頻譜儀可以得到的最大信息。我們無法從中看出該頻譜隨時間的變化，更無法得到射頻信號與控制脈沖之間的時序關系。MDO4000分析儀的出現很好地解決了時間和觸發的同步問題，使得頻域、時域、調制域波形得以在時間軸上同步顯示，為嵌入式、數字射頻系統的設計、研發、調試提供了創新的手段。

圖4：頻譜儀可得到的最大信息

下面通過圖5(a)~(c)來示意MDO4000分析儀的跨域分析能力。MDO4000的1通道接入控制脈沖信號(黃色)，其它通道信號將在下文做進一步說明。在每張截圖旁邊，分別標注了紅色箭頭，指向當前的頻譜時刻和頻譜顯示的相應載波。圖5(a)中，頻譜時刻位于控制脈沖左側，此時射頻信號頻率為900MHz；圖5(b)中，頻譜時刻位于控制脈沖時刻，此時沒有射頻信號；圖5(c)中，頻譜時刻位于控制脈沖右側較遠處，此時射頻信號頻率為2.4GHz。

圖5：MDO4000分析儀跨域分析能力

通過這一實例，可以輕松地看到射頻信號的頻譜與控制脈沖之間的關系，充分體現了跨域分析的特點與優勢。

利用數字鎖相環對跳頻信號分析

上面闡述了分析儀實現跨域分析的原理和方法。但是這種方法究竟能為嵌入式射頻系統或者數字射頻系統帶來什么？通過測試實例，總結出如下幾個方面。

驗證控制信號與射頻信號工作的同步性對利用數字鎖相環組成的跳頻系統的測試。MDO4000可以時間相關地跨域測試控制信號與射頻信號及其調制域特性的對應關系，是對跳頻信號分析的最有效的手段。

圖6(a)~(d)為MDO4000利用數字鎖相環對跳頻信號分析的實測案例。圖中，每發一次脈沖，射頻載波將起始于2.370GHz，經40us左右跳頻至2.4GHz，再經40us左右時間跳頻至2.430GHz。橙色信號為射頻的調制域頻率隨時間變化的曲線。該曲線與矢量信號分析儀測試跳頻信號的跳頻圖案相同，可以利用光標及內置的測試對該曲線進行分析，從而得到跳頻速率和換頻時間等參數。

圖6：MDO4000利用數字鎖相環對跳頻信號分析

由于該跳頻信號是采用數字鎖相環進行控制的，需要驗證控制數字鎖相環的信號及總線命令與射頻信號之間的關系。在案例的各圖中，藍色信號仍然是VCO的輸出電壓，紫色信號依然是SPI命令。可以發現，射頻信號頻率隨時間的變化與VCO輸出電壓變化的趨勢相同，這正是所預期的結果。將時基展開，得到控制三個跳頻點的命令，最后三條指令分別為20-31-3DH，20-31-41H，20-31-45H。20-31-41H控制鎖相環將射頻載波鎖定在2.4GHz，而20-31-3DH與20-31-45H分別與20-31-41H相差±04H，這正好是30MHz的頻率偏差。

案例中，跨域分析將控制信號、控制命令、射頻頻譜及射頻信號的調制域特性有機地結合在一起，全面掌控系統各信號的協同工作情況。

幫助提高系統的控制及編程效率

幫助提高系統的控制效率及編程效率在圖5(a)~(c)的案例中，僅解釋了射頻信號與控制脈沖之間的關系，對其它信號并未解釋。下面將圖5(a)~(c)案例中的時基展開，得到圖7(a)~(d)，來分析一下該系統工作過程。在黃色觸發脈沖發出以前，該系統射頻為900MHz(圖5(a))，黃色觸發脈沖發出后，射頻信號經短暫的時延后中斷發射。在黃色觸發脈沖結束時，SPI總線發出第一組指令7C-00-93H；經80us后又發出第二組指令00-00-20H；再經80us發出第三組指令20-31-41H。通過上節鎖相環及跳頻案例，可以知道，第三組20-31-41H指令是控制鎖相環鎖定到2.4GHz的指令。因此，在第三組指令發出后，VCO開始工作，經160us達到鎖定狀態，射頻信號最終穩定在2.4GHz頻率上(圖7(d))。

圖7：將圖5案例中的時基展開

然而，本例中的指令分三組發出，每組間有80us的時延。在前兩組指令發出時，射頻工作在2.5G左右，等于空耗了160us的時間，設計效率大大降低。這對需要實時控制的嵌入式或數字射頻系統來說，是不可接受的。

通過本測試案例，可以看到跨域分析能夠使得射頻信號與控制信號間的時序關系成為可能。有了這樣的測試結果，在編程或設計控制信號時序時，能夠在保留必要冗余的前提下，最大限度地減少射頻等待發射的時間，從而提高系統的工作效率。

發現傳統手段難以發現的潛在問題，提高系統可靠性在之前的實例中，曾展示了利用MDO4000測試基帶調制信號與射頻信號之間的時延。該時延為10us左右，轉換為頻率約100KHz。可以預見，如果該系統的基帶調制信號的速率高于100KHz，由于射頻信號的時延，該系統將無法正常工作。MDO4000發現了該系統的潛在問題。

幫助查找系統中的噪聲來源簡單的數字調制射頻模塊(如ASK、FSK)被廣泛應用于各種無線監控系統，如汽車胎壓監測、汽車遙控鑰匙、RFID等系統中。這種系統的特點是簡單、低價，但在設計電路時，如果忽略射頻信號對電路的影響，有可能造成控制失效的問題。射頻模塊對電路的影響，主要體現在對電源的影響。圖8(a)和8(b)分別示意了ASK射頻模塊和FSK射頻模塊對電路中的電流和電壓的影響。

在兩圖上半部分中，黃色信號為系統電壓波形，綠色信號為系統電流波形，橙色信號為射頻信號的調制域波形，而圖中下半部分為射頻信號的頻譜。在圖8(a)中，可以看到ASK射頻信號發出后，其電壓與電流波形都被疊加了噪聲；而在圖8(b)中，電壓被疊加了噪聲，電流卻很干凈。這說明FSK調制方式可以降低射頻模塊對電壓的影響。

圖8：ASK射頻模塊和FSK射頻模塊對電路中的電流和電壓的影響