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利用混合域分析仪进行跨域分析 |
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作者：泰克科技 |
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泰克科技公司(Tektronix)最新推出的MDO4000系列混合域分析仪(图1)，是一款具有创新意义的分析仪，至今已经获得国内外十多个最佳创新奖项。原因为MDO4000的“五机合一”特色，即：四通道500MHz/1GHz带宽数字荧光示波器，16通道逻辑分析仪，多种总线协议分析仪，3GHz/6GHz频谱分析仪，以及大于等于1GHz带宽的调制域分析仪。这五种功能工作在同一时钟、同一触发机制下，使得MDO4000具有创新的时域、频域和调制域时间相关的跨域分析功能。 
图1：MDO4000系列混合域分析仪。
跨域分析简介
随着嵌入式技术、软件无线电技术及数字射频技术的发展，在设计、开发和调试这些系统的射频驱动电路时，仅仅从频域或时域进行测试，已经无法满足它们对高效率、高可靠性的需求。这需要一种测试工具，可以将射频信号当作示波器的一个通道看待，在时域上将基带信号、控制信号、总线信号、频谱及射频信号的调制域特性有机地结合在一起。这就是时域、频域、调制域时间相关的跨域分析。目前，泰克MDO4000系列混合域分析仪是仅有的可以进行跨域分析的分析仪。
图2(a)是典型的MDO4000系列混合域分析仪进行时间相关的跨域分析示意图。图中上半部分为时域波形，下半部分为频域频谱。这张图显示了2.4GHz载波被基带数据进行ASK调制的过程。图中，黄色为基带信号，蓝色为位参考信号。位参考信号两个宽脉冲间共有七个位间隔，用以分隔8个串行二进制数，因此，黄色的基带数据在位参考信号的分隔下呈现为数据0~7。那么哪里体现了时域、频域的时间相关特性？在图2(a)、2(b)上半部分中，红色圆圈框住的橙色条表示频谱在时间轴上的时刻，也就是说，图2(a)、2(b)显示的频谱在时间轴上是上半部分橙色框时刻的频谱。通过移动橙色框在时间轴上的位置，下半部分的频谱就会有相应变化。
另一方面，在图2(a)中，上半部分时域显示还有一条橙色波形，该波形几乎与黄色基带信号一模一样，实际上该波形为2.4GHz载波信号的幅度随时间的变化，即射频信号的调制域波形。由此可见，利用时间相关的跨域分析，可以轻松测试基带信号、控制信号、射频频谱及射频信号的调制域特性之间的因果关系。
图2：MDO4000系列跨域分析示意图
如何实现跨域分析
既然跨域分析指的是时域、频域、调制域协同分析，那么能否将用于时域分析的示波器和频域及调制域分析的频谱仪或矢量信号分析仪组成测试系统进行跨域分析？答案是否定的！因为示波器和频谱仪或矢量信号分析仪是不同的仪器，即使都用外部时钟同步，但独立的触发机制使得它们难以获得相同时基；即使忽略各仪器触发的不确定性所带来的时基误差，各台仪器分别显示的结果也很难在时间轴上对应起来。
或许有人会提出这样一个疑问：既然示波器可以测试各通道不同信号的时序关系，如果牺牲一个示波器通道，将射频信号接到该通道，然后利用示波器的FFT显示该通道的频谱，这样不是就可以进行跨域分析了吗？答案同样也是否定的。
图3是示波器截图，1通道黄色信号为控制脉冲，2通道蓝色信号为数据，3通道粉丝信号为接入的射频信号，红色曲线为3通道射频信号的FFT频谱。该射频信号在控制脉冲发出以前发射900MHz载波，在控制脉冲发出后发射2.4GHz载波。从这张截图可以发现如下问题：该示波器带宽为1GHz，因此3通道无法正确显示控制脉冲以后的2.4GHz载波；红色FFT频谱为3通道全部样点的FFT，没有时间轴上的信息。鉴于以上两点，红色FFT频谱仅显示900MHz载波频谱，无法显示整个频谱变化的过程，因此这种方法无法用于跨域分析。
图3：示波器截图
作为对比，将上图中3通道射频信号接入频谱仪，其显示频谱如图4(a)所示。在该频谱中，可以同时看到900MHz与2.4GHz信号。将图4(a)的频谱显示改为最大保持模式，得到图4(b)的频谱。我们发现在2.5GHz处会时断时续地出现一个信号。
图4(a)、4(b)是频谱仪可以得到的最大信息。我们无法从中看出该频谱随时间的变化，更无法得到射频信号与控制脉冲之间的时序关系。MDO4000分析仪的出现很好地解决了时间和触发的同步问题，使得频域、时域、调制域波形得以在时间轴上同步显示，为嵌入式、数字射频系统的设计、研发、调试提供了创新的手段。
图4：频谱仪可得到的最大信息
下面通过图5(a)~(c)来示意MDO4000分析仪的跨域分析能力。MDO4000的1通道接入控制脉冲信号(黄色)，其它通道信号将在下文做进一步说明。在每张截图旁边，分别标注了红色箭头，指向当前的频谱时刻和频谱显示的相应载波。图5(a)中，频谱时刻位于控制脉冲左侧，此时射频信号频率为900MHz；图5(b)中，频谱时刻位于控制脉冲时刻，此时没有射频信号；图5(c)中，频谱时刻位于控制脉冲右侧较远处，此时射频信号频率为2.4GHz。
图5：MDO4000分析仪跨域分析能力
通过这一实例，可以轻松地看到射频信号的频谱与控制脉冲之间的关系，充分体现了跨域分析的特点与优势。
利用数字锁相环对跳频信号分析
上面阐述了分析仪实现跨域分析的原理和方法。但是这种方法究竟能为嵌入式射频系统或者数字射频系统带来什么？通过测试实例，总结出如下几个方面。
验证控制信号与射频信号工作的同步性 对利用数字锁相环组成的跳频系统的测试。MDO4000可以时间相关地跨域测试控制信号与射频信号及其调制域特性的对应关系，是对跳频信号分析的最有效的手段。
图6(a)~(d)为MDO4000利用数字锁相环对跳频信号分析的实测案例。图中，每发一次脉冲，射频载波将起始于2.370GHz，经40us左右跳频至2.4GHz，再经40us左右时间跳频至2.430GHz。橙色信号为射频的调制域频率随时间变化的曲线。该曲线与矢量信号分析仪测试跳频信号的跳频图案相同，可以利用光标及内置的测试对该曲线进行分析，从而得到跳频速率和换频时间等参数。
图6：MDO4000利用数字锁相环对跳频信号分析
由于该跳频信号是采用数字锁相环进行控制的，需要验证控制数字锁相环的信号及总线命令与射频信号之间的关系。在案例的各图中，蓝色信号仍然是VCO的输出电压，紫色信号依然是SPI命令。可以发现，射频信号频率随时间的变化与VCO输出电压变化的趋势相同，这正是所预期的结果。将时基展开，得到控制三个跳频点的命令，最后三条指令分别为20-31-3DH，20-31-41H，20-31-45H。20-31-41H控制锁相环将射频载波锁定在2.4GHz，而20-31-3DH与20-31-45H分别与20-31-41H相差±04H，这正好是30MHz的频率偏差。
案例中，跨域分析将控制信号、控制命令、射频频谱及射频信号的调制域特性有机地结合在一起，全面掌控系统各信号的协同工作情况。
帮助提高系统的控制及编程效率
帮助提高系统的控制效率及编程效率 在图5(a)~(c)的案例中，仅解释了射频信号与控制脉冲之间的关系，对其它信号并未解释。下面将图5(a)~(c)案例中的时基展开，得到图7(a)~(d)，来分析一下该系统工作过程。在黄色触发脉冲发出以前，该系统射频为900MHz(图5(a))，黄色触发脉冲发出后，射频信号经短暂的时延后中断发射。在黄色触发脉冲结束时，SPI总线发出第一组指令7C-00-93H；经80us后又发出第二组指令00-00-20H；再经80us发出第三组指令20-31-41H。通过上节锁相环及跳频案例，可以知道，第三组20-31-41H指令是控制锁相环锁定到2.4GHz的指令。因此，在第三组指令发出后，VCO开始工作，经160us达到锁定状态，射频信号最终稳定在2.4GHz频率上(图7(d))。
图7：将图5案例中的时基展开
然而，本例中的指令分三组发出，每组间有80us的时延。在前两组指令发出时，射频工作在2.5G左右，等于空耗了160us的时间，设计效率大大降低。这对需要实时控制的嵌入式或数字射频系统来说，是不可接受的。
通过本测试案例，可以看到跨域分析能够使得射频信号与控制信号间的时序关系成为可能。有了这样的测试结果，在编程或设计控制信号时序时，能够在保留必要冗余的前提下，最大限度地减少射频等待发射的时间，从而提高系统的工作效率。
发现传统手段难以发现的潜在问题，提高系统可靠性 在之前的实例中，曾展示了利用MDO4000测试基带调制信号与射频信号之间的时延。该时延为10us左右，转换为频率约100KHz。可以预见，如果该系统的基带调制信号的速率高于100KHz，由于射频信号的时延，该系统将无法正常工作。MDO4000发现了该系统的潜在问题。
帮助查找系统中的噪声来源 简单的数字调制射频模块(如ASK、FSK)被广泛应用于各种无线监控系统，如汽车胎压监测、汽车遥控钥匙、RFID等系统中。这种系统的特点是简单、低价，但在设计电路时，如果忽略射频信号对电路的影响，有可能造成控制失效的问题。射频模块对电路的影响，主要体现在对电源的影响。图8(a)和8(b)分别示意了ASK射频模块和FSK射频模块对电路中的电流和电压的影响。
在两图上半部分中，黄色信号为系统电压波形，绿色信号为系统电流波形，橙色信号为射频信号的调制域波形，而图中下半部分为射频信号的频谱。在图8(a)中，可以看到ASK射频信号发出后，其电压与电流波形都被叠加了噪声；而在图8(b)中，电压被叠加了噪声，电流却很干净。这说明FSK调制方式可以降低射频模块对电压的影响。
图8：ASK射频模块和FSK射频模块对电路中的电流和电压的影响
本文小结
作为创新的测试工具，泰克混合域分析仪MDO提供了一种全新的测试理念—跨域分析。跨域分析为嵌入式射频系统、数字射频系统的设计、调测、研发提供了一种高效、方便的新手段。MDO4000的出现，势必对测试标准产生深远的影响。(end)
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(12/7/2012) |
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