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示波器的DDC(数字下变频)技术详解四字梅花诗

发表时间: 2020-01-28

  如10GSa/s,这样就不会造成信号混叠。经过采样后的数字信号直接送至DDC进行数字下变频。由于R&S示波器的DDC采用硬件实现,速度快,因此能进行实时处理,处理完后直接存储下来。通过这种实时的DDC处理,便能很好的节约存储空间,实现如上例所述的2.5s信号存储。

  首先通过信号源生成载波频率为3GHz的射频脉冲信号,调制脉冲宽度为0.4ms,脉冲重复周期为1ms。设置如图9所示:

  对于该信号的采集和分析,如果使用传统数字示波器,所能采集和分析的信号长度的结果等效于如图10所示:

  由于射频信号频率为3GHz,因此采样率至少为6GSa/s以上,我们设为10GSa/s。存储深度依然设置为10M,可以看出,此时只能采集到1ms时间的信号,也就是说尽能采集和分析一个脉冲信号。

  如果使用带有DDC结构的I/Q选件的R&S示波器进行采集分析,我们可以先设置本振频率为3GHz,将信号变为基带后,可以以更低的采样率进行采集,如设置成100MSa/s,存储深度也设置为10M。设置情况如图11所示:

  此时进行观察,我们可以采集和分析更长时间的信号,即100ms的信号,也就是说我们可以采集和分析高达100个脉冲信号!如果重采样率设置的更低,我们能够采集和分析的信号时间还会更长。图12显示R&S示波器测试结果:

  综上所述,R&S示波器I/Q选件中DDC技术使得在射频信号采集和分析中,能够高效的利用有限的存储空间,采集和分析最大时间长度的信号。

  示波器频谱分析功能一般采用FFT(Fast Fourier Transformation)即快速傅里叶变换。传统数字示波器的频谱分析原理框图如图13所示。

  模拟信号经过ADC后变成数字信号,之后选择不同的窗函数进行加窗处理,最后直接做FFT将信号变换到频域。通过该种处理方式得到的频谱范围为0Hz至最大频率(通常数值上等于ADC采样率的一半),例如ADC采样率为5GSa/s,那么FFT得到的频谱范围为0Hz至2.5GHz。如果要观测某一段的频谱,则通过软件显示放大(Zoom)的方式将频谱放大显示到该频段。这种传统示波器频谱分析方式的好处在于,所有处理过程采用软件计算,且算法简单,因此便于实现。但如果追求更快的实时频谱测量或者更高精度的频谱分析,这种传统的处理方式就会显得非常困难。由于采用全软件的处理方式以及一直是对整个频率范围(0Hz至最大频率)做计算,因此处理速度会很慢,无法做到实时或者准实时的频谱分析。另外在示波器设置方面也会很复杂,需要不断的调整时域参数(如时基、采样率等)来满足需要的频域参数设置。最重要的是,受到示波器存储深度的限制,并且通常使用的FFT点数只有几K,因此频率分辨率即最小能区分的频率大小会非常有限,通常情况下很难达到一个理想的频率分辨率。

  一般来讲,频率分辨率有两种解释。一种解释是,表示在FFT中,两个相邻频率点间的最小频率间隔,如公式(5)所示:∆f = fs / N = 1 / t (5)

  其中,∆f表示频率分辨率,fs表示ADC采样频率,N表示FFT的计算点数,t表示采集信号的时间长度,也就是捕获时间。可以看出,信号采集时间t越长,频率分辨率∆f越小,也就是频率分辨力就越好。

  第二种解释是,频率分辨率可以用分辨率带宽(RBW)来表示。RBW定义为窗函数主瓣3dB带宽,如图14所示:

  如果两个信号频率的差值小于该定义的带宽,即RBW,那么这两个频率将混在一起不能分辨。

  图15显示了对于同样频谱的输入信号,设置不同的RBW得到的完全不同的频谱。从左至右RBW依次增大,可以看出,主瓣宽度也是依次增大,频率分辨能力也是依次降低,到最右边时,已经完全不能区分信号中的两个频率了。

  其中,RBWnorm为窗函数的归一化因子,如Blackman-Harris窗为1.8962,fs为采样频率,N为FFT计算点数,t为信号采集时间长度。从公式(6)可以看出,对于固定的窗函数,想要提高频率分辨力,即减小RBW,就必须增加信号的采集时间即捕获时间。从图15可以看出,对于固定的矩形窗,RBW从1MHz减小到100kHz,时基设置从100ns/div增大到1μs/div。但对于数字示波器来说,存储深度都是有限的。并且存储深度和捕获时间、采样率之间存在如下关系:存储深度 = 采样率 × 捕获时间 (7)

  从(7)式可以看出,对于固定的存储深度,采样率和捕获时间成反比关系。如果想要增加捕获时间,就意味着采样率会下降,如果采样率降低,就会意味着信号发生混叠的风险。即对于传统数字示波器的频谱分析,如果要提高频率分辨力,那么就会面临信号混叠的风险,或者说只能进行低频率信号的分析;如果要进行高频率信号的分析,为了保证采样率,那么频率分辨力必然不能提高。

  对于这种矛盾的关系,R&S示波器引入了DDC等一系列处理方式很好的解决了问题。

  与传统数字示波器相比,R&S示波器引入了DDC模块,使信号在FFT之前先下变频到基带。设置中心频率Center frequency等效于设置本振频率,使信号下变频到基带,因此对基带信号进行重采样时,即使用较低的采样频率也不会造成信号混叠,从而在有限的存储空间中能采集最长时间的信号,因此频率分辨率(RBW)能够得到有效的保证。通过设置频率跨度Frequency span,可以在硬件上将FFT的计算范围缩小到所设定的带宽内,而不用对整个频率范围都进行FFT计算,从而提高处理速度。此外,FFT的计算方式也采用分段重叠的计算方式,从而能够更好的体现出频谱的细节。总之,与传统数字示波器频谱分析相比,采用R&S示波器频谱分析结构主要具有如下几点好处:

  • 由于采用硬件处理等方式,频谱分析速度快,能做到实时的频谱分析;• 频谱分析设置同频谱分析仪类似,直接对频谱参数进行设置,四字梅花诗。而不再需要进行复杂的时域参数调整;• 具有大的动态范围;• 即本文讨论的重点,由于采用了DDC结构,可以将信号先下变频到基带,再以较低的采样频率对其进行重采样,从而在有限的存储空间内能够采集最长时间的信号,根据公式(6)可以很好的保证频率分辨率(RBW)。即不用再在信号频率与RBW之间纠结折衷的方案。

  使用信号源产生频率为3GHz的单频正弦波信号。如果使用传统示波器频谱分析方法,采样率必须设置为6GSa/s以上信号才不至于混叠,那么根据公式(6)和(7),在有限的存储空间内必不能得到很好的RBW。但如果使用R&S示波器频谱分析方法,设置如图18所示:

  中心频率设为3GHz,RBW设为5kHz,窗函数采用Blackman Harris窗。频谱分析结果如图19所示。我们注意到,由于采用了DDC结构,采样率设置为了2.5GSa/s,并不需要满足信号频率的2倍以上关系,因为此时的采样率在频谱分析中实际为重采样率。在频域测量结果中可以看出,信号频率为3GHz,与信号源输出频率一致。因此,可以看出使用R&S示波器频谱分析结构,即使对于高频率的信号,仍然能够有很好的频率分辨率。

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