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基于示波器的调制系统时延测量
的难度在于,被测设备的输入和输出信号不在同一个频段,有可能分别是基带、中频或者射频域。实际用示波器采集到的信号不会像图 2这样容易地分辨出频率、相位的变化位置,必须对波形数据进行处理后才能测量。
LeCroy示波器内置了多种数字信号处理算法和自动测量功能,可以直接在示波器上自动完成信号的采集、处理、测量。
根据信号处理的特点,时延测量具体可分为以下几种。
1.包络检波法
PSK,QAM这类相位变化的数字调制信号,由于脉冲成形滤波器的缘故,其相位翻转时刻就是调制信号功率极小值的时刻。因此可以利用LeCroy示波器的解调运算得到信号的包络,包络极小值的水平位置就是相位翻转时刻。图 3是一个16QAM中频信号和射频信号时延测量的例子。对两个信号都进行幅度解调后,得到各自的包络信号。再利用示波器自动测量两个包络极小值的间隔时间,就得到中频和射频信号的时延。
图3包络检波后的时延测量
2.参数追踪法
可以利用示波器测量调制信号每个周期的频率、相位或幅度等参数,再利用示波器内置的测量参数追踪功能,画出参数随时间变化的曲线。图 4是一个对信号频率参数追踪的示意。上面的波形是一个扫频信号,下面的波形是扫频信号的频率参数追踪曲线。
图 5是利用参数追踪功能测量FSK基带信号和调制信号时延的结果。上方的波形是示波器采集的射频调制信号,中间的波形是对射频信号每个周期的频率进行参数追踪的曲线,它直观地反映了射频信号的频率切换过程。将其和实际测量的基带信号比较,就能测量出基带和射频信号的时延。
3.希尔伯特变换与其他自定义算法
除了前面两项示波器内置的运算以外,还有很多成熟的算法,比如运用希尔伯特变换来检波从而获得相位翻转点。图 6是在示波器内集成MATLAB程序检测信号相位翻转点的例子,褂杏没ハ喙卦怂憷椿竦檬毖印O衷诤徒来不断有学者研究各种新的信号处理算法来解决时延测量的问题。LeCory示波器中可以集成使用者自定义的MATLAB、C/C++、VB Script程序,来实现这类算法。
三。示波器时延测量不确定度评估
本文所述测量方法的不确定度,既有来源于示波器的,也有源于测量算法的。示波器本身的时延测量不确定度包括抖动噪底、触发抖动、时间分辨率、电缆和通道校准的不确定度等。为了提高这部分测量的精度,可以选用抖动噪底小、采样率高的示波器。示波器时延测量不确定度的大小可以通过实际测试来估计。测试的连接图类似图 1,但不再接入被测设备,电缆#1和#3直接通过转接器连接在一起。示波器使用LeCoryLabMaster 10-65Zi,采样率设为160GSa/s,在示波器内设置对电缆#3去嵌。信号源分别输出100MHz~20GHz若干组正弦信号,在示波器中多次测量两路信号的时延,记录测量值的标准偏差值。交换电缆#1和#2再测试一遍。结果显示每次测量的标准偏差在500fs量级,经过校准后两个通道的时延残差小于2ps。图 7是示波器测量得到的、没有包含被测设备的时延统计值。