脈衝信號測試對示波器帶寬的要求

2021-01-08 電子發燒友
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脈衝信號測試對示波器帶寬的要求

Knight 發表於 2021-01-06 14:07:58

示波器模擬帶寬的定義大家都比較熟悉，是針對於正弦波信號定義的。從頻域上看，正弦波信號的頻譜就是單根譜線，只要示波器的帶寬不小於信號的頻率，那麼就可以有效觀測到波形。若要追求更高的幅度測試精度，則可以按照5倍法則選擇示波器的帶寬，即示波器帶寬不低於待測信號頻率的5倍！

與正弦波信號不同，脈衝信號由於具有很多諧波頻率分量，為了信號保真度，其對示波器的帶寬提出了更高的要求。脈衝信號又分為基帶脈衝信號和射頻脈衝信號，本文將從這兩個方面著手定性的分析脈衝信號測試對示波器帶寬的要求。

1. 基帶脈衝信號測試：對於這類信號，有一個參數對示波器的帶寬要求極高，那就是上升/下降時間。如果比較關註上升/下降時間的測試精度，則示波器本身的上升時間一定要儘量小，這就要求帶寬足夠大，具體選擇方法可參考文章《選擇示波器時的「5倍法則」》。

如果不要求準確測試上升/下降時間，而關注更多的是脈寬、周期、幅度等參數，則應該如何選擇示波器帶寬呢？這就需要了解基帶脈衝信號的頻譜了，假設圖1所示基帶脈衝的脈寬為PW，周期為 PRI，則相鄰譜線間距為 1/PRI。為方便起見，圖2所示的頻譜示意圖只包含了主瓣和第一旁瓣，理論上講，脈衝的頻譜包含無數多個旁瓣，只是越遠離主瓣，旁瓣的幅度越小。

圖1. 基帶脈衝信號

從示波器的角度講，如果要得到良好的觀測效果，當然帶寬越大越好，這樣脈衝有更多的旁瓣會被採集，波形保真度會更好。如果示波器的帶寬不夠，那麼高頻諧波分量就會被抑制掉，從波形上看，快沿變緩了。舉一個極端的例子，如果示波器的帶寬只允許基波通過，則看到的波形就是一個正弦波。

對於基帶脈衝信號的頻譜，脈寬PW決定了第一零點帶寬，脈衝的大部分功率都集中在了第一零點帶寬以內。當然，脈衝信號的頻譜服從Sa（f） 函數分布，第一旁瓣也攜帶較多的功率，距離主瓣越遠的旁瓣，攜帶的功率越少。

推薦的示波器帶寬至少要能夠包含第1旁瓣，才會得到比較好的測試效果。舉例：基帶脈衝寬度為1ns，則第一零點帶寬為1GHz，如果要覆蓋第一旁瓣，則建議示波器的帶寬為2GHz或者更大。

圖2. 基帶脈衝信號的頻譜示意圖

2. 射頻脈衝的測試：與基帶脈衝不同，射頻調製脈衝是指在脈內引入了載波，圖3給出了最簡單的射頻脈衝。從本質上講，這種射頻脈衝生成的過程就是基帶脈衝對載波調幅的過程，因此射頻脈衝的頻譜與基帶脈衝頻譜基本相同，只是前者將頻率搬移至載波 fc 處，如圖4所示。

對於射頻脈衝信號的測試，如何考慮示波器的帶寬呢？類似地，如果對上升沿/下降沿測試要求不高，則推薦的示波器的帶寬應在原來的基礎上再加上 fc 。舉例：射頻脈衝載波頻率為1GHz，脈寬為1ns，則推薦的示波器帶寬不應低於3GHz。

圖3. 最簡單的射頻脈衝：脈內為CW信號

圖4. 射頻調製脈衝的頻譜示意圖

以上考慮的是簡單射頻脈衝的情況，對於採用複雜調製的射頻脈衝信號又該如何選擇帶寬呢？

以應用較多的線性調頻脈衝（chirp pulse） 為例，其頻譜不再服從Sa（f） 分布，而是類似於帶通濾波器的幅頻響應，沒有較高幅度的旁瓣，如圖5所示，這是使用泰克示波器 MSO64 的全新頻譜分析模式Spectrum View 實測的chirp pulse 波形和頻譜。Chirp pulse 信號具有一定的調製帶寬BW，測試這類信號時，推薦的示波器帶寬不能小於：fc + BW/2 。

圖5. 使用泰克MSO64示波器實測的chirp pulse波形及頻譜

責任編輯：xj

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