4.9 时频测量技术

1. 4.9 时频测量技术 4.9.1 调制域测量 1）什么是调制域测量 2）为什么要进行调制域测量 4.9.2 时频测量原理—如何实现调制域测量 1）瞬时频率测量原理 2）无间隔计数器的实现 3）提高测量速度与分辨力的方法 4）调制域分析的应用 5）发展动态

2. 4.9.1 调制域测量 1）什么是调制域测量？ 电信号的完整关系：可用三个量以及之间的关系来描述。 这三个量就是： 时间、幅度和频率，其中： 幅度-时间关系：示波器 幅度-频率关系：频谱仪 频率-时间关系：调制域分析仪

3. 4.9.1 调制域测量 下图所示描述了同一信号在时域（V-T）、频域（V-F）、调制域（F-T）的特性。 ◆调制域分析仪 能够完成时间与频率关系测量的仪器称为调制域分析仪。 调制域即指由频率轴(F)和时间轴(T)共同构成的平面域 调制域测量技术是对时域和频域测量技术的补充和完善。

4. 4.9.1 调制域测量 1）什么是调制域测量？ ◆时域与频域分析的局限性 一个实际的信号可以从时域和频域进行描述和分析，时域分析可以了解信号波形（幅值）随时间的直观变化；频域分析则可以了解信号中所含频谱分量，但是，却不能把握各频谱分量在何时出现。 ◆调制域概念 在通信等领域中，各种复杂的调制信号越来越多地被人们使用，因而，常常需要了解信号频率随时间的变化，以便对调制信号等进行有效分析——即调制域分析。 调制域即指由频率轴(F)和时间轴(T)共同构成的平面域。

5. 4.9.1 调制域测量 2）为什么要进行调制域测量？ 在通信等领域中，各种复杂的调制信号越来越多地被人们使用，因而，常常需要了解信号频率随时间的变化，以便对调制信号等进行有效分析——即调制域分析。 方便地表达出频域和时域中难以描述的信号参数和信号特性。为人们对复杂信号的测试和分析提供了方便直观的方法，解决了一些难以用传统方法或不可能用传统方法解决的难题。

6. 4.9.2 时频测量原理 1）瞬时频率测量原理 ◆瞬时频率的概念 信号频率随时间的变化，可将频率量视为时间t的连续函数，用f(t)表示。f(t)也代表了时间t时的瞬时频率。 ◆平均频率 实际上，由于测量上的困难，瞬时频率只是一种理论上的概念。因为所有测量都需要一定的采样时间（闸门时间），测量结果则为该采样时间内的平均频率。 ◆用平均频率逼近瞬时频率 在时间轴上以某个时刻t0为起始点，连续地对被测信号进行采样，则：

7. 4.9.2 时频测量原理 各采样计数值Mi与相应时间点ti相对应。则可得到采样时间内的平均频率值。当时间趋于无限小时即可得到各时间点的瞬时频率值。 如下图所示，采样点A作为时间起始点t0，则： 在采样点B得到事件周期值M1和时间标记： (T0为时标) 在采样点C得到事件周期值M2和时间标记： 于是，B点的频率为： 同理，C点的频率为 如此连续不断地测量下去就得到了时频曲线。

8. 4.9.2 时频测量原理 2）无间隙计数器的实现 ◆无间隙计数器 通用计数器的频率测量，其前后两次闸门之间必然存在一段间隙时间（显示、存储、下一次测量准备），使有用信息被丢失，导致时间轴上的不连续性。为此，就要使用无间隙计数器方案。 ◆实现原理 使用两组计数器交替工作，每一组都包括时间计数器（对时标T0）和事件计数器。当一组计数器工作时，另一组计数器进行数据的显示等工作。 如此往复交替，完成时间轴上无间隙的测量。

9. 4.9.2 时频测量原理 • 工作原理波形图

10. 4.9.2 时频测量原理 ◆原理框图

11. 4.9.2 时频测量原理 3）提高测量速度与分辨力的方法 ◆采用同步和内插技术提高分辨力 两组基本计数器均采用双计数器(事件计数器和时间计数器)且闸门由输入信号同步，同时采用内插技术进一步提高分辨力。 ◆最小采样时间 两组计数器交替计数，即当一组计数器在采样计数时，另一组基本计数器正在进行内插、读数、清零等操作，因此最小采样时间满足下式： 该式中,后3项取决于器件速度（一般选用高速器件）,因此应设法减小内插时间以提高测量速度。

12. 4.9.2 时频测量原理 ◆内插时间 在使用模拟内插法时，设开门和关门脉冲的最大宽度为Tm(两个零头时间)，放大倍数为K，则内插时间为：KTm。 为减小内插时间，可提高时基频率（如采用更高频率的晶振）以减小Tm的值。但时基频率的提高将给器件的选择和电路设计带来困难。 减小内插时间还可减小内插系数K，但K值太小测时分辨力降低，为适应某些高测时分辨力要求，必须协调好采样速度和高测时分辨力的矛盾。

13. 4.6.2 模拟内插法 一般时间间隔测量的局限性： 为减小量化误差，需减小时标以增大计数值，但时标的减小受时基电路和计数器最高工作频率限制，而计数器也有最大计数容量的限制（最大计数值）。 内插法对已存在的量化误差，测量出量化单位以下的尾数(零头时间)。如下图所示， 则准确的Tx为： Tx=T0+T1-T2 为实现T1-T2的测量， 有模拟和数字两种方法。

14. 4.6.2 模拟内插法 1）模拟内插法原理 • 由于T1和T2均很小（小于时标），采用普通的“时标计数法”难以实现（需要非常小的时标）。其实现的基本思路是：对T1和T2作时间扩展（放大）后测量。 • 三次测量 若T1、T2均扩展k倍， 采用同一个时标（设为 ）分别测量T0、kT1、kT2，设计数值分别为：N0、N1、N2， 则： • 意义：上式由于 不存在量化误差，总量化误差由(N1-N2)引起，降低了k倍。相当于用 时标的普通时间测量。

15. 4.6.2 模拟内插法 2）时间扩展电路 ◆时间扩展电路 如下图所示： ◆工作原理 以恒流源对电容 器C充电，设充电时 间为T1，而以(k-1)T1 （可近似为kT1）时间缓慢放电，当放电到原电平时，所经历的时间为： T1’=T1+(k-1)T1=kT1，即得到T1的k倍时间扩展。在kT1时间内对时标计数。

16. 4.6.2 模拟内插法 ◆例如，扩展器控制的开门时间为T1的1000倍(k取999)， 即： T’1＝T1＋999T1＝1000T1 在T’1时间内对时标 计数得N1，则 类似地： T’2＝T2＋999T2＝1000T2 在T’2时间内对时标 计数得N2，则 于是： 内插后测量分辨力提高了1000倍。 ◆校准技术 内插扩展技术可大大提高测时分辨力,但测量前需进行校准。

17. T Line11 Line21 Line31 Line41 Line11 4.9.2 时频测量原理 ◆采用流水作业法提高测量速度 流水作业法：即用几套相同的硬件顺序、连贯地工作，从而提高整体的采样速率。工作时序如下图所示 。 图中，T为一套硬件的最小采样时间，当采用4套硬件时，整机工作速度将提高4倍。 但是，其速度的提高以硬件的复杂性和成本的提高为代价。

18. 4.9.2 时频测量原理 4）调制域分析的应用 ◆典型应用——调制参数的测试： 频率调制是通信系统所用的很多调制电路的基础。通过调制域分析，可立即显示调制波形，提供载波频率、峰-峰值频偏、调制率等关键参数。如下图。

19. 4.9.2 时频测量原理 5）发展动态 随着通信技术的不断发展，调制域分析技术和仪器产品在高新技术领域得到广泛应用并发挥重要作用。 国外从80年代起开始调制域分析仪研制(如HP5371A、5373A）。 目前已有HP5372A、HP5373A、HP53310A及VXI模块HP E1740A、HP E1725A等。 国际先进水平的调制域分析仪达到的主要技术指标为： 直接测量频率：10Hz~500MHz; 测时分辨率：200ps; 连续采样速率：10MHz。