時頻測量技術

時頻測量技術第一頁，共十九頁，2022年，8月28日4.9.1調制域測量1）什么是調制域測量？電信號的完整關系：可用三個量以及之間的關系來描述。這三個量就是：時間、幅度和頻率，其中：幅度-時間關系：示波器幅度-頻率關系：頻譜儀頻率-時間關系：調制域分析儀第二頁，共十九頁，2022年，8月28日下圖所示描述了同一信號在時域（V-T）、頻域（V-F）、調制域（F-T）的特性?！粽{制域分析儀能夠完成時間與頻率關系測量的儀器稱為調制域分析儀。調制域即指由頻率軸(F)和時間軸(T)共同構成的平面域調制域測量技術是對時域和頻域測量技術的補充和完善。4.9.1調制域測量第三頁，共十九頁，2022年，8月28日4.9.1調制域測量1）什么是調制域測量？◆時域與頻域分析的局限性 一個實際的信號可以從時域和頻域進行描述和分析，時域分析可以了解信號波形（幅值）隨時間的直觀變化；頻域分析則可以了解信號中所含頻譜分量，但是，卻不能把握各頻譜分量在何時出現?！粽{制域概念 在通信等領域中，各種復雜的調制信號越來越多地被人們使用，因而，常常需要了解信號頻率隨時間的變化，以便對調制信號等進行有效分析——即調制域分析。

調制域即指由頻率軸(F)和時間軸(T)共同構成的平面域。第四頁，共十九頁，2022年，8月28日4.9.1調制域測量2）為什么要進行調制域測量？

在通信等領域中，各種復雜的調制信號越來越多地被人們使用，因而，常常需要了解信號頻率隨時間的變化，以便對調制信號等進行有效分析——即調制域分析。

方便地表達出頻域和時域中難以描述的信號參數和信號特性。為人們對復雜信號的測試和分析提供了方便直觀的方法，解決了一些難以用傳統方法或不可能用傳統方法解決的難題。

第五頁，共十九頁，2022年，8月28日4.9.2時頻測量原理1）瞬時頻率測量原理◆瞬時頻率的概念 信號頻率隨時間的變化，可將頻率量視為時間t的連續(xù)函數，用f(t)表示。f(t)也代表了時間t時的瞬時頻率?！羝骄l率 實際上，由于測量上的困難，瞬時頻率只是一種理論上的概念。因為所有測量都需要一定的采樣時間（閘門時間），測量結果則為該采樣時間內的平均頻率?！粲闷骄l率逼近瞬時頻率 在時間軸上以某個時刻t0為起始點，連續(xù)地對被測信號進行采樣，則：第六頁，共十九頁，2022年，8月28日各采樣計數值Mi與相應時間點ti相對應。則可得到采樣時間內的平均頻率值。當時間趨于無限小時即可得到各時間點的瞬時頻率值。如下圖所示，采樣點A作為時間起始點t0，則：在采樣點B得到事件周期值M1和時間標記：(T0為時標)在采樣點C得到事件周期值M2和時間標記：于是，B點的頻率為：同理，C點的頻率為如此連續(xù)不斷地測量下去就得到了時頻曲線。4.9.2時頻測量原理第七頁，共十九頁，2022年，8月28日4.9.2時頻測量原理2）無間隙計數器的實現◆無間隙計數器通用計數器的頻率測量，其前后兩次閘門之間必然存在一段間隙時間（顯示、存儲、下一次測量準備），使有用信息被丟失，導致時間軸上的不連續(xù)性。為此，就要使用無間隙計數器方案?！魧崿F原理

使用兩組計數器交替工作，每一組都包括時間計數器（對時標T0）和事件計數器。當一組計數器工作時，另一組計數器進行數據的顯示等工作。 如此往復交替，完成時間軸上無間隙的測量。

第八頁，共十九頁，2022年，8月28日4.9.2時頻測量原理工作原理波形圖第九頁，共十九頁，2022年，8月28日◆原理框圖4.9.2時頻測量原理第十頁，共十九頁，2022年，8月28日4.9.2時頻測量原理3）提高測量速度與分辨力的方法◆采用同步和內插技術提高分辨力兩組基本計數器均采用雙計數器(事件計數器和時間計數器)且閘門由輸入信號同步，同時采用內插技術進一步提高分辨力?！糇钚〔蓸訒r間兩組計數器交替計數，即當一組計數器在采樣計數時，另一組基本計數器正在進行內插、讀數、清零等操作，因此最小采樣時間滿足下式：該式中,后3項取決于器件速度（一般選用高速器件）,因此應設法減小內插時間以提高測量速度。第十一頁，共十九頁，2022年，8月28日◆內插時間

在使用模擬內插法時，設開門和關門脈沖的最大寬度為Tm(兩個零頭時間)，放大倍數為K，則內插時間為：KTm。為減小內插時間，可提高時基頻率（如采用更高頻率的晶振）以減小Tm的值。但時基頻率的提高將給器件的選擇和電路設計帶來困難。減小內插時間還可減小內插系數K，但K值太小測時分辨力降低，為適應某些高測時分辨力要求，必須協調好采樣速度和高測時分辨力的矛盾。4.9.2時頻測量原理第十二頁，共十九頁，2022年，8月28日4.6.2模擬內插法一般時間間隔測量的局限性： 為減小量化誤差，需減小時標以增大計數值，但時標的減小受時基電路和計數器最高工作頻率限制，而計數器也有最大計數容量的限制（最大計數值）。

內插法對已存在的量化誤差，測量出量化單位以下的尾數(零頭時間)。如下圖所示， 則準確的Tx為：

Tx=T0+T1-T2為實現T1-T2的測量，有模擬和數字兩種方法。第十三頁，共十九頁，2022年，8月28日4.6.2模擬內插法1）模擬內插法原理由于T1和T2均很?。ㄐ∮跁r標），采用普通的“時標計數法”難以實現（需要非常小的時標）。其實現的基本思路是：對T1和T2作時間擴展（放大）后測量。三次測量 若T1、T2均擴展k倍， 采用同一個時標（設為）分別測量T0、kT1、kT2，設計數值分別為：N0、N1、N2， 則：意義：上式由于不存在量化誤差，總量化誤差由(N1-N2)引起，降低了k倍。相當于用時標的普通時間測量。第十四頁，共十九頁，2022年，8月28日4.6.2模擬內插法2）時間擴展電路◆時間擴展電路 如下圖所示：◆工作原理 以恒流源對電容器C充電，設充電時間為T1，而以(k-1)T1（可近似為kT1）時間緩慢放電，當放電到原電平時，所經歷的時間為：T1’=T1+(k-1)T1=kT1，即得到T1的k倍時間擴展。在kT1時間內對時標計數。第十五頁，共十九頁，2022年，8月28日◆例如，擴展器控制的開門時間為T1的1000倍(k取999)，即： T’1＝T1＋999T1＝1000T1在T’1時間內對時標計數得N1，則類似地： T’2＝T2＋999T2＝1000T2在T’2時間內對時標計數得N2，則于是：內插后測量分辨力提高了1000倍?！粜始夹g內插擴展技術可大大提高測時分辨力,但測量前需進行校準。4.6.2模擬內插法第十六頁，共十九頁，2022年，8月28日◆采用流水作業(yè)法提高測量速度流水作業(yè)法：即用幾套相同的硬件順序、連貫地工作，從而提高整體的采樣速率。工作時序如下圖所示。圖中，T為一套硬件的最小采樣時間，當采用4套硬件時，整機工作速度將提高4倍。但是，其速度的提高以硬件的復雜性和成本的提高為代價。TLine21Line11Line31Line41Line114.9.2時頻測量原理第十七頁，共十九頁，2022年，8月28日4.9.2時頻測量原理4）調制域分析的應用◆典型應用——調制參數的測試：頻率調制是通信系統所用的很多調制電路的基礎。通過調制域分析，可立即顯示調制波形，提供載波頻率、峰-峰值頻偏、調制率等關鍵參數。如下圖。第十八頁，共十九頁，2022年，8月28日4.9.2時頻測量原理5）發(fā)展動態(tài)隨著通信技術的不斷發(fā)展，調制域分析技術和儀器產品在高新技術領域得到廣泛應用并發(fā)揮重要作用。國外從