時頻測量技術(shù)

時頻測量技術(shù)第一頁，共十九頁，2022年，8月28日4.9.1調(diào)制域測量1）什么是調(diào)制域測量？電信號的完整關(guān)系：可用三個量以及之間的關(guān)系來描述。這三個量就是：時間、幅度和頻率，其中：幅度-時間關(guān)系：示波器幅度-頻率關(guān)系：頻譜儀頻率-時間關(guān)系：調(diào)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(diào)制域（F-T）的特性?！粽{(diào)制域分析儀能夠完成時間與頻率關(guān)系測量的儀器稱為調(diào)制域分析儀。調(diào)制域即指由頻率軸(F)和時間軸(T)共同構(gòu)成的平面域調(diào)制域測量技術(shù)是對時域和頻域測量技術(shù)的補充和完善。4.9.1調(diào)制域測量第三頁，共十九頁，2022年，8月28日4.9.1調(diào)制域測量1）什么是調(diào)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(xiàn)。◆調(diào)制域概念 在通信等領(lǐng)域中，各種復雜的調(diào)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(diào)制信號等進行有效分析——即調(diào)制域分析。

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

在通信等領(lǐng)域中，各種復雜的調(diào)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(diào)制信號等進行有效分析——即調(diào)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(shù)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(tǒng)方法或不可能用傳統(tǒng)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(shù)，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(jié)果則為該采樣時間內(nèi)的平均頻率。◆用平均頻率逼近瞬時頻率 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(shù)值Mi與相應時間點ti相對應。則可得到采樣時間內(nèi)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(shù)器的實現(xiàn)◆無間隙計數(shù)器通用計數(shù)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(shù)器方案?！魧崿F(xiàn)原理

使用兩組計數(shù)器交替工作，每一組都包括時間計數(shù)器（對時標T0）和事件計數(shù)器。當一組計數(shù)器工作時，另一組計數(shù)器進行數(shù)據(jù)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(nèi)插技術(shù)提高分辨力兩組基本計數(shù)器均采用雙計數(shù)器(事件計數(shù)器和時間計數(shù)器)且閘門由輸入信號同步，同時采用內(nèi)插技術(shù)進一步提高分辨力?！糇钚〔蓸訒r間兩組計數(shù)器交替計數(shù)，即當一組計數(shù)器在采樣計數(shù)時，另一組基本計數(shù)器正在進行內(nèi)插、讀數(shù)、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(nèi)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(nèi)插時間

在使用模擬內(nèi)插法時，設開門和關(guān)門脈沖的最大寬度為Tm(兩個零頭時間)，放大倍數(shù)為K，則內(nèi)插時間為：KTm。為減小內(nèi)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(nèi)插時間還可減小內(nèi)插系數(shù)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(xié)調(diào)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(nèi)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(shù)值，但時標的減小受時基電路和計數(shù)器最高工作頻率限制，而計數(shù)器也有最大計數(shù)容量的限制（最大計數(shù)值）。

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

Tx=T0+T1-T2為實現(xiàn)T1-T2的測量，有模擬和數(shù)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(nèi)插法1）模擬內(nèi)插法原理由于T1和T2均很?。ㄐ∮跁r標），采用普通的“時標計數(shù)法”難以實現(xiàn)（需要非常小的時標）。其實現(xiàn)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(shù)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(nèi)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(jīng)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(nèi)對時標計數(shù)。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(nèi)對時標計數(shù)得N1，則類似地： T’2＝T2＋999T2＝1000T2在T’2時間內(nèi)對時標計數(shù)得N2，則于是：內(nèi)插后測量分辨力提高了1000倍?！粜始夹g(shù)內(nèi)插擴展技術(shù)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(nèi)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(diào)制域分析的應用◆典型應用——調(diào)制參數(shù)的測試：頻率調(diào)制是通信系統(tǒng)所用的很多調(diào)制電路的基礎(chǔ)。通過調(diào)制域分析，可立即顯示調(diào)制波形，提供載波頻率、峰-峰值頻偏、調(diào)制率等關(guān)鍵參數(shù)。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(shù)的不斷發(fā)展，調(diào)制域分析技術(shù)和儀器產(chǎn)品在高新技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應用并發(fā)揮重要作用。國外從