時(shí)頻測(cè)量技術(shù)

時(shí)頻測(cè)量技術(shù)第一頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日4.9.1調(diào)制域測(cè)量1）什么是調(diào)制域測(cè)量？電信號(hào)的完整關(guān)系：可用三個(gè)量以及之間的關(guān)系來(lái)描述。這三個(gè)量就是：時(shí)間、幅度和頻率，其中：幅度-時(shí)間關(guān)系：示波器幅度-頻率關(guān)系：頻譜儀頻率-時(shí)間關(guān)系：調(diào)制域分析儀第二頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日下圖所示描述了同一信號(hào)在時(shí)域（V-T）、頻域（V-F）、調(diào)制域（F-T）的特性。◆調(diào)制域分析儀能夠完成時(shí)間與頻率關(guān)系測(cè)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(shí)間軸(T)共同構(gòu)成的平面域調(diào)制域測(cè)量技術(shù)是對(duì)時(shí)域和頻域測(cè)量技術(shù)的補(bǔ)充和完善。4.9.1調(diào)制域測(cè)量第三頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日4.9.1調(diào)制域測(cè)量1）什么是調(diào)制域測(cè)量？◆時(shí)域與頻域分析的局限性 一個(gè)實(shí)際的信號(hào)可以從時(shí)域和頻域進(jìn)行描述和分析，時(shí)域分析可以了解信號(hào)波形（幅值）隨時(shí)間的直觀變化；頻域分析則可以了解信號(hào)中所含頻譜分量，但是，卻不能把握各頻譜分量在何時(shí)出現(xiàn)?！粽{(diào)制域概念 在通信等領(lǐng)域中，各種復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)越來(lái)越多地被人們使用，因而，常常需要了解信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化，以便對(duì)調(diào)制信號(hào)等進(jìn)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(shí)間軸(T)共同構(gòu)成的平面域。第四頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日4.9.1調(diào)制域測(cè)量2）為什么要進(jìn)行調(diào)制域測(cè)量？

在通信等領(lǐng)域中，各種復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)越來(lái)越多地被人們使用，因而，常常需要了解信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化，以便對(duì)調(diào)制信號(hào)等進(jìn)行有效分析——即調(diào)制域分析。

方便地表達(dá)出頻域和時(shí)域中難以描述的信號(hào)參數(shù)和信號(hào)特性。為人們對(duì)復(fù)雜信號(hào)的測(cè)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(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日4.9.2時(shí)頻測(cè)量原理1）瞬時(shí)頻率測(cè)量原理◆瞬時(shí)頻率的概念 信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化，可將頻率量視為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)，用f(t)表示。f(t)也代表了時(shí)間t時(shí)的瞬時(shí)頻率?！羝骄l率 實(shí)際上，由于測(cè)量上的困難，瞬時(shí)頻率只是一種理論上的概念。因?yàn)樗袦y(cè)量都需要一定的采樣時(shí)間（閘門時(shí)間），測(cè)量結(jié)果則為該采樣時(shí)間內(nèi)的平均頻率?！粲闷骄l率逼近瞬時(shí)頻率 在時(shí)間軸上以某個(gè)時(shí)刻t0為起始點(diǎn)，連續(xù)地對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣，則：第六頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日各采樣計(jì)數(shù)值Mi與相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)ti相對(duì)應(yīng)。則可得到采樣時(shí)間內(nèi)的平均頻率值。當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)限小時(shí)即可得到各時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)頻率值。如下圖所示，采樣點(diǎn)A作為時(shí)間起始點(diǎn)t0，則：在采樣點(diǎn)B得到事件周期值M1和時(shí)間標(biāo)記：(T0為時(shí)標(biāo))在采樣點(diǎn)C得到事件周期值M2和時(shí)間標(biāo)記：于是，B點(diǎn)的頻率為：同理，C點(diǎn)的頻率為如此連續(xù)不斷地測(cè)量下去就得到了時(shí)頻曲線。4.9.2時(shí)頻測(cè)量原理第七頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日4.9.2時(shí)頻測(cè)量原理2）無(wú)間隙計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)◆無(wú)間隙計(jì)數(shù)器通用計(jì)數(shù)器的頻率測(cè)量，其前后兩次閘門之間必然存在一段間隙時(shí)間（顯示、存儲(chǔ)、下一次測(cè)量準(zhǔn)備），使有用信息被丟失，導(dǎo)致時(shí)間軸上的不連續(xù)性。為此，就要使用無(wú)間隙計(jì)數(shù)器方案?！魧?shí)現(xiàn)原理

使用兩組計(jì)數(shù)器交替工作，每一組都包括時(shí)間計(jì)數(shù)器（對(duì)時(shí)標(biāo)T0）和事件計(jì)數(shù)器。當(dāng)一組計(jì)數(shù)器工作時(shí)，另一組計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示等工作。 如此往復(fù)交替，完成時(shí)間軸上無(wú)間隙的測(cè)量。

第八頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日4.9.2時(shí)頻測(cè)量原理工作原理波形圖第九頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日◆原理框圖4.9.2時(shí)頻測(cè)量原理第十頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日4.9.2時(shí)頻測(cè)量原理3）提高測(cè)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(jì)數(shù)器均采用雙計(jì)數(shù)器(事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器)且閘門由輸入信號(hào)同步，同時(shí)采用內(nèi)插技術(shù)進(jìn)一步提高分辨力?！糇钚〔蓸訒r(shí)間兩組計(jì)數(shù)器交替計(jì)數(shù)，即當(dāng)一組計(jì)數(shù)器在采樣計(jì)數(shù)時(shí)，另一組基本計(jì)數(shù)器正在進(jìn)行內(nèi)插、讀數(shù)、清零等操作，因此最小采樣時(shí)間滿足下式：該式中,后3項(xiàng)取決于器件速度（一般選用高速器件）,因此應(yīng)設(shè)法減小內(nèi)插時(shí)間以提高測(cè)量速度。第十一頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日◆內(nèi)插時(shí)間

在使用模擬內(nèi)插法時(shí)，設(shè)開(kāi)門和關(guān)門脈沖的最大寬度為Tm(兩個(gè)零頭時(shí)間)，放大倍數(shù)為K，則內(nèi)插時(shí)間為：KTm。為減小內(nèi)插時(shí)間，可提高時(shí)基頻率（如采用更高頻率的晶振）以減小Tm的值。但時(shí)基頻率的提高將給器件的選擇和電路設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。減小內(nèi)插時(shí)間還可減小內(nèi)插系數(shù)K，但K值太小測(cè)時(shí)分辨力降低，為適應(yīng)某些高測(cè)時(shí)分辨力要求，必須協(xié)調(diào)好采樣速度和高測(cè)時(shí)分辨力的矛盾。4.9.2時(shí)頻測(cè)量原理第十二頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日4.6.2模擬內(nèi)插法一般時(shí)間間隔測(cè)量的局限性： 為減小量化誤差，需減小時(shí)標(biāo)以增大計(jì)數(shù)值，但時(shí)標(biāo)的減小受時(shí)基電路和計(jì)數(shù)器最高工作頻率限制，而計(jì)數(shù)器也有最大計(jì)數(shù)容量的限制（最大計(jì)數(shù)值）。

內(nèi)插法對(duì)已存在的量化誤差，測(cè)量出量化單位以下的尾數(shù)(零頭時(shí)間)。如下圖所示， 則準(zhǔn)確的Tx為：

Tx=T0+T1-T2為實(shí)現(xiàn)T1-T2的測(cè)量，有模擬和數(shù)字兩種方法。第十三頁(yè)，共十九頁(yè)，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均很小（小于時(shí)標(biāo)），采用普通的“時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)法”難以實(shí)現(xiàn)（需要非常小的時(shí)標(biāo)）。其實(shí)現(xiàn)的基本思路是：對(duì)T1和T2作時(shí)間擴(kuò)展（放大）后測(cè)量。三次測(cè)量 若T1、T2均擴(kuò)展k倍， 采用同一個(gè)時(shí)標(biāo)（設(shè)為）分別測(cè)量T0、kT1、kT2，設(shè)計(jì)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(dāng)于用時(shí)標(biāo)的普通時(shí)間測(cè)量。第十四頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日4.6.2模擬內(nèi)插法2）時(shí)間擴(kuò)展電路◆時(shí)間擴(kuò)展電路 如下圖所示：◆工作原理 以恒流源對(duì)電容器C充電，設(shè)充電時(shí)間為T1，而以(k-1)T1（可近似為kT1）時(shí)間緩慢放電，當(dāng)放電到原電平時(shí)，所經(jīng)歷的時(shí)間為：T1’=T1+(k-1)T1=kT1，即得到T1的k倍時(shí)間擴(kuò)展。在kT1時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)。第十五頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日◆例如，擴(kuò)展器控制的開(kāi)門時(shí)間為T1的1000倍(k取999)，即： T’1＝T1＋999T1＝1000T1在T’1時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)得N1，則類似地： T’2＝T2＋999T2＝1000T2在T’2時(shí)間內(nèi)對(duì)時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)得N2，則于是：內(nèi)插后測(cè)量分辨力提高了1000倍?！粜?zhǔn)技術(shù)內(nèi)插擴(kuò)展技術(shù)可大大提高測(cè)時(shí)分辨力,但測(cè)量前需進(jìn)行校準(zhǔn)。4.6.2模擬內(nèi)插法第十六頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日◆采用流水作業(yè)法提高測(cè)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(shí)序如下圖所示。圖中，T為一套硬件的最小采樣時(shí)間，當(dāng)采用4套硬件時(shí)，整機(jī)工作速度將提高4倍。但是，其速度的提高以硬件的復(fù)雜性和成本的提高為代價(jià)。TLine21Line11Line31Line41Line114.9.2時(shí)頻測(cè)量原理第十七頁(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日4.9.2時(shí)頻測(cè)量原理4）調(diào)制域分析的應(yīng)用◆典型應(yīng)用——調(diào)制參數(shù)的測(cè)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(guò)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(yè)，共十九頁(yè)，2022年，8月28日4.9.2時(shí)頻測(cè)量原理5）發(fā)展動(dòng)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(yīng)用并發(fā)揮重要作用。國(guó)外從