準(zhǔn)確測(cè)量脈沖信號(hào)的S參數(shù)(二)

頻譜歸零方法通常在脈沖寬度小于需要數(shù)字化和獲取一個(gè)離散時(shí)間數(shù)據(jù)點(diǎn)的最小時(shí)間的時(shí)候使用。因此，必須對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)獲取捕獲多個(gè)脈沖。在單獨(dú)的輸入脈沖和分析儀的時(shí)域抽樣之間沒有嚴(yán)格的同步。脈沖調(diào)制信號(hào)的頻域描述具有離散PRF單音，這可以通過濾波濾出，剩下的是基調(diào)，它載有測(cè)量信息。在分析儀的下變頻過程中，通過濾波去除不希望的噪聲和信號(hào)分量。一旦信號(hào)被數(shù)字化，分析儀應(yīng)用一個(gè)由用戶指定中頻帶寬的數(shù)字濾波器。通常，這個(gè)數(shù)字濾波器用來減小測(cè)量噪聲并增加動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)非脈沖調(diào)制信號(hào)來說數(shù)字濾波算法工作得很好，但是當(dāng)接收機(jī)接收到一個(gè)脈沖調(diào)制信號(hào)的時(shí)候會(huì)發(fā)生什么呢？

利用窄帶檢測(cè)，利用一個(gè)數(shù)字矩形濾波器消弱接收信號(hào)中除了調(diào)制基調(diào)成分以外的所有成分是很有必要的。這需要一個(gè)最小阻帶頻率小于脈沖調(diào)制信號(hào)PRF的濾波器從而具有最優(yōu)的阻礙。濾波器過渡斜度需要遠(yuǎn)離第一個(gè)PRF單音(圖4，左)，這樣對(duì)不需要的單音具有最大的阻礙。這個(gè)濾波器會(huì)很難設(shè)計(jì)因?yàn)镻RF單音會(huì)和基頻很近。嚴(yán)格的矩形濾波器在頻域有一些折衷，例如在時(shí)域具有額外的抖動(dòng)。對(duì)此，濾波器設(shè)計(jì)者在頻域和時(shí)域采用不同的技術(shù)獲得最佳的性能，同時(shí)提供有效的濾波性能。

圖4的左面給出用于分析儀中的一個(gè)可能的中頻數(shù)字濾波器的響應(yīng)。它在形狀上不是矩形，因此如果不加改變地使用，會(huì)在頻域引入不需要的成分，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。另外，這個(gè)數(shù)字濾波器在頻域具有周期排列的零點(diǎn)。這些零點(diǎn)的周期與接收機(jī)的采樣速率和數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)成正比。使用一個(gè)微波PNA，通過調(diào)整數(shù)字濾波器的零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)不需要的脈沖調(diào)制譜成分有可能濾除不需要的信號(hào)分量，只留下基頻(圖5)。這種濾波技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是濾波器的零點(diǎn)非常深，能為脈沖調(diào)制譜成分提供很大的阻礙。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是零點(diǎn)可以和基頻很接近因?yàn)榱泓c(diǎn)的過渡區(qū)非常陡峭。

圖6給出脈沖調(diào)制信號(hào)和分析儀離散抽樣在時(shí)域的代表性圖形。由于下變頻，抽樣器數(shù)字化的脈沖丟失了原來的時(shí)域形狀，并且當(dāng)通過窄帶接收機(jī)的時(shí)候不同的硬件濾波元件加到脈沖上。準(zhǔn)確的脈沖調(diào)制測(cè)量信息在這個(gè)下變頻過程中保持不變。在數(shù)字轉(zhuǎn)換器看到的脈沖到脈沖形狀由于PRF和掃描頻率之間相位關(guān)系的不同而改變。一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)獲取的抽樣脈沖數(shù)量和中頻帶寬設(shè)置、脈沖周期和脈沖寬度有關(guān)。在這個(gè)例子中，測(cè)量了一個(gè)脈沖周期為100μs、脈沖寬度為1μs的脈沖調(diào)制信號(hào)。測(cè)量選擇500Hz的中頻濾波器，為了在分析儀上顯示一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)需要292個(gè)抽樣，每個(gè)間隔6μs。在一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的獲取時(shí)間中，分析儀得到17個(gè)脈沖，每個(gè)數(shù)字化的抽樣包含從輸入脈沖的不同部分而來的數(shù)據(jù)。

當(dāng)使用頻譜歸零工作方式的時(shí)候，與占空周期相應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍上會(huì)有一個(gè)損失，等于20log(占空周期)。這是由于窄帶濾波器阻止脈沖調(diào)制信號(hào)中除了基調(diào)以外的一切成分。隨著占空比的降低，更多的能量移入旁瓣，在基調(diào)中就會(huì)有更少的能量。

這可以通過分析公式2圖解說明，并且注意到頻域音調(diào)的下降與脈寬和脈沖重復(fù)頻率成正比(即，占空周期=脈寬×PRF)。對(duì)一些分析儀來說，這會(huì)限制測(cè)量可用性。在這種配置下使用微波PNA的一個(gè)主要收益就是可以使用非常窄的脈沖寬度(即，遠(yuǎn)小于1μs)，只要占空周期足夠大，從而提供可以接受的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。隨著占空周期的下降，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到一個(gè)點(diǎn)，在這一點(diǎn)測(cè)量結(jié)果沒有足夠的精度。微波PNA優(yōu)于使用窄帶檢測(cè)，因?yàn)樗诟櫾肼暫蛣?dòng)態(tài)范圍方面具有比其它網(wǎng)絡(luò)分析儀(圖7)和頻譜歸零更突出的性能。

使用頻譜歸零技術(shù)測(cè)量一個(gè)成分需要通過控制DUT偏置或者脈沖調(diào)制激勵(lì)的調(diào)制。圖8給出一個(gè)脈沖調(diào)制激勵(lì)測(cè)量的硬件配置。門轉(zhuǎn)換(調(diào)制器)放在源和接收機(jī)的前面，這里這些門的時(shí)延和寬度可以獨(dú)立設(shè)置。這為分析儀的內(nèi)部源提供脈沖并為接收機(jī)提供時(shí)間門從而可以進(jìn)行點(diǎn)內(nèi)脈沖和脈沖成型，這些將在下一部分講述。外部調(diào)制器和脈沖發(fā)生器主要給出脈沖寬度限制。脈沖發(fā)生器必須有一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)參考(10MHz)輸入來鎖定分析儀和脈沖發(fā)生器到同一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。這對(duì)于確保濾波器和脈沖調(diào)制譜的頻域成分在調(diào)整PRF成分零點(diǎn)過程中被鎖定在一起是很重要的。微波PNA需要用選項(xiàng)H08和H11進(jìn)行配置。選項(xiàng)H11為點(diǎn)內(nèi)脈沖和脈沖成型提供中頻門控硬件。選項(xiàng)H08為在頻譜歸零模式下配置分析儀提供應(yīng)用軟件。

作者：Loren Betts