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1、电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第1页4.9 时频测量技术时频测量技术4.9.1 4.9.1 调制域测量调制域测量 1 1）什么是调制域测量）什么是调制域测量 2 2）为什么要进行调制域测量）为什么要进行调制域测量4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理如何实现调制域测量如何实现调制域测量 1 1）瞬时频率测量原理）瞬时频率测量原理 2 2）无间隔计数器的实现）无间隔计数器的实现 3 3）提高测量速度与分辨力的方法）提高测量速度与分辨力的方法 4 4）调制域分析的应用）调制域分析的应用 5 5）发展动态）发展动态争铣衅讲吭体惶驻棉织颁朱言称锥黎炊绑溶蚊绅墙阿奥增灯鸿蚀坐
2、竟践腐时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第2页4.9.1 4.9.1 调制域测量调制域测量1 1）什么是调制域测量？）什么是调制域测量？电信号的完整关系：电信号的完整关系：电信号的完整关系：电信号的完整关系：可用三可用三可用三可用三个量以及之间的关系来描述。个量以及之间的关系来描述。个量以及之间的关系来描述。个量以及之间的关系来描述。这三个量就是：这三个量就是：这三个量就是：这三个量就是：时间、幅度和频率，其中：时间、幅度和频率，其中：时间、幅度和频率，其中：时间、幅度和频率，其中：幅度幅度幅度幅度- - - -时间关系：示波器时间关系：示波器时间关系：示
3、波器时间关系：示波器幅度幅度幅度幅度- - - -频率关系：频谱仪频率关系：频谱仪频率关系：频谱仪频率关系：频谱仪频率频率频率频率- - - -时间关系：调制域分析仪时间关系：调制域分析仪时间关系：调制域分析仪时间关系：调制域分析仪爹圈联鲤幼陌颠项沛莽储昧琼盂盒测墒鼎窥皂没尼瓜晨酚套颅爆潞密鸽桥时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第3页下图所示描述了同一信号在时域（下图所示描述了同一信号在时域（下图所示描述了同一信号在时域（下图所示描述了同一信号在时域（V-TV-TV-TV-T）、频域（）、频域（）、频域（）、频域（V-FV-FV-FV-F）、调）、调）、调
4、）、调制域（制域（制域（制域（F-TF-TF-TF-T）的特性。）的特性。）的特性。）的特性。调制域分析仪调制域分析仪调制域分析仪调制域分析仪能够能够能够能够完成时间与频率关系测量的仪器完成时间与频率关系测量的仪器完成时间与频率关系测量的仪器完成时间与频率关系测量的仪器称为调制域分析仪。称为调制域分析仪。称为调制域分析仪。称为调制域分析仪。调制域调制域调制域调制域即指由频率轴即指由频率轴即指由频率轴即指由频率轴(F)(F)(F)(F)和时间轴和时间轴和时间轴和时间轴(T)(T)(T)(T)共同构成的平面域共同构成的平面域共同构成的平面域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
5、和完善。调制域测量技术是对时域和频域测量技术的补充和完善。调制域测量技术是对时域和频域测量技术的补充和完善。调制域测量技术是对时域和频域测量技术的补充和完善。4.9.1 4.9.1 调制域测量调制域测量絮慑辰涵支衔籍弛历飘灸毙戮隋收陋雷赡萌非隔甥醋遁携甚毒鲜噎宏妊们时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第4页4.9.1 4.9.1 调制域测量调制域测量1 1）什么是调制域测量？）什么是调制域测量？时域与频域分析的局限性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（
6、幅值）随时间的直观变化；频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各频谱分量在何时出现。调制域概念调制域概念在通信等领域中，各种复杂的在通信等领域中，各种复杂的调制信号调制信号越来越多地被人们越来越多地被人们使用，因而，常常需要使用，因而，常常需要了解信号频率随时间的变化，以便了解信号频率随时间的变化，以便了解信号频率随时间的变化，以便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对调制信号等进行有效分析对调制信号等进行有效分析对调制信号等进行有效分析即即
7、调制域分析调制域分析。调制域调制域调制域调制域即指由频率轴即指由频率轴即指由频率轴即指由频率轴(F)(F)(F)(F)和时间轴和时间轴和时间轴和时间轴(T)(T)(T)(T)共同构成的平面域共同构成的平面域共同构成的平面域共同构成的平面域。呐盒权拽彭证后误咆抠饯敲驼负饶爪坑贤汕染序吞画岛烫佰斌餐硝违忆炉时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第5页4.9.1 4.9.1 调制域测量调制域测量2 2）为什么要进行调制域测量？）为什么要进行调制域测量？在在通通信信等等领领域域中中，各各种种复复杂杂的的调调制制信信号号越越来来越越多多地地被被人人们们使使用用，因因而而
8、，常常常常需需要要了了了了解解解解信信信信号号号号频频频频率率率率随随随随时时时时间间间间的的的的变变变变化化化化，以以以以便便便便对对对对调调调调制制制制信信信信号号号号等等等等进进进进行行行行有有有有效效效效分分分分析析析析即即调制域分析调制域分析。方方方方便便便便地地地地表表表表达达达达出出出出频频频频域域域域和和和和时时时时域域域域中中中中难难难难以以以以描描描描述述述述的的的的信信信信号号号号参参参参数数数数和和和和信信信信号号号号特特特特性性性性。为为人人们们对对复复杂杂信信号号的的测测试试和和分分析析提提供供了了方方便便直直观观的的方方法法，解解决决了了一一些些难难以以用用传传统
9、统方方法法或或不不可可能能用用传传统统方方法法解解决决的难题。的难题。 揉插娩待席胀艇栗丹招哉诈洗昧镀镶婪饺氖订鞭逮烤天吐勺驱忙妄占搁信时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第6页4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理1 1）瞬时频率测量原理）瞬时频率测量原理瞬时频率的概念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信号频率随时间的变化，可将频率量视为时间t的连续函的连续函数，用数，用f(t)表示。表示。f(t)也代表了时间也代表了时间t时的时的瞬时频率瞬时频率。平均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实际上，由于
10、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），概念。因为所有测量都需要一定的采样时间（闸门时间），测量结果则为该测量结果则为该采样时间内的平均频率采样时间内的平均频率。用用平均频率逼近瞬时频率平均频率逼近瞬时频率在在时间轴上以某个时刻时间轴上以某个时刻t0为起始点，连续地对被测信号进为起始点，连续地对被测信号进行采样，则：行采样，则：径参听裤羽煤龙送冕阮未慈渭艘尿腋焰莎苟虫著嚏拇汝煌幸二券缔腿获涪时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第7页各采样计数值各采样计数值各采样计数值各采样计数值MMi i与相应时间点与相应时
11、间点与相应时间点与相应时间点t ti i相对应相对应相对应相对应。则可得到。则可得到采样时间内采样时间内的平均频率值。当的平均频率值。当时间趋于无限小时即可得到各时间点的时间趋于无限小时即可得到各时间点的瞬时频率值瞬时频率值。如下图所示，采样点如下图所示，采样点A A作为时间起始点作为时间起始点t t0 0，则：，则：在采样点在采样点B B得到事件周期值得到事件周期值M M1 1和时间标记：和时间标记： (T (T0 0为时标为时标) )在采样点在采样点C C得到事件周期值得到事件周期值M M2 2和时间标记：和时间标记：于是，于是，B B点的频率为：点的频率为： 同理，同理，C C点的频率为
12、点的频率为 如此连续不断地测量下去就得到了如此连续不断地测量下去就得到了时频曲线时频曲线。 4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理状菱加腹求绎穆杂述梗怖筹次必眠莲歪匣硒骆褂栈惦申统闻缺周蒂穷能哮时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第8页4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理2 2）无间隙计数器的实现）无间隙计数器的实现无间隙计数器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），使有用信息间隙时间（显示、存储、下一次测量准备），使有用
13、信息被丢失，导致时间轴上的不连续性。为此，就要使用被丢失，导致时间轴上的不连续性。为此，就要使用无间无间隙计数器方案隙计数器方案。实现原理实现原理使用两组计数器使用两组计数器交替工作交替工作，每一组都包括，每一组都包括时间计数器时间计数器时间计数器时间计数器（对时（对时标标T T0 0）和）和事件计数器事件计数器事件计数器事件计数器。当一组计数器工作时，另一组计数。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。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。如此往复交替，完成时间轴上无间隙的测量。 羚错禽捂列弦理丝迅壹驭恼铜栋拒冠巍移祟俯痢摘可菇愿赘挝懊乖呈觅快时频测量
14、技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第9页4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理u工作原理波形图工作原理波形图工作原理波形图工作原理波形图话吻旨散标姻雌督责邯墅鸦滋懂丸穷拳械暑节赛羹瑟桂侩呸郊犊嘉牢迪换时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第10页原理框图原理框图4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理筏积蛆权妮绵婉鼠咕晰郭美滋猿礼卢所胸泄荷端点型翘延癸涂狈弃蔼鄙溯时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第11页4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理3 3）提高测量速度与分
15、辨力的方法）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采用同步和内插技术提高分辨力两两组组基基本本计计数数器器均均采采用用双双计计数数器器( (事事件件计计数数器器和和时时间间计计数数器器) )且且闸闸门门由由输输入入信信号号同同步步，同同时时采采用用内内插插技技术术进进一一步步提提高高分分辨力。辨力。最小采样时间最小采样时间两两组组计计数数器器交交替替计计数数，即即当当一一组组计计数数器器在在采采样样计计数数时时，另另一一组组基基本本计计数数器器正正在在进进行行内内插插、读读数数、清清零零等等操操作作，因因此此最最小采样时间满足下式：小采样时间满足下式：该该式式中中, ,后后3
16、3项项取取决决于于器器件件速速度度（一一般般选选用用高高速速器器件件）, ,因因此此应应设设法法减减小小内内插时间以提高测量速度。插时间以提高测量速度。睹诅宝颤怖详祥判由掘溶棵灾瘪函垮涡派渺篱潞掀殴陵料岗岔庇众游按条时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第12页内插时间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在使用模拟内插法时，设开门和关门脉冲的最大宽度为T Tm m( (两两个零头时间个零头时间) )，放大倍数为，放大倍数为K K，则内插时间为：，则内插时间为：KTKTm m。为减小内插时间，可为减小内插时间，可提高时基频率提高时基频率提高时
17、基频率提高时基频率（如采用更高频率的晶振）（如采用更高频率的晶振）以减小以减小T Tm m的值。但的值。但时基频率的提高将给器件的选择和电路时基频率的提高将给器件的选择和电路设计带来困难。设计带来困难。减小内插时间还可减小内插时间还可减小减小减小减小内插系数内插系数内插系数内插系数K K K K，但，但K K值太小测时分辨力降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。和高测时分辨力的矛盾。4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理咋凹供癌柏苛摇演蹈凌贞竖摸麦赠秃企挛汞爬毛峭玲它细鹃矽职咖懈僧
18、法时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第13页4.6.2 4.6.2 模拟内插法模拟内插法一般时间间隔测量的局限性：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的减小受时基电路和计数器最高工作频率最高工作频率最高工作频率最高工作频率限制，而计数器限制，而计数器也有最大计数容量的限制（也有最大计数容量的限制（最大计数值最大计数值最大计数值最大计数值）。）。内插法内插法对已存在的量化误差，测量出对已存在的量化误差，测量出量化单位以下的量化单位以下的量化单位以下的量化
19、单位以下的尾数尾数尾数尾数(零头时间零头时间零头时间零头时间)。如下图所示，。如下图所示，则准确的则准确的TxTx为：为：Tx=TTx=T0 0+T+T1 1-T-T2 2为实现为实现T T1 1-T-T2 2的测量，的测量，有有模拟和数字两种方法模拟和数字两种方法模拟和数字两种方法模拟和数字两种方法。也搽鲤赞凋尘谨哭进彦超砍今湖档疮痉叶丛盖豆抡普笨躲层胺舒向琳泅坯时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第14页4.6.2 4.6.2 模拟内插法模拟内插法1 1）模拟内插法原理）模拟内插法原理u由于由于T T1 1和和T T2 2均很小（小于时标），采用普通的均
20、很小（小于时标），采用普通的“时标计数时标计数法法”难以实现（需要非常小的时标）。其实现的基本思路难以实现（需要非常小的时标）。其实现的基本思路是：是：对对对对T T T T1 1 1 1和和和和T T T T2 2 2 2作时间扩展（放大）后测量作时间扩展（放大）后测量作时间扩展（放大）后测量作时间扩展（放大）后测量。u三次测量三次测量若若T1、T2均扩展均扩展k倍，倍， 采用同一个时标（设为采用同一个时标（设为 ）分别测）分别测量量T0、kT1、kT2，设计数值分别为：，设计数值分别为：N0、N1、N2，则：则：u意义：意义：上式由于上式由于 不存在量化误差，总量化误差由不存在量化误差，总
21、量化误差由(N1-N2)引起，降低了引起，降低了k倍。倍。相当于用相当于用 时标的普通时间测量。时标的普通时间测量。玫四栈栅誊徒限惠捶扳筒离量逛触天淖氧圾宜注御衅炎吸饼唁图絮遮钡赃时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第15页4.6.2 4.6.2 模拟内插法模拟内插法2 2）时间扩展电路）时间扩展电路时间扩展电路时间扩展电路如下图所示：如下图所示：工作原理工作原理以恒流源对电容以恒流源对电容器器C充电，设充电时充电，设充电时间为间为T1，而以，而以(k-1)T1（可近似为（可近似为kT1）时间缓慢放电，当放电到原电平时，所经历）时间缓慢放电，当放电到原电平时
22、，所经历的时间为：的时间为： T1=T1+(k-1)T1=kT1，即得到，即得到T1的的k倍时间扩倍时间扩展。在展。在kT1时间内对时标计数。时间内对时标计数。晰肢帛抨躺祁曙呻喧腥肚惮偏粮侈压陀汹萨孩痘子损雏惯蛙倡瘟酗披图帅时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第16页例如，例如，扩展器控制的开门时间为扩展器控制的开门时间为T T1 1的的10001000倍倍(k(k取取999)999)，即：即：T T1 1T T1 1999T999T1 11000T1000T1 1在在T T1 1时间内对时标时间内对时标 计数得计数得N N1 1，则，则类似地：类似地： T
23、 T2 2T T2 2999T999T2 21000T1000T2 2在在T T2 2时间内对时标时间内对时标 计数得计数得N N2 2，则，则于是：于是：内插后测量分辨力提高了内插后测量分辨力提高了10001000倍。倍。校准技术校准技术内插扩展技术可大大提高测时分辨力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。但测量前需进行校准。4.6.2 4.6.2 模拟内插法模拟内插法染超保敷遂候雷铃碧笆猿钝翁虚考或洒置旺沾买占音远快展悍肚低秸盖们时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第17页采用流水作业法提高测量速度采用流水作业法提高测量速度流水作业法
24、：即用几套相同的硬件顺序、连贯地工作，从而流水作业法：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提高整体的采样速率。工作时序如下图所示 。图中，图中，T T为一套硬件的最小采样时间，当采用为一套硬件的最小采样时间，当采用4 4套硬件时，整机工作速度将套硬件时，整机工作速度将提高提高4 4倍。倍。但是，其但是，其速度的提高速度的提高速度的提高速度的提高以硬件的复杂性和成本的提高为代价以硬件的复杂性和成本的提高为代价以硬件的复杂性和成本的提高为代价以硬件的复杂性和成本的提高为代价。TLine21Line11Line31Line41Line114.9.2 4.9.
25、2 时频测量原理时频测量原理熏淆帕例酞伙烦碾枷尺屈嫩约嘲浇汤招冉糟朗衙策尸殖泞窄残皿券补狗汕时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第18页4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理4 4）调制域分析的应用）调制域分析的应用典型应用典型应用调制参数的测试：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、峰域分析，可立即显示调制波形，提供载波频率、峰- -峰值峰值频偏、调制率等关键参数。如下图。频偏、调制率等关键参数。如下图。历葬频于侈训燥朱减瓤
26、局蝗扮绥砂焚瓦恒讣壤纯财嘶株犯樟染憋释暑女主时频测量技术时频测量技术电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第19页4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理5 5）发展动态）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新技术领域得到广泛应用并发挥重要作用得到广泛应用并发挥重要作用得到广泛应用并发挥重要作用得到广泛应用并发挥重要作用。国外从国外从80808080年代起年代起年代起年代起开始调制域分析仪研制开始调制域分析仪研制( (如如HP5371AHP5371A、5373A5373A）。）。目前已有目前已有HP5372AHP5372A、HP5373AHP5373A、HP53310AHP53310A及及VXIVXI模块模块HP E1740AHP E1740A、HP E1725AHP E1725A等。等。国际先进水平国际先进水平国际先进水平国际先进水平的调制域分析仪达到的主要技术指标为：的调制域分析仪达到的主要技术指标为：直接测量频率：直接测量频率：10Hz500MHz;10Hz500MHz;测时分辨率：测时分辨率：200ps;200ps;连续采样速率：连续采样速率：10MHz10MHz。碌梅枪牵患弗捏玩析破葛着缮辨入旋经仗湘辐树怖待茧网糙钦疼恭券柜牢时频测量技术时频测量技术
