4.9 时频测量技术

电子测量原理电子测量原理

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4.9 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 11 ）什么是调制域测量）什么是调制域测量 22 ）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 11 ）瞬时频率测量原理）瞬时频率测量原理 22 ）无间隔计数器的实现）无间隔计数器的实现

33 ）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 44 ）调制域分析的应用）调制域分析的应用 55 ）发展动态）发展动态


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4.9.1 4.9.1 调制域测量调制域测量11 ）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：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。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：

幅度幅度 --时间关系：示波器时间关系：示波器幅度幅度 --频率关系：频谱仪频率关系：频谱仪频率频率 --时间关系：调制域分析仪时间关系：调制域分析仪


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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-T ）、频域（）、频域（ V-FV-F ）、）、调制域（调制域（ F-TF-T ）的特性。）的特性。

◆◆ 调制域分析仪调制域分析仪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称为调制域分析仪。称为调制域分析仪。调制域调制域即指由频率轴即指由频率轴 (F)(F) 和时间轴和时间轴 (T)(T) 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


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4.9.1 4.9.1 调制域测量调制域测量11 ）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（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——即调制域分析调制域分析。。

调制域调制域即指由频率轴即指由频率轴 (F)(F) 和时间轴和时间轴 (T)(T) 共同构成的平面域共同构成的平面域。。


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4.9.1 4.9.1 调制域测量调制域测量22 ）为什么要进行调制域测量？）为什么要进行调制域测量？

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越来越多地被人们使用，因而，常常需要地被人们使用，因而，常常需要了解信号频率随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时间的变化，以便对调制信号等进行有效分析———即—即调制域分析调制域分析。。

方便地表达出频域和时域中难以描述的信号参数和信号特方便地表达出频域和时域中难以描述的信号参数和信号特性性。为人们对复杂信号的测试和分析提供了方便直观的方。为人们对复杂信号的测试和分析提供了方便直观的方法，解决了一些难以用传统方法或不可能用传统方法解决法，解决了一些难以用传统方法或不可能用传统方法解决的难题。的难题。


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4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理11 ）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 tt 的连续函的连续函数，用数，用 f(t)f(t) 表示。表示。 f(t)f(t) 也代表了时间也代表了时间 tt 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 tt00 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：


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各采样计数值各采样计数值 MMii 与相应时间点与相应时间点 ttii 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 AA 作为时间起始点作为时间起始点 tt00，则：，则：在采样点在采样点 BB 得到事件周期值得到事件周期值 MM11和时间标记：和时间标记： (T(T00为时标为时标 ))在采样点在采样点 CC 得到事件周期值得到事件周期值 MM22和时间标记：和时间标记：

于是，于是， BB 点的频率为：同理，点的频率为：同理， CC 点的频率为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。。

1 1 0 0t N T t

2 2 0 1t N T t

t

v

A B C……

t0 t1 t2

1 11 0

1 0 1

M Mf F

N T N

22 0

2

Mf F

N

4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理


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4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理22 ）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（对时（对时

标标 TT00）和）和事件计数器事件计数器。当一组计数器工作时，另一组计。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。数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。


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事件信号

门控信号

正反同步信号

M1

M2

时间信号

N1

N2

计数

计数

计数

计数

1t 2t

读、清零

读、清零

读、清零

读、清零

4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理工作原理波形图工作原理波形图


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◆◆ 原理框图原理框图

D触发器Q

QCLK

D

可程控分频器

时基

M事件计数器 1

M事件计数器 2

N时间计数器 2

N时间计数器 1

1存储器

1读写控制电路

2读写控制电路

2存储器

门控

事件

控制信号

T0



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4.9.2 4.9.2 时频测量原理时频测量原理33 ）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◆◆ 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组基本计数器均采用双计数器两组基本计数器均采用双计数器 (( 事件计数器和时间计数器事件计数器和时间计数器 ))且闸门由输入信号同步，同时采用内插技术进一步提高分且闸门由输入信号同步，同时采用内插技术进一步提高分辨力。辨力。

◆◆最小采样时间最小采样时间两组计数器交替计数，即当一组计数器在采样计数时，另一两组计数器交替计数，即当一组计数器在采样计数时，另一

组基本计数器正在进行内插、读数、清零等操作，因此最组基本计数器正在进行内插、读数、清零等操作，因此最小采样时间满足下式：小采样时间满足下式：

该式中该式中 ,, 后后 33 项取决于器件速度（一般选用高速器件）项取决于器件速度（一般选用高速器件） ,, 因此应设法减小因此应设法减小内插时间以提高测量速度。内插时间以提高测量速度。

minT T 内插计数器稳定数据存储计数器清零＋T ＋T ＋T


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◆◆ 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 TTmm(( 两两

个零头时间个零头时间 )) ，放大倍数为，放大倍数为 KK，则内插时间为：，则内插时间为： KTKTmm。。

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（如采用更高频率的晶（如采用更高频率的晶振）以减小振）以减小 TTmm的值。但的值。但时基频率的提高将给器件的选择时基频率的提高将给器件的选择和电路设计带来困难。和电路设计带来困难。

减小内插时间还可减小内插时间还可减小减小内插系数内插系数 KK，但，但 KK值太小测时分辨力值太小测时分辨力降低，为适应某些高测时分辨力要求，必须协调好采样速降低，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。度和高测时分辨力的矛盾。



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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标的减小受时基电路和计数器最高工作频率最高工作频率限制，而计数限制，而计数器也有最大计数容量的限制（器也有最大计数容量的限制（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量化单位以下的尾数的尾数 ((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=T00+T+T11-T-T22

为实现为实现 TT11-T-T22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。。

输入信号

起始终止

时钟脉冲

xT

1T 0T2T


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4.6.2 4.6.2 模拟内插法模拟内插法11 ）模拟内插法原理）模拟内插法原理由于由于 TT11和和 TT22均很小（小于时标），采用普通的“时标计数均很小（小于时标），采用普通的“时标计数

法”难以实现（需要非常小的时标）。其实现的基本思路是：法”难以实现（需要非常小的时标）。其实现的基本思路是：对对 TT11和和 TT22作时间扩展（放大）后测量作时间扩展（放大）后测量。。

三次测量三次测量若若 TT11 、、 TT22 均扩展均扩展 kk倍，倍，采用同一个时标（设为）分别采用同一个时标（设为）分别测量测量 TT00 、、 kTkT11 、、 kTkT22 ，设计数值分别为：，设计数值分别为： NN00 、、 NN11 、、 NN22 ，，则：则：

意义：意义：上式由于不存在量化误差，总量化误差上式由于不存在量化误差，总量化误差由由 (N(N11-N-N22))引起，降低了引起，降低了 kk倍。倍。相当于用时标的普通时间相当于用时标的普通时间测量。测量。

0

1 20 1 2 0 0x

N NT T T T N

k

0 0 0T N

0 / k


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22 ）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 CC 充电，设充电时充电，设充电时间为间为 TT11 ，而以，而以 (k-1)T(k-1)T11

（可近似为（可近似为 kTkT11 ）时间缓慢放电，当放电到原电平时，所经）时间缓慢放电，当放电到原电平时，所经历的时间为：历的时间为： TT11’=T’=T11+(k-1)T+(k-1)T11=kT=kT11 ，即得到，即得到 TT11 的的 kk倍时倍时间扩展。在间扩展。在 kTkT11 时间内对时标计数。时间内对时标计数。

整形、门控

C恒流源

1k T1T

起始

控制信号


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◆◆ 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 TT11 的的 10001000 倍倍 (k(k 取取 999)999) ，，即：即： TT’’11＝＝ TT11＋＋ 999T999T11＝＝ 1000T1000T11

在在 TT’’11时间内对时标计数得时间内对时标计数得 NN11，则，则类似地：类似地： TT’’22＝＝ TT22＋＋ 999T999T22＝＝ 1000T1000T22

在在 TT’’22时间内对时标计数得时间内对时标计数得 NN22，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。

1 01 1000

NT

2 02 1000

N TT

2 02 1000

NT

1 2x 0 0)1000

N NT N

＝（


0

0


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◆◆ 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：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， TT 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 44 套硬件时，整机工作速度套硬件时，整机工作速度将提高将提高 44 倍。倍。

但是，其但是，其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。。

T

Line21

Line11

Line31

Line41

Line11



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44 ）调制域分析的应用）调制域分析的应用◆◆典型应用——调制参数的测试：典型应用——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。


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55 ）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。。

国外从国外从 8080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 、、 53735373AA ）。）。

目前已有目前已有 HP5372AHP5372A 、、 HP5373AHP5373A 、、 HP53310AHP53310A 及及 VXIVXI 模块模块 HP E17HP E1740A40A 、、 HP E1725AHP E1725A 等。等。

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： 10Hz~500MHz;10Hz~500MHz;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。。

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