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你了解示波器的DDC(数字下变频)技术在三相变频电源等电气产品规划中的应用吗?

现在随着三相变频电源等电气产品规划的日趋杂乱,测验内容也越来越杂乱,人们可能不仅需求知道信号的时域特性,也想了解信号的频域特性,或许多域的联合特性也需求进行丈量。成果是,很可能在作业测验台上摆满了各种仪器:示波器、频谱仪……等等,作业空间遭到挤占,而且更重要的是测验作业变得杂乱,各种仪器的杂乱连接,仪器间的同步问题需求处理……。因而,关于一般的三相变频电源等电气产品调试丈量,人们期望能有一台多功用的仪器,既能满意时域测验的需求,又能进行频域的剖析,乃至时频域信号一同进行相参的联合三相变频电源等电气产品调试,再乃至关于一些矢量信号也能进行剖析。示波器作为最根本的测验丈量仪器被广泛的运用,如果能融入这些剖析功用,将给工程师们带来极大的便利。现在,各示波器厂家也推出了一些多合一的示波器,技能也各不相同,不是别离的时域和频域通道丈量,就是选用软件核算的办法进行剖析,因而也面对一些问题。例如在频谱剖析时,我们知道RBW(分辩率带宽)与信号的捕获时刻成反比联系,如果需求小的RBW(浅显说就是频谱看的更精细),那就需求更长捕获时刻,采样率必然会下降,那么关于高频的信号将无法进行剖析。相反,如果要对高频信号进行剖析,那么RBW将会较大,频率分辩率将会变弱。别的,在矢量信号剖析中,相同会遭到示波器存储空间和采样率的约束,导致不能对更长时刻的信号进行剖析。那么关于这些丈量傍边的问题,怎么经过示波器规划来处理呢?本文介绍了R&S公司示波器选用的DDC(数字下变频)技能,很好的处理了以上问题,将多域联合测验发挥的酣畅淋漓。


02

DDC介绍

DDC(Digital Down Converter)即数字下变频,是经过NCO(数控振荡器)发作与射频或中频信号载波相同频率的正弦或余弦信号,与射频或中频信号相乘,最终经过滤波、重采样得到基带信号的进程。

由于数字信号处理的巨大优势,使其得到了广泛的运用。在无线通讯体系中,也越来越期望能将A/D(模数)、D/A(数模)改换接近射频前端,然后能经过数字信号处理来完成通讯中的各种功用。但是现在受ADC(模数改换器)和DSP(数字信号处理器)发展水平的约束,直接在很高频的射频端进行AD改换再进行数字信号处理十分困难——数字示波器也一样,如受处理才干约束,如果在射频端对高频信号进行AD采样,需求很高的采样率,捕获时刻一旦加长,样本点数就会十分巨大,此刻就会发现示波器处理时刻变长,反应很缓慢。为了处理ADC与DSP的这个对立,选用DDC将信号变频到基带,再运用更低的速率进行重采样,就能减小数据量,进步DSP的功率。

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图1 DDC原理框图

图1为DDC原理框图,首要由NCO、混频器、低通滤波器和重采样几个模块组成。射频信号经过高速ADC后变为数字信号In(n):

In(n) = s(n)×cos(wn)          (1)


其间,s(n)为信号,cos(wn)为载波,w为载波频率。NCO发作与射频信号频率相同的本振信号f(n):

f(n) = cos(wn)          (2)


本振信号与射频信号混频相乘后得到信号m(n):

m(n) = In(n)×f(n) = s(n)×cos(wn)×cos(wn)

               = 1/2s(n)[cos(2wn)+1]          (3)

将信号m(n)进行低通滤波和重采样后便可得到输出信号Out(n):

Out(n) = 1/2s(n)          (4)


由此可见,经过DDC,即保留了实在的有用信号s(n),又经过重采样使得数据量大大削减,进步了后续信号处理的功率。相同,如果在数字示波器中运用了DDC技能,不但能保留射频信号中的有用信号,一同能大大削减数据量,进步示波器的处理速度。


下面我们就来评论R&S示波器中的DDC运用。


03

R&S示波器硬件完成的DDC

在评论R&S示波器中的DDC运用之前,我们先来比较一下R&S数字示波器与传统数字示波器结构上的不同。


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图2 传统数字示波器结构框图


图2为传统数字示波器的根本结构框图。信号经过模仿通道进入示波器,经过笔直增益扩大器和滤波,经过ADC改换成数字信号,由收集存储模块存储下来,再经过软件的办法进行后续的处理,最终显现在示波器屏幕上。传统数字示波器选用软件处理的办法进行数据处理,在硬件上并没有DDC的结构。因而对一些高频信号进行收集或许频谱剖析的时分,有必要在高采样率下进行,由于示波器本身存储空间有限,因而收集或剖析的信号时刻长度也相对较短。


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图3 R&S数字示波器结构框图


图3为R&S数字示波器的根本结构框图。信号处理流程与传统数字示波器并无太大不同,但运用了较多的硬件结构,包含触发体系、数字处理、DDC等。其它硬件结构的特色与优势本文不作评论,但能够显着的注意到该结构中运用了硬件完成的DDC。由于运用了硬件的DDC结构,能够对信号先下变频到基带,再以较低的采样率进行重采样,在相同存储空间的状况下,能够收集或剖析更长时刻的信号。而且由于是硬件的完成办法,速度也会较快。


下面,就DDC在I/Q解谐和频谱剖析傍边的运用进行评论。   


3.1 I/Q解调中的DDC

我们先来看一个实在测验中遇到的问题:待测信号为一个载波频率为300MHz,调制带宽为2MHz的调制信号。那么如果用示波器对该信号进行收集,期望收集时刻尽量长,最长能够收集多少秒时刻的信号?关于这个问题,我们从信号剖析的视点来进行剖析。


首要关于这类调制信号,军用的有雷达信号(如chirp信号),民用的有一般通讯信号(如QAM信号),这些信号绝大多数为矢量信号。关于这类信号的剖析,一定会用到正交解调即I/Q解调。传统数字示波器关于该类信号只能先直接对射频信号进行收集,得到数据存储下来后,再交由专用软件或许用第三方软件编程进行处理(包含I/Q解谐和后续处理)。


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图4 传统数字示波器对调制信号处理流程


图4显现了传统示波器关于该类调制信号的处理流程。针对上述问题,载波频率为300MHz,调制带宽为2MHz,那么信号的最高频率为301MHz。依据奈奎斯特采样定理,ADC所用的采样率有必要为信号最高频率的2倍及以上才干实在的复原波形。我们假定传统示波器ADC运用2倍最高频率即602MSa/s的采样率进行采样(示波器选用刚好2倍联系的采样率一般是不引荐的,一般选用3~5倍的联系才干较为实在的复原波形),假定示波器存储深度为10MSa,那么所能收集信号的最长时刻为10MSa / (602MSa/s) ≈ 16.6ms。

即运用传统示波器对该类信号进行收集,只能收集10多毫秒时刻的信号。如果针对载频更高的信号,如2GHz,收集时刻则会更短。


关于上述问题,R&S示波器选用了硬件完成的I/Q解调模块,其间最重要的部分就是DDC。经过运用该模块,能够收集尽可能长时刻的调制信号。


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图5 R&S数字示波器对调制信号处理流程


图5显现了R&S示波器对调制信号的处理流程,其间I/Q解调模块如图6所示。


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图6 R&S数字示波器I/Q解调模块


R&S数字示波器在前端的ADC始终坚持对射频信号以最高实时采样率进行收集(如10GSa/s或20GSa/s),改换成数字信号后再经过I/Q解调模块对数字化后的射频信号进行数字下变频、滤波得到频率较低的基带信号,最终经过重采样下降数据量,存储下来送到软件进行处理。


I/Q解调模块首要由DDC构成,包含NCO、乘法器、低通滤波器和重采样几个部分构成,如图6所示。NCO负责生本钱振频率,在“Carrier freq.”处设置。一般设置为与射频载波相同的频率,设置好后,NCO及发作两路正交频率相同的信号。两路正交信号别离与射频信号相乘,经过滤波得到正交的两路基带信号。滤波带宽可在“Rel.BW”处设置。在“Sample rate”处设置重采样率,最终经过重采样将基带信号保存下来。经过该种处理办法,一是能够省去软件中进行I/Q解调的处理进程。更重要的是,在示波器存储空间有限的状况下,能够存储剖析更长时刻的信号。例如针对本末节最初的问题,关于载波频率300MHz,调制带宽2MHz的信号,经过设置“Carrier freq.”即本振频率跟载波频率一样,为300MHz,那么经过下变频后信号变为基带,带宽就只要2MHz。重采样率“Sample rate”设置也以2倍联系来算,那么只需设置为2×2=4MSa/s。存储深度仍假定为10MSa,那么可收集和剖析的信号时刻则为10MSa / (4MSa/s) = 2.5s !!! 时刻长度一下就进步了150倍以上!


关于如此高效的运用存储空间,有些朋友很是吃惊,也不免有些难以了解。可能会以为,即便加入了DDC结构,也仍是数字信号处理,在前端仍存在着ADC。也就是说示波器仍需在前端对射频信号采样,仍需对射频信号满意2倍的奈奎斯特定理,那么核算下来,也只能存储16.6ms的信号,哪里来的2.5s呢。我们再仔细剖析一下信号处理流程就能知晓其间的缘由。


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图7 一般以为的信号处理流程


一般以为的信号处理流程如图7所示。关于这种结构,就如上面所了解的一样,这种状况下即便运用了DDC,仍需先将射频收集的信号先存储下来,因而仍是会受高采样率的影响。关于上述例子,只能存储16.6ms的信号。但R&S示波器真实的处理流程却如图8所示。


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图8 R&S示波器信号处理流程


在射频前端,ADC一向坚持最高的实时采样率,比方10GSa/s,这样就不会形成信号混叠。经过采样后的数字信号直接送至DDC进行数字下变频。由于R&S示波器的DDC选用硬件完成,速度快,因而能进行实时处理,处理完后直接存储下来。经过这种实时的DDC处理,便能很好的节省存储空间,完成如上例所述的2.5s信号存储。


对此,我们进行以下试验。

首要经过信号源生成载波频率为3GHz的射频脉冲信号,调制脉冲宽度为0.4ms,脉冲重复周期为1ms。设置如图9所示:

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图9 载波频率3GHz的脉冲调制射频信号设置


关于该信号的收集和剖析,如果运用传统数字示波器,所能收集和剖析的信号长度的成果等效于如图10所示:


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图10 传统数字示波器收集射频脉冲等效成果


由于射频信号频率为3GHz,因而采样率至少为6GSa/s以上,我们设为10GSa/s。存储深度仍然设置为10M,能够看出,此刻只能收集到1ms时刻的信号,也就是说尽能收集和剖析一个脉冲信号。


如果运用带有DDC结构的I/Q选件的R&S示波器进行收集剖析,我们能够先设置本振频率为3GHz,将信号变为基带后,能够以更低的采样率进行收集,如设置成100MSa/s,存储深度也设置为10M。设置状况如图11所示:


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图11 R&S示波器I/Q选件设置


此刻进行调查,我们能够收集和剖析更长时刻的信号,即100ms的信号,也就是说我们能够收集和剖析高达100个脉冲信号!如果重采样率设置的更低,我们能够收集和剖析的信号时刻还会更长。图12显现R&S示波器测验成果:


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图12 R&S示波器收集射频脉冲成果


综上所述,R&S示波器I/Q选件中DDC技能使得在射频信号收集和剖析中,能够高效的运用有限的存储空间,收集和剖析最大时刻长度的信号。


3.2 频谱剖析中的DDC

示波器频谱剖析功用一般选用FFT(Fast Fourier Transformation)即快速傅里叶改换。传统数字示波器的频谱剖析原理框图如图13所示。


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图13 传统数字示波器频谱剖析框图


模仿信号经过ADC后变成数字信号,之后挑选不同的窗函数进行加窗处理,最终直接做FFT将信号改换到频域。经过该种处理办法得到的频谱规模为0Hz至最大频率(一般数值上等于ADC采样率的一半),例如ADC采样率为5GSa/s,那么FFT得到的频谱规模为0Hz至2.5GHz。如果要观测某一段的频谱,则经过软件显现扩大(Zoom)的办法将频谱扩大显现到该频段。这种传统示波器频谱剖析办法的优点在于,一切处理进程选用软件核算,且算法简略,因而便于完成。但如果寻求更快的实时频谱丈量或许更高精度的频谱剖析,这种传统的处理办法就会显得十分困难。由于选用全软件的处理办法以及一向是对整个频率规模(0Hz至最大频率)做核算,因而处理速度会很慢,无法做到实时或许准实时的频谱剖析。别的在示波器设置方面也会很杂乱,需求不断的调整时域参数(如时基、采样率等)来满意需求的频域参数设置。最重要的是,遭到示波器存储深度的约束,而且一般运用的FFT点数只要几K,因而频率分辩率即最小能区别的频率大小会十分有限,一般状况下很难达到一个抱负的频率分辩率。


一般来讲,频率分辩率有两种解说。一种解说是,表明在FFT中,两个相邻频率点间的最小频率间隔,如公式(5)所示:

∆f = fs / N = 1 / t          (5)


其间,∆f表明频率分辩率,fs表明ADC采样频率,N表明FFT的核算点数,t表明收集信号的时刻长度,也就是捕获时刻。能够看出,信号收集时刻t越长,频率分辩率∆f越小,也就是频率分辩力就越好。


第二种解说是,频率分辩率能够用分辩率带宽(RBW)来表明。RBW界说为窗函数主瓣3dB带宽,如图14所示:


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图14 RBW界说


如果两个信号频率的差值小于该界说的带宽,即RBW,那么这两个频率将混在一同不能分辩。


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图15 不同RBW设置对应的不同频谱


图15显现了关于相同频谱的输入信号,设置不同的RBW得到的彻底不同的频谱。从左至右RBW顺次增大,能够看出,主瓣宽度也是顺次增大,频率分辩才干也是顺次下降,到最右边时,已经彻底不能区别信号中的两个频率了。


由于DDC对频率分辩率的两种解说的影响是相似的,因而我们就只评论第二种解说的状况,即RBW。RBW核算办法如公式(6)所示:

RBW = RBWnorm × fs / N = RBWnorm / t         (6)


其间,RBWnorm为窗函数的归一化因子,如Blackman-Harris窗为1.8962,fs为采样频率,N为FFT核算点数,t为信号收集时刻长度。从公式(6)能够看出,关于固定的窗函数,想要进步频率分辩力,即减小RBW,就有必要添加信号的收集时刻即捕获时刻。从图15能够看出,关于固定的矩形窗,RBW从1MHz减小到100kHz,时基设置从100ns/div增大到1μs/div。但关于数字示波器来说,存储深度都是有限的。而且存储深度和捕获时刻、采样率之间存在如下联系:

存储深度 = 采样率 × 捕获时刻                     (7)


从(7)式能够看出,关于固定的存储深度,采样率和捕获时刻成反比联系。如果想要添加捕获时刻,就意味着采样率会下降,如果采样率下降,就会意味着信号发作混叠的危险。即关于传统数字示波器的频谱剖析,如果要进步频率分辩力,那么就会面对信号混叠的危险,或许说只能进行低频率信号的剖析;如果要进行高频率信号的剖析,为了确保采样率,那么频率分辩力必然不能进步。


关于这种对立的联系,R&S示波器引入了DDC等一系列处理办法很好的处理了问题。


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图16 R&S数字示波器频谱剖析框图


图16显现了R&S示波器的频谱剖析流程,图17显现了频谱剖析设置框图。


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图17 R&S数字示波器频谱剖析设置


与传统数字示波器比较,R&S示波器引入了DDC模块,使信号在FFT之前先下变频到基带。设置中心频率Center frequency等效于设置本振频率,使信号下变频到基带,因而对基带信号进行重采样时,即运用较低的采样频率也不会形成信号混叠,然后在有限的存储空间中能收集最长时刻的信号,因而频率分辩率(RBW)能够得到有用的确保。经过设置频率跨度Frequency span,能够在硬件大将FFT的核算规模缩小到所设定的带宽内,而不必对整个频率规模都进行FFT核算,然后进步处理速度。此外,FFT的核算办法也选用分段堆叠的核算办法,然后能够更好的体现出频谱的细节。总归,与传统数字示波器频谱剖析比较,选用R&S示波器频谱剖析结构首要具有如下几点优点:


• 由于选用硬件处理等办法,频谱剖析速度快,能做到实时的频谱剖析;

• 频谱剖析设置同频谱剖析仪相似,直接对频谱参数进行设置,而不再需求进行杂乱的时域参数调整;

• 具有大的动态规模;

• 即本文评论的要点,由于选用了DDC结构,能够将信号先下变频到基带,再以较低的采样频率对其进行重采样,然后在有限的存储空间内能够收集最长时刻的信号,依据公式(6)能够很好的确保频率分辩率(RBW)。即不必再在信号频率与RBW之间纠结折衷的计划。


对此我们进行以下试验。


运用信号源发作频率为3GHz的单频正弦波信号。如果运用传统示波器频谱剖析办法,采样率有必要设置为6GSa/s以上信号才不至于混叠,那么依据公式(6)和(7),在有限的存储空间内必不能得到很好的RBW。但如果运用R&S示波器频谱剖析办法,设置如图18所示:


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图18 R&S数字示波器频谱剖析设置


中心频率设为3GHz,RBW设为5kHz,窗函数选用Blackman Harris窗。频谱剖析成果如图19所示。我们注意到,由于选用了DDC结构,采样率设置为了2.5GSa/s,并不需求满意信号频率的2倍以上联系,由于此刻的采样率在频谱剖析中实际为重采样率。在频域丈量成果中能够看出,信号频率为3GHz,与信号源输出频率一致。因而,能够看出运用R&S示波器频谱剖析结构,即便关于高频率的信号,仍然能够有很好的频率分辩率。


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图19 R&S数字示波器频谱剖析成果


04

小结

经过以上评论能够看出,R&S数字示波器选用DDC技能,无论是在射频信号收集剖析(I/Q解调)仍是在频域剖析中,都能最大极限的运用示波器名贵的存储空间,将信号的多域联合剖析发挥的酣畅淋漓。

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