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終于有人講明白了矢網(wǎng)分析儀TDR替代方案!


  來源: 鼎陽硬件智庫 時間:2022-09-21 編輯:清風(fēng)
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基于VNA的TDR方案的基本思想是對DUT頻率響應(yīng)進(jìn)行傅里葉逆變換可得到其單位沖激響應(yīng),對沖激響應(yīng)進(jìn)行積分可得階躍響應(yīng)。VNA頻率測試點(diǎn)總是離散的,而直接使用離散傅里葉逆變換來實現(xiàn)時域變換,時域響應(yīng)的分辨率與頻域測試帶寬、時域響應(yīng)長度與頻域測試步進(jìn)頻率分別成反比關(guān)系。在測量點(diǎn)數(shù)固定的情形下,時域分辨率與頻域分辨率是不可兼得的;為解決這一矛盾,VNA通常采用線性調(diào)頻Z變換(Chirp-Z transform)來實現(xiàn)從頻域響應(yīng)到時域響應(yīng)的變換,由此獲得任意時間內(nèi)的時域響應(yīng)。


此方案的另一問題在于VNA的頻域測試范圍總是有限的,在頻域測試范圍內(nèi)的測試精度相對穩(wěn)定,但無法測得DUT的零頻(直流)與超出VNA測試頻帶外的頻率響應(yīng)。零頻響應(yīng)在計算時域沖激響應(yīng)與階躍響應(yīng)時是不可缺少的參數(shù),故VNA需要通過測試頻帶內(nèi)的頻率影響來估計零頻響應(yīng);為了獲得較好的估計效果且方便進(jìn)行變換,通常要求頻域測試點(diǎn)的起始頻率等于步進(jìn)頻率,讓測試頻率位于過零點(diǎn)的直線上。而帶外頻率響應(yīng)卻難以估計,通常將其視為零;而截斷效應(yīng)將導(dǎo)致變換所得的時域響應(yīng)中存在過沖與旁瓣;而盡管傳統(tǒng)TDR模擬前端電路本身存在帶寬限制,但其高頻響應(yīng)相對較為光滑,并不會產(chǎn)生明顯的截斷效應(yīng)。


VNA采用對頻域響上應(yīng)用窗函數(shù)的方法抑制截斷效應(yīng),但其代價是降低時域分辨率;從在時域上看,窗函數(shù)增大了沖激激勵的沖激寬度(階躍激勵的上升時間),可應(yīng)用于分析不同上升時間的數(shù)字信號傳輸性能。


2、兩種TDR方案對比


相較于基于示波器的TDR方案,基于VNA的TDR方案在高速率、低功耗的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與測試中具有更大優(yōu)勢。


一、VNA方案實現(xiàn)成本更低


第一,對于工作于較高頻段的被測設(shè)備,VNA方案實現(xiàn)成本更低。如前所述,示波器方案在高頻段受限于模擬前端電路頻率特性與信號采樣率,當(dāng)測試頻率上升時,其設(shè)計與實現(xiàn)成本將大幅上升。而VNA方案采用單頻正弦波激勵、中頻測量的工作模式,接收模擬電路工作于固定中頻上,實現(xiàn)較大測試帶寬的成本相對容易。


二、VNA方案有利于提高信號信噪比


第二,VNA方案有利于濾除噪聲干擾,提高測試信號信噪比。由于激勵信號中高頻分量占比小,示波器方案在進(jìn)行高頻測量時對噪聲干擾更敏感,在對低功耗系統(tǒng)的測試時更為嚴(yán)重,需要使用具有更低噪聲干擾的信號源與模擬電路設(shè)計。而VNA方案采用單頻正弦波激勵,在整個測試帶寬內(nèi)的測試信號功率變化幾乎可以維持不變;而在接收采樣電路中還引入中頻濾波器,以濾除其他頻段的噪聲干擾,接收信號信噪比明顯提高。


中頻濾波器的引入可有效地提升信噪比,但它也降低了測量速率,導(dǎo)致VNA在單個頻率測量時間延長。示波器方案具有更短的測量時間,因此可利用多次測量取平均的方法排除噪聲對測量的干擾。


為了分析在相同測量時間內(nèi)兩方案可達(dá)到的動態(tài)范圍,可做簡略的定量分析。若示波器方案采用物理采樣頻率fps的采樣電路進(jìn)行等效采樣率為fes的等效時間采樣,在信號時間長度為T的情形下,采樣點(diǎn)數(shù)量M為



測量時間TS0為:



而VNA方案的單個測量點(diǎn)測量時間反比于中頻濾波器帶寬fBW,因此VNA方案的總測量時間TS1為:



因此在VNA測量時間內(nèi),示波器可進(jìn)行重復(fù)測量,噪聲衰減倍率N0與重復(fù)測量測試成正比:



假定測試信號中存在帶寬為fn的白噪聲,中頻濾波器可將噪聲功率衰減倍率N1為:



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