如何测量脉冲调制信号？

脉冲调制技术在雷达、电子战和数字通信系统中应用十分广泛。与连续波信号相比，脉冲信号的测量会更加困难。表征脉冲调制信号的主要特性参数有：脉冲宽度、脉冲周期、脉冲重复频率、峰值功率和平均功率等。在时域里，用示波器很容易观察脉冲信号，测量上升和下降时间等。随着现代数字处理技术在频谱分析仪中的应用，频谱分析仪亦广泛应用于脉冲信号的频谱测量。但是利用频谱分析仪测量脉冲调制信号时，要合理设置频谱分析仪的分辨带宽RBW、扫频宽度SPAN和扫描时间SWEEP TIME等状态参数，这些是获得真实脉冲信号的关键。因此本节将简述脉冲调制信号的基础及其简单的测量方法。

1）脉冲调制信号频谱

脉冲频谱表示的是时域脉冲信号转换到频域上的频谱。对于周期脉冲信号，可展开成傅里叶级数的形式表示，傅里叶级数的各项代表信号中各次谐波，因此周期性脉冲信号可视为各次谐波之和。

为了便于讨论分析，假设脉冲信号是一个理想的矩形脉冲，其上升时间为0。如图4-59所示为理想矩形脉冲的时域和频域波形图，图4-59（a）为时域波形，图4-59（b）为频域波形（图中τ为脉冲宽度，T为脉冲周期）。

图4-59　理想矩形脉冲的时域和频域波形图

脉冲调制信号就是脉冲信号对连续波的幅度调制，可以看做单载波信号与脉冲信号的乘积，如图4-60所示。

由图可知，当脉冲信号为开状态时，幅度不为零，就有相应的载波信号；当脉冲信号为关状态时，幅度为零，也就没有相应的载波。如图4-61所示为射频载波脉冲调制的频谱波形。由图可以看出，边带频谱对称地分布在载波频率fc的两旁，脉冲信号波形周期称为脉冲重复频率，用PRF表示，它与脉冲周期的关系为：

图4-60　脉冲调制信号的时域波形

图4-61　射频载波脉冲调制的频谱波形

已知脉冲宽度τ和脉冲周期T，则脉冲调制占空比为τ/T。脉冲调制的主瓣宽度为旁瓣的两倍，频谱主瓣包络在离载波频率1/τ处过零，谱分量间隔是脉冲重复频率。利用频谱分析仪可直接测量载波频率、脉冲重复频率和频率宽度。峰值脉冲功率PP可通过测量载波分量功率PC求得，公式如下：

2）脉冲调制信号参数测量

频谱分析仪只能测量幅度信息，而不能测量相位信息，因此频谱分析仪观察的脉冲调制信号频谱全部是正向的。采用频谱分析仪测量射频脉冲调制信号时，选择不同的分辨带宽，将显示不同的信号频谱。当采用窄的分辨带宽时，频谱分析仪显示频谱呈现离散的谱线，称此为线状谱；当采用宽的分辨带宽时，频谱分析仪显示的谱线便融合在一起，频谱呈连续状，称此为脉冲谱。利用线状谱和脉冲谱的频谱特性，可以测量脉冲调制参数。

（1）线状谱测量(https://www.xing528.com)

当频谱分析仪的分辨带宽RBW小于输入脉冲信号的重复频率PRF时，频谱分析仪显示器上能清楚地分辨出离散的谱线。只要满足RBW＜PRF的条件，改变频谱分析仪的其他状态参数，频谱谱线之间的间距将不发生变化。利用线状谱的这个特点，使用频谱分析仪的码刻和码刻Δ可以很方便地测量各种调制参数指标。下面以频谱分析仪测量的脉冲频谱为例，说明测量各种调制参数的方法。如图4-62所示为频谱分析仪测量的脉冲调制信号的频谱图。

载波频率和载波功率测量：利用脉冲调制信号频谱，激活频谱分析仪的码刻功能，然后利用频谱分析仪的峰值搜索功能，自动将码刻移动至载波信号最大值处，如图4-62所示，从而可以直接读出载波频率和功率。

载波频率：fc=1 GHz；

载波功率：Pc=-51.2 dBm。

脉冲宽度测量：如图4-63所示，脉冲周期为50μs，脉宽为5μs，利用频谱分析仪的码刻Δ功能，测量脉冲调制信号的主瓣宽度为400 kHz。

图4-62　频谱分析仪测量的脉冲调制信号频谱图

图4-63　脉冲宽度测量

图4-64　脉冲重复频率测量

脉冲重复频率和脉冲周期测量：由测量的脉冲调制信号频谱，利用频谱分析仪的码刻Δ可直接测量出脉冲重复频率，如图4-64所示。测量结果如下：

脉冲重复频率：PRF=20 kHz；脉冲周期为50μs，脉宽为10μs，脉冲周期：T=1/PRF=50μs。

脉冲峰值功率的计算：由测量的载波功率、脉冲宽度和脉冲周期，就可以计算脉冲峰值功率的大小。

（2）脉冲谱测量

当频谱分析仪的分辨带宽RBW小于脉冲调制的重复频率PRF时，频谱分析仪能区分每一个谐波的谱线，因此能清楚显示脉冲波形的线状谱，测量线状谱需要较长的扫描时间。在雷达和通信系统中，有时只单独关注脉冲调制信号的线状谱是不够的，例如在分析具有低的脉冲重复频率的短脉冲串的信号时，往往更关注脉冲波形的包络，这种频谱称为脉冲谱或包络谱。

当频谱分析仪的分辨带宽RBW大于脉冲调制的重复频率PRF时，频谱分析仪不能分辨出每个傅氏频率的分量，但是当频谱分析仪的分辨带宽RBW比待测信号频谱的包络宽度小时，可以清楚地分辨脉冲包络，不过此时频谱分析仪CRT显示的图形不是真正的频域显示，而是时域和频域的组合，此时脉冲包络的幅度值与频谱分析仪的分辨带宽和视频带宽的选择有关，当分辨带宽和视频带宽增大到一定程度时，包络的幅度值将以每倍带宽6 dB的斜率线性增加，直至带宽增加到约等于主瓣宽度一半时，其包络幅度才随带宽的增加而变化减小。