原创 胡为东系列文章之四——使用力科示波器测量信号相位变

  美国力科公司   胡为东

摘要： 在实际应用中，经常会遇到相位的测量，比如说两个信号之间的相位测量，或者同一个信号在不同时刻的相位变化（如相位调制信号）。示波器是测量信号时域特征最常用的仪器，本文就基于力科示波器来介绍如何使用示波器来测量信号的相位变化。

关键词： 力科  相位测量  相位差  调制 

一、两个信号之间的时延或者相位差测量

图1 基本D触发器的锁存数据示意图

在一些射频应用中，也经常需要测试多个信号之间的相位差，如图1所示，为了验证一个被测件DUT的特性，采用射频信号源通过定向耦合器分成两路，一路射频信号施加到DUT上，经过示波器后连接到示波器（图中是以力科的最高实时带宽为45GHZ的实时示波器为例）的一个通道，另外一路射频信号直接进入到示波器中作为参考源，然后使用示波器观察经过DUT之前的信号和经过DUT后的信号之间的相互关系，如相位关系、时序偏差等。力科示波器中的标准测量参数中包含了相位差（phase）测量和时序偏移（skew）测量，且提供了灵活的设置，比如说边沿测量位置、是在上升沿测量还是下降沿测量、输出结果类型（绝对值、百分比、度数、弧度等），如下图2和图3所示。

图2 力科示波器中集成的相位差Phase测量和时序偏移Skew测量参数

图3 力科示波器中相位差Phase的设置项

在很多情况下，往往需要统计长时间的参数变化情况，此时可以将力科的参数追踪（Trend）以及自动保存功能（Auto save）结合起来使用，比如说我们要测量两个信号之间的相位或者时序偏移关系，且需要长时间的统计其效果，这时候我们可以先用力科示波器中的相位测量（phase）参数实现对相位差的测量，然后用Trend函数功能实现对相位测量参数的追踪，然后再选中自动保存Trend函数的功能，这时候示波器就会连续的保存参数的变化，并保存为很多个文件至示波器的硬盘上，最后测试人员可以再通过软件的方法将这些文件组合到一起（去除重合的数值，因为自动保存的多个文件的内容一般有一部分是重合的，需要将重合的部分去掉）形成一个新的长时间的参数变化曲线。

图4 力科示波器中的自动保存功能、Trend函数追踪功能

、Trend函数曲线的保存结果。

二、利用示波器中的抖动及时序功能分析相位调制信号

在信号调制中，通常载波的一般表达式为，其中A是载波的振幅，是角频率， 是信号的瞬时相位， 为瞬时相位偏移，所谓相位调制，是指载波振幅A和角频率保持不变，而瞬时相位偏移随着调制信号（比如说为m（t））成比例变化的调制。如下图5所示为一简单的瞬时相位偏移随着时间变化的波形，最上面的波形为瞬时相位偏移为3/2，且固定不变时的波形随着时间的变化情况，中间的波形为瞬时相位偏移为/2，且固定不变时的波形随着时间的变化情况，可见当瞬时相位偏移固定不变，整个波形的相位随着时间以每秒的速度均匀变化，瞬时相位不会出现突变的情况，而最下面的波形为当瞬时相位偏移每隔一个周期就在3/2和/2之间变化一次的波形，从波形中可见，在载波信号周期的整数倍时刻，信号相位出现了突变。如果瞬时相位偏移随着时间呈现类似上述但是可能更为复杂的变化，即为相位调制。

图5 简单的相位调制示例

那么在时域测量中，我们如何去测量出瞬时相位的偏移及其变化情况呢？由于瞬时相位的变化是和时域抖动参数的变化有非常紧密的联系的，因此可以通过时域的抖动以及时序等测量功能来实现对相位调制信号的分析。在力科的高端示波器中标配的软件包JTA2(Jitter and Timing Analysis software)可以实现对信号相位抖动的测量。

如下图6所示为一个12GHz的载波波形，带有90度的相位调制，需要分析测量出相位变化值，以及整个相位变化所需要的时间值。使用力科的SDA820Zi的测试分析步骤如下：

图6 带有90度相位调制的12GHZ载波波形、TIE参数测量、TIE参数函数追踪波形

1、测量波形的TIE（Time Interval Error，时间间隔误差）参数（如上图中的P1：TIE@(M1)）

图7 TIE测量参数的选项设置

测量中选择Edge-Ref，表示TIE参数来自于实际采集到的波形边沿与理想参考边沿的偏差值，设置Custom freq为12GHz表示理想参考边沿固定在12GHz载波信号的上升沿位置。下图8所示为TIE参数的测量示意图，TIE1和TIE2参数为瞬时相位偏移发生变化前的参数，TIE3和TIE4为瞬时相位发生约180度变化后的参数，变化后的参数值与变化前的参数值相比相差约为半个周期，也即可等效为约180度。因此只要测量出瞬时相位偏移变化前后的TIE参数的变化值，就可以通过该值转化为相位变化的度数。

图8 相位变化与TIE参数变化的相互关系

2、利用参数追踪功能（Track函数）追踪TIE测量参数，如图6中的F1函数曲线

3、测量F1函数曲线的幅度，如上图中的P4：ampl（F1）

4、将P4的幅度（TIE抖动的变化）转换为度数，如下图9中的P6：Rescale（P4）

P6=[P4/(1/12GHZ)]*2π = P4*(4.32E+12),计算结果约为89.3度。

图9 对测量参数重新定义刻度（抖动转换为度数）设置

六、小结

    本文简要介绍了多个信号之间以及某个信号内的相位变化的测量方法。并特别介绍了如何使用力科示波器的JTA2软件包测量时域的TIE抖动并将其转换为相位变化的测量方法和原理。