矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與時域反射計(TDR)是射頻器件測試領(lǐng)域使用廣泛的測試儀器;前者通過測量被測器件(DUT)在各頻率上的散射參數(shù)，得到DUT的頻率響應(yīng);而基于采樣示波器的TDR通過向DUT提供脈沖或階躍激勵，并對反射信號電壓進(jìn)行采樣分析，得到DUT的時域響應(yīng)。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??圖1-1 采樣示波器TDR原理示意圖

　　TDR通過時域反射波測量可揭示DUT各位置上的特性阻抗，被廣泛應(yīng)用于電纜與印刷電路板的故障定位。類似地，對傳輸信號的時域測量，可直觀地展示DUT的時域傳輸特性，對系統(tǒng)噪聲、串?dāng)_等干擾因素的分析提供有力幫助。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??圖1-2 TDR故障定位原理

　　現(xiàn)代數(shù)字信號系統(tǒng)向著高速率、低功耗方向發(fā)展，前者為系統(tǒng)提供更快的數(shù)據(jù)傳輸、處理能力，而后者通過降低信號電平顯著降低系統(tǒng)功耗。然而這對系統(tǒng)設(shè)計與測試工程提出了更高的要求：高比特率的數(shù)字信號系統(tǒng)導(dǎo)致信號通路間的時序偏移裕度下降，阻抗失配等原因引發(fā)的發(fā)射與損耗將引發(fā)更嚴(yán)重的信號失真，因雜散引入串?dāng)_與耦合也將產(chǎn)生更強(qiáng)的噪聲干擾。而信號電平的降低也導(dǎo)致信噪比的進(jìn)一步惡化。為了實(shí)現(xiàn)對上述問題的測試與分析，要求相關(guān)測量儀器必須具有更高的測試精度。

　　由于脈沖與階躍信號中的高頻分量占比較小，傳統(tǒng)TDR在高頻段的測量更易受到噪聲干擾，加之其測試帶寬受制于模擬前端電路頻率特性與內(nèi)部信號采樣率;采用傳統(tǒng)TDR方案實(shí)現(xiàn)DUT高頻段特性測試成本較高。

　　在采用更低信號電平的數(shù)字系統(tǒng)測試中，傳統(tǒng)TDR不得不降低其激勵信號功率，防止損壞DUT;但這將要求測試信號具有更高的信噪比，以防止測試精度下降。

　　在多傳輸通道時序測試中，為實(shí)現(xiàn)傳輸通道時序偏差的精準(zhǔn)測量，要求TDR提供精準(zhǔn)同步的激勵信號;隨著數(shù)字信號的比特率不斷提高，激勵信號的同步要求也愈加難以實(shí)現(xiàn)。

　　為滿足上述測試要求，基于示波器的TDR方案開發(fā)設(shè)計與生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)成本顯著增加;而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)作為射頻頻域測試儀器，通過傅里葉逆變換的基本方法實(shí)現(xiàn)對DUT的時域測試功能，可作為傳統(tǒng)TDR方案的替代方案。

　　1、基于VNA的TDR原理

　　VNA通過向DUT提供單頻正弦波激勵，測量并計算輸入信號與傳輸(反射)信號的矢量幅度比，以散射參數(shù)的形式給出。VNA在進(jìn)行測量時，激勵信號頻率在某一頻率范圍內(nèi)上進(jìn)行掃描，從而獲得DUT在該頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)。

　　VNA工作原理

　　VNA在單頻正弦波激勵下分別對入射波與反射(傳輸)波進(jìn)行矢量測量，以獲取其功率及相位信息進(jìn)行進(jìn)一步計算與分析;因此在VNA測試端口存在用于測量入射波的參考接收機(jī)與用于測量反射(傳輸)波的測量接收機(jī)，并采用定向耦合器用于分離不同傳輸方向的行波信號。由于接收機(jī)總是僅需測量某單一頻率上的信號，VNA通常采用與射頻激勵源進(jìn)行同步頻率掃描的內(nèi)部本振源將測試信號混頻至中頻，并在接收機(jī)前引入中頻濾波器濾除其他頻率上的干擾信號。

　　對于多傳輸通道時序測試，VNA通常采用對各單端激勵情形進(jìn)行分別進(jìn)行矢量測量，輸入信號的波動在輸出信號與輸入信號矢量比計算中被抵消，規(guī)避了激勵信號難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)同步的問題。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2-1 VNA硬件框圖

　　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(shí)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(shí)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。

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