矢量网络分析仪时域测试分辨率

在时域测试中用到了两个不同的分辨率术语:

响应分辨率

测量范围分辨率

什么是响应分辨率？

时域响应分辨率是把两个间隔很近的响应分辨出来的能力，或者说它是衡量两个响应究竟要彼此能靠近到什么程度还可以被区分开来的尺度。响应分辨率取决于时域模式、频率范围、进行的是反射测试还是传输测量以及信号在路径上的相对传播速度。

对幅度相等的响应，响应分辨率等于冲激宽度的 50% (-6 dB)，或阶跃幅度从 10% 上升到 90% 的阶跃上升时间，如图所示。响应分辨率与测量频率跨度呈反比，另外，它还会受到变换中所使用的窗函数的影响。

图. 响应分辨率等于冲激宽度的 50%, 或 10% 到 90% 点之间的阶跃上升时间。

确定等幅响应的响应分辨率 (或 50% 冲激宽度)

表 1 显示了在确定等幅响应的响应分辨率时，频率跨度和窗口选择之间的 (近似) 关系。这些特征与频率跨度呈反比，而且随着所选择的窗口而改变。

表 1. 频率跨度、窗口选择和响应分辨率之间的近似关系

假设频率跨度为 10 GHz，使用正常窗时，采用带通测试模式，我们可以计算等幅响应的分辨率为:

对于时域反射测试，由于涉及双向行程时间，这意味着不连续性之间的最小可分辨间隔为上述值的一半或 97.5 ps (29 mm)。

应当注意，实际上可以分辨出来的响应之间的物理间隔取决于真实传输介质中的相对传播速度。

195 ps x c x Vf = 38 mm (物理间隔)

所以，经过用传输介质的相对速度定标之后，实际上可分辨的物理间隔还要再小一些。在本例中，测试聚乙烯介质的电缆 (速度换算系数为 0.66) 时，两个等幅响应之间的间隔大于 38 mm (对反射测试而言为 19 mm) 才能被分辨开来。在使用矢量网络分析仪时，您可以给仪表输入测量类型、反射测量还是传输测量、速度系数，这些信息用来确定最终显示的距离的近似值。

降低频率跨度、扩大频域数据窗口的宽度、存在可以把小的不连续性的响应遮蔽起来的大的不连续性，所有这些因素降低有效的响应分辨率。

频率跨度对响应分辨率的影响

图显示了在对一条两端有连接器和一个端接负载的电缆进行测试时，选用窄的频率跨度和宽的频率跨度对响应分辨率所产生的影响。我们把使用较窄的频率跨度得到的响应曲线重叠显示在使用较宽频率跨度测得的响应曲线上一起来观察。较宽的频率跨度使分析仪能够将两个连接器的响应分辨成两个独立、明确的响应。频率跨度与脉冲在时间上的宽度之间呈反比关系，频率跨度越宽、冲激宽度就越窄，上升时间也就越快。

图. 窄频率跨度和宽频率跨度对响应分辨率的影响。

窗操作对响应分辨率的影响

另一个在时域测试中决定测量响应分辨率的因素是窗口设置。窗函数对改变时域函数的冲激宽度和旁瓣电平均有影响。

图 24 说明了使用矢量网络分析进行测量时不同窗口的应用情况。使用最小窗口时，请注意我们得到的响应会比较窄，同时还有旁瓣电平出现。使用最大窗口和同样的测量设置进行测试时，不难发现先前的几个旁瓣电平几乎消失了，从而动态范围得到了改善。但同时请注意，此时的冲激宽度变宽了许多。这就是使用窗函数降低旁瓣电平对测量结果产生的影响，窗函数也拓宽了冲激宽度并降低了阶跃信号的上升时间。

图. 使用最小窗口和最大窗口时的测试结果比较。

冲激旁瓣的存在限制了时域测量的动态范围。有时旁瓣可能如此之高以致使被测器件较低电平的响应变得很不清楚。可以使用窗函数来改善旁瓣产生的影响，因为在把数据转换到时域之前，窗函数的作用就像滤波器对频域数据的作用一样，生成旁瓣信号较低的冲激激励，这使得在时域内观察幅度相差较大的时域响应更加容易。然而，旁瓣的降低是以增大冲激宽度为代价的。使用窗口操作对阶跃激励的影响 (仅低通模式) 体现在降低过冲和振铃，但代价是增加了上升时间。

图 a 和 b 显示了响应如何随窗口形状的变化而改变。如果两个响应的幅度差不多，就需要用更高的分辨率来分辨它们，因此应该选择使用最小窗口来提高分辨率，如图 a 所示。如果响应的幅度差别很大，则要选择使用最大窗口，通过扩大动态范围把它们分辨开来，如图b 所示。

图 . 响应随窗口形状的变化而变化: (a) 当需要较高分辨率来分辨具有相等幅度的信号时, 使用最小窗口效果**: (b) 如果响应幅度差别很大, 使用最大窗口获得最大的动态范围。

转换模式对响应分辨率的影响

尽管两种变换类型 — 带通和低通冲激变换，都是对冲激信号的响应进行仿真，但带通模式的冲激宽度是低通冲激模式的两倍。在带通模式下，窗口设置在起始频率和终止频率的中心，有两个陡变的截止点分别处在频率跨度的起始和结束处。这将把中心频率两侧的数据都放在窗口之内，降低有效带宽。相比之下，在低通模式中，窗函数应用的中心或数据集的第一个数据是在直流部分。在低通模式下，直流项的数据是从频域内最开始的少数几个数据点外推得到的，余下的数据是用原始被测响应数据的镜像进行计算得出。与带通模式相比，相同的频率跨度和测试点数，低通模式的分辨率要高两倍。图显示了低通模式和带通模式在用相同的频率跨度和测试点数时，它们分辨率的差异。可以看出，与带通模式相比，低通模式通过使冲激宽度减半来获得较高的分辨率。

图 . 给定相同的设置 (频率跨度和测试点数)，低通模式和带通模式的分辨率不同。

范围分辨率

时域范围分辨率的定义是在时间轴上对一个响应定位的能力。如果只出现一个响应，则范围分辨率是衡量如何精确地定位响应峰值的尺度。范围分辨率等于显示屏的数字分辨率，它是时域跨度除以显示屏点数的结果。

范围分辨率 = T跨度/点 −1

为获得最大范围分辨率，把响应测试结果放在显示屏的中心并减小时域跨度。范围分辨率始终比响应分辨率更精细。图 a 显示了 10 ns 时域跨度的范围分辨率是 50 ps。图 b 显示了通过把时域跨度减小到 2.5 ns 使分辨率提高到 12.5 ps。在两种情况下，测试点数都固定在 201。改变时域跨度只会增大或减小数据点之间的间隔，并不影响分辨两个邻近信号的能力。

图. 范围分辨率: (a) 10 ns 时域跨度形成 50 ps 范围分辨率; (b) 将时域跨度减小到 2.5 ns, 把分辨率提高到 12.5 ps。

在时域中，时间跨度与所选择的频率跨度无关，您可以使响应曲线处于显示屏的中心，然后只需将时域跨度变小，所显示的响应曲线就会被放大。这意味着时域跨度减小的系数就是范围分辨率得到改善的系数。

需要记住的是，在典型传输介质中，传播速度的非均匀性将限制您对不连续性的实际位置进行精确定位的能力。在波导等色散介质中，非线性相位响应将限制对响应的实际峰值进行定位的能力。