現代實(shí)時(shí)頻譜測試技術(shù)介紹
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：中國無(wú)線(xiàn)電管理 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月30日
早在20世紀70、80年代，已經(jīng)有部分儀表供應商采用FFT方式（基于快速傅立葉變換的分析方式）實(shí)現了實(shí)時(shí)頻譜分析功能。但是由于受限于半導體工藝水平，ADC的采樣率無(wú)法實(shí)現高位數，因此當時(shí)的FFT頻譜分析儀的頻率范圍均在幾十兆赫茲或幾百兆赫茲，這就大大限制了這種儀表的應用范圍（一般主要應用在音頻、振動(dòng)相關(guān)的測試領(lǐng)域）。
實(shí)時(shí)頻譜測試的原理
1.1 FFT的基本原理
FFT方法是通過(guò)傅里葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量，達到與傳統頻譜分析儀同樣的效果。它采用數字方法直接由模擬/數字轉換器(ADC)對輸入信號取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖（見(jiàn)圖2）。
離散傅立葉變換X(k)可看成是z變換在單位圓上的等距離采樣值，同樣，X（k）也可看作是序列傅氏變換X（ejω）的采樣，采樣間隔為ωN=2π/N。因此，離散傅立葉變換實(shí)質(zhì)上是其頻譜的離散頻域采樣，對頻率具有選擇性（ωk=2πk/N），在這些點(diǎn)上反映了信號的頻譜。
根據采樣定律，一個(gè)頻帶有限的信號可以對它進(jìn)行時(shí)域采樣而不丟失任何信息，FFT變換則說(shuō)明對時(shí)間有限的信號（有限長(cháng)序列）也可以進(jìn)行頻域采樣，而不丟失任何信息。所以只要時(shí)間序列足夠長(cháng)、采樣足夠密，頻域采樣就可較好地反映信號的頻譜趨勢，所以FFT可以用以進(jìn)行信號的頻譜分析。
FFT原理的頻譜分析儀為獲得良好的線(xiàn)性度和高分辨率，對信號進(jìn)行數據采集時(shí) ADC的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍，亦即頻率上限是100 MHz的實(shí)時(shí)頻譜分析儀需要ADC有200 mS/S的取樣率。
FFT的性能用取樣點(diǎn)數和取樣率來(lái)表征,例如用100 kS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點(diǎn)，則最高輸入頻率是50 kHz，分辨率是50Hz。如果取樣點(diǎn)數為2048點(diǎn)，則分辨率提高到25Hz。由此可知，最高輸入頻率取決于取樣率，分辨率取決于取樣點(diǎn)數。FFT運算時(shí)間與取樣點(diǎn)數成對數關(guān)系。FFT頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時(shí),要選用高速的FFT硬件，或者相應的數字信號處理器(DSP)芯片。
從原理上說(shuō)，由于FFT分析方式中沒(méi)有超外差頻譜分析儀的掃描過(guò)程，是將下變頻的射頻信號一次性通過(guò)一定帶寬的中頻濾波器，這個(gè)頻帶內對信號的分析是完全并行、實(shí)時(shí)處理的。因此在這個(gè)意義上它可以看做是一種在一定帶寬下的“實(shí)時(shí)”頻譜分析儀。另外，FFT分析方式是數字化的處理方法，它可以在模/數變換后用軟件實(shí)現很多模擬掃頻儀無(wú)法實(shí)現的測試功能，如靈活的觸發(fā)方式、對存儲的頻譜信息進(jìn)行詳細的回放分析等。
傅立葉變換可把輸入信號分解成分立的頻率分量，同樣它也可起著(zhù)類(lèi)似濾波器的作用，借助快速傅立葉變換電路代替低通濾波器，使頻譜分析儀的構成簡(jiǎn)化、分辨率增高、一定跨度內測量時(shí)間縮短，這些都是現代FFT頻譜分析儀的優(yōu)點(diǎn)。
1.2 泰克公司實(shí)時(shí)頻譜分析儀原理
泰克公司在傳統FFT分析儀的基礎上增強了ADC的采樣位數和DSP的處理能力，開(kāi)發(fā)出了第三代RF測試工具——實(shí)時(shí)頻譜分析儀（見(jiàn)圖3）。與傳統FFT分析儀相比，實(shí)時(shí)頻譜分析儀在諸如頻率范圍、射頻指標、捕獲帶寬、分析功能等方面都有了質(zhì)的提高。其測試頻率范圍可達到14GHz，實(shí)時(shí)測試帶寬最大110 MHz，且具有全功能的通用及標準數字調制的測試能力。另外，它的射頻指標如動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度等也可以和高端的掃描頻譜儀相媲美。
1.2.1 樣點(diǎn)、幀和塊
實(shí)時(shí)頻譜分析儀進(jìn)行的測量使用數字信號處理(DSP)技術(shù)實(shí)現。為了解如何在時(shí)域、頻域和調制域中分析射頻信號，首先需要考察儀器怎樣采集和存儲信號。在A(yíng)DC數字化轉換信號之后，信號使用時(shí)域數據表示，然后可以使用DSP計算所有頻率和調制參數。
在RTSA使用實(shí)時(shí)采集無(wú)縫捕獲信號時(shí)，三個(gè)條件(樣點(diǎn)、幀和塊)描述了存儲的數據層級。圖4是樣點(diǎn)、幀、塊結構。
數據層級的最底層是樣點(diǎn)，它代表著(zhù)離散的時(shí)域數據點(diǎn)。這種結構在其它數字取樣應用中也很常見(jiàn)，如實(shí)時(shí)示波器和基于PC的數字轉換器。決定相鄰樣點(diǎn)之間時(shí)間間隔的有效取樣速率取決于選擇的跨度。在實(shí)時(shí)頻譜分析儀中，每個(gè)樣點(diǎn)作為包含幅度和相位信息的I/Q對存儲在內存中。
上一層是幀，幀由整數個(gè)連續樣點(diǎn)組成，是可以應用快速傅立葉變換(FFT)把時(shí)域數據轉換到頻域中的基本單位。在這一過(guò)程中，每個(gè)幀產(chǎn)生一個(gè)頻域頻譜。
采集層級的最高層是塊，它由不同時(shí)間內無(wú)縫捕獲的許多相鄰幀組成。塊長(cháng)度(也稱(chēng)為采集長(cháng)度)是一個(gè)連續采集表示的總時(shí)間。
在實(shí)時(shí)頻譜儀實(shí)時(shí)測量模式下，它無(wú)縫捕獲每個(gè)塊并存儲在內存中。然后它使用DSP技術(shù)進(jìn)行后期處理，分析信號的頻率、時(shí)間和調制特點(diǎn)。
圖5是塊采集模式，可以實(shí)現實(shí)時(shí)無(wú)縫捕獲。對塊內部的所有幀，每個(gè)采集在時(shí)間上都是無(wú)縫的。在一個(gè)采集塊中的信號處理完成后，將開(kāi)始采集下一個(gè)塊。塊存儲在內存中，可以應用任何實(shí)時(shí)測量。例如，實(shí)時(shí)頻譜模式下捕獲的信號可以在解調模式和時(shí)間模式下分析。
1.2.2 頻率模板觸發(fā)
有效觸發(fā)一直是大多數頻譜分析工具中所缺乏的。泰克公司的實(shí)時(shí)頻譜分析儀除了簡(jiǎn)單的IF電平和外部觸發(fā)功能外，還提供了實(shí)時(shí)頻域觸發(fā)模式。傳統掃頻結構不太適合實(shí)時(shí)觸發(fā)，最重要的原因在于掃頻頻譜分析儀的觸發(fā)方式只是一維的電平觸發(fā)，而實(shí)時(shí)頻譜分析儀則提供給用戶(hù)功率與頻率的兩維觸發(fā)定義信息，也就是說(shuō)它能夠在頻譜圖上按照不同的頻率與功率“任意”畫(huà)出模板，并以信號超過(guò)或退出模板作為觸發(fā)條件。
如圖6所示，實(shí)時(shí)頻譜分析儀畫(huà)出一個(gè)模板，定義分析儀實(shí)時(shí)帶寬內產(chǎn)生觸發(fā)事件的條件集合。
頻率模板觸發(fā)為檢測和分析動(dòng)態(tài)射頻信號提供了一個(gè)強大的工具。它可以用來(lái)進(jìn)行傳統頻譜分析儀不可能完成的測量，如在存在強大的射頻信號時(shí)捕獲小電平瞬時(shí)事件，在擁擠的頻譜范圍內檢測特定頻率上的間歇性信號。
1.2.3 無(wú)縫捕獲和三維頻譜圖
定義了觸發(fā)條件后，實(shí)時(shí)頻譜分析儀會(huì )連續檢查輸入信號，考察指定的觸發(fā)事件。在等待這個(gè)事件發(fā)生時(shí)，信號會(huì )不斷數字化，時(shí)域數據循環(huán)通過(guò)先進(jìn)先出捕獲緩沖器，累積新數據時(shí)不斷丟棄最老的數據。
這一過(guò)程可以無(wú)縫采集指定的塊，其中信號用連續的時(shí)域樣點(diǎn)表示。一旦這些數據存儲在內存中，它可以使用不同的顯示畫(huà)面進(jìn)行處理和分析，如功率與頻率關(guān)系、頻譜圖和多域圖。
三維頻譜圖是一個(gè)重要的測量項目，它直觀(guān)地顯示了頻率和幅度怎樣隨時(shí)間變化。橫軸表示傳統頻譜分析儀在功率與頻率關(guān)系圖上顯示的相同的頻率范圍，豎軸表示時(shí)間，幅度則用軌跡顏色表示。每“片”頻譜圖與從一個(gè)時(shí)域數據幀中計算得出的一個(gè)頻譜相對應。圖7是動(dòng)態(tài)信號三維頻譜圖示意。
圖8是顯示了功率與頻率關(guān)系及圖7中所示信號的三維頻譜圖。在三維頻譜圖上，最老的幀顯示在圖的頂部，最新的幀顯示在圖的底部。這一測量顯示了頻率隨時(shí)間變化的射頻信號，由于數據存儲在內存中，可以使用標尺在時(shí)間軸上向回滾動(dòng)三維頻譜圖，以進(jìn)行存儲頻譜信息的逐幀回放。
1.2.4 時(shí)間相關(guān)多域分析
對于存儲在內存中的信號，實(shí)時(shí)頻譜分析儀提供了各種時(shí)間相關(guān)的信號分析，這對設備調試和信號檢定應用特別有用。與傳統射頻儀表不同的是，所有這些測量都基于同一底層時(shí)域樣點(diǎn)數據，突出表現為兩大結構優(yōu)勢：在頻域、時(shí)域和調制域中，通過(guò)一次采集進(jìn)行全方位信號分析；多域時(shí)間相關(guān)，可了解頻域、時(shí)域和調制域中的特定事件怎樣在公共時(shí)間參考點(diǎn)上相關(guān)。
圖9、圖10是使用實(shí)時(shí)頻譜分析儀的時(shí)間相關(guān)多域分析功能，對藍牙干擾WLAN信號的情況測試的截圖。圖8是正常的WLAN信號頻譜和星座圖，圖9為藍牙信號出現時(shí)的頻譜和星座圖。從中我們可以看到“時(shí)間相關(guān)”的重要性，如果使用矢量信號分析儀分析瞬時(shí)信號的狀態(tài)改變，由于它不能提供統一的時(shí)間參考點(diǎn)，頻譜測試圖與調制域分析圖的測試時(shí)間是錯開(kāi)的，可能造成分析結果的不真實(shí)，當矢量信號分析儀進(jìn)行調制域分析時(shí)，藍牙干擾可能已經(jīng)消失。
1.2.5 DPX數字熒光技術(shù)
DPX是指泰克最新系列實(shí)時(shí)頻譜RSA6100采用的并行處理和顯示壓縮技術(shù)。通過(guò)每秒大于48000次的頻譜測量，大大增強了查看頻域中發(fā)生瞬變的能力。DPX采用“色溫”顯示，用顏色的深淺表示信號發(fā)生的概率。
傳統掃頻分析儀每秒最多可以處理50個(gè)頻譜，采用DPX技術(shù)RSA6100A系列實(shí)時(shí)頻譜分析儀的測量速率提高了1000倍，這意味著(zhù)對持續時(shí)間超過(guò)24μs的信號捕獲率為100%。DPX技術(shù)通過(guò)把時(shí)域信號連續轉換到頻域中，以遠遠高于人眼能夠感受到的幀速率提取和實(shí)時(shí)計算離散傅立葉變換(DFT)，并把它們轉換成直觀(guān)的活動(dòng)的畫(huà)面。DPX技術(shù)可以顯示以前看不到的射頻信號實(shí)況。使用可變顏色等級余輝來(lái)保持異常信號并不斷累計，直到能夠看到這些信號。因此這種分析儀有助于揭示毛刺和其它瞬時(shí)事件。在每次更新時(shí)，都將記錄捕獲帶寬中每個(gè)頻率上的功率電平值，并通過(guò)在顯示屏上改變顏色，來(lái)顯示每個(gè)頻率上入射功率隨時(shí)間變化的情況。
實(shí)時(shí)頻譜分析儀的應用
實(shí)時(shí)頻譜儀由于其技術(shù)上的優(yōu)勢，在無(wú)線(xiàn)電監測等領(lǐng)域里有著(zhù)一些獨到的應用。
?。?）發(fā)現同頻干擾
如何有效發(fā)現同頻信號或干擾一直是困擾RF測試領(lǐng)域的難題，目前所有的手段只能顯示兩個(gè)或多個(gè)同頻或相近頻率信號的功率疊加包絡(luò )，這對分辨同頻干擾毫無(wú)意義。
如圖11所示， RSA6100系列實(shí)時(shí)頻譜儀獨有的DPX數字熒光技術(shù)將同頻的不同信號按照出現的概率“實(shí)時(shí)”顯示出來(lái)。
?。?）發(fā)現大信號下面的小信號
與同頻干擾類(lèi)似，發(fā)現“淹沒(méi)“在寬帶大信號包絡(luò )下面的微小信號對于掃頻儀來(lái)說(shuō)如同大海撈針。而RSA6100系列頻譜儀具有110MHz實(shí)時(shí)分析帶寬和DPX數字熒光技術(shù)，同樣的寬帶雷達信號下淹沒(méi)的微小掃頻信號在RSA6100系列頻譜儀上顯示無(wú)遺。DPX數字熒光技術(shù)能把不同的信號按出現的頻次分別獨立顯示出來(lái)，而不是傳統掃頻儀的“同頻功率累加”顯示（見(jiàn)圖12）。
?。?）發(fā)現微秒級甚至納秒級瞬態(tài)信號
與傳統射頻測試儀器相比,采用了DPX技術(shù)的實(shí)時(shí)頻譜儀使我們可以清晰明確地發(fā)現跳頻信號的變化規律，甚至可以看到微秒級、納秒級瞬態(tài)信號的變化（見(jiàn)圖13）。
?。?）捕獲瞬態(tài)干擾信號
捕獲瞬態(tài)信號的一個(gè)重要手段是實(shí)時(shí)頻率模板觸發(fā)，它超越了傳統射頻測試工具單一的功率觸發(fā)模式，允許用戶(hù)根據頻域中的特定事件自定義模板觸發(fā)采集（具有定頻率、定功率、定時(shí)間的特點(diǎn)），是觸發(fā)小于正常合法信號電平的干擾信號的唯一手段, 解決了傳統掃頻儀和矢量分析儀無(wú)法有效觸發(fā)的弱點(diǎn)。
結束語(yǔ)
數字射頻技術(shù)的發(fā)展要求我們必須能捕獲并存儲一段時(shí)間的信號，并可反復回放，分析信號隨時(shí)間的變化。另外，隨著(zhù)頻譜利用率不斷提高，干擾將來(lái)自更臨近的頻點(diǎn)，甚至同一頻率,這要求頻譜測試技術(shù)在發(fā)現和捕獲能力上實(shí)現本質(zhì)的突破。實(shí)時(shí)頻譜分析儀不僅可以用于瞬態(tài)信號的捕獲、存儲、分析, 而且可以充分利用其集頻譜分析、矢量分析和時(shí)域分析于一體的特點(diǎn)，在新的技術(shù)條件下實(shí)現其獨特的價(jià)值。當今無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展極大推動(dòng)了頻譜測試技術(shù)的演變和進(jìn)步，隨著(zhù)產(chǎn)品類(lèi)別的完整、各項指標的提高、功能的不斷增強，相信第三代無(wú)線(xiàn)信號分析儀——實(shí)時(shí)頻譜分析儀將更加成熟。
