現(xiàn)代實(shí)時(shí)頻譜測(cè)試技術(shù)介紹
文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：中國(guó)無(wú)線電管理 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月30日
早在20世紀(jì)70、80年代，已經(jīng)有部分儀表供應(yīng)商采用FFT方式（基于快速傅立葉變換的分析方式）實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)頻譜分析功能。但是由于受限于半導(dǎo)體工藝水平，ADC的采樣率無(wú)法實(shí)現(xiàn)高位數(shù)，因此當(dāng)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(yīng)用范圍（一般主要應(yīng)用在音頻、振動(dòng)相關(guān)的測(cè)試領(lǐng)域）。
實(shí)時(shí)頻譜測(cè)試的原理
1.1 FFT的基本原理
FFT方法是通過(guò)傅里葉運(yùn)算將被測(cè)信號(hào)分解成分立的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的效果。它采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)輸入信號(hào)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(duì)頻率具有選擇性（ωk=2πk/N），在這些點(diǎn)上反映了信號(hào)的頻譜。
根據(jù)采樣定律，一個(gè)頻帶有限的信號(hào)可以對(duì)它進(jìn)行時(shí)域采樣而不丟失任何信息，F(xiàn)FT變換則說(shuō)明對(duì)時(shí)間有限的信號(hào)（有限長(zhǎng)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(zhǎng)、采樣足夠密，頻域采樣就可較好地反映信號(hào)的頻譜趨勢(shì)，所以FFT可以用以進(jìn)行信號(hào)的頻譜分析。
FFT原理的頻譜分析儀為獲得良好的線性度和高分辨率，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí) ADC的取樣率最少等于輸入信號(hào)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(shù)和取樣率來(lái)表征,例如用100 kS/S的取樣率對(duì)輸入信號(hào)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(shù)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(shù)。FFT運(yùn)算時(shí)間與取樣點(diǎn)數(shù)成對(duì)數(shù)關(guān)系。FFT頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí),要選用高速的FFT硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)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(hào)一次性通過(guò)一定帶寬的中頻濾波器，這個(gè)頻帶內(nèi)對(duì)信號(hào)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，F(xiàn)FT分析方式是數(shù)字化的處理方法，它可以在模/數(shù)變換后用軟件實(shí)現(xiàn)很多模擬掃頻儀無(wú)法實(shí)現(xiàn)的測(cè)試功能，如靈活的觸發(fā)方式、對(duì)存儲(chǔ)的頻譜信息進(jìn)行詳細(xì)的回放分析等。
傅立葉變換可把輸入信號(hào)分解成分立的頻率分量，同樣它也可起著類似濾波器的作用，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(gòu)成簡(jiǎn)化、分辨率增高、一定跨度內(nèi)測(cè)量時(shí)間縮短，這些都是現(xiàn)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(tǒng)FFT分析儀的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了ADC的采樣位數(shù)和DSP的處理能力，開(kāi)發(fā)出了第三代RF測(cè)試工具——實(shí)時(shí)頻譜分析儀（見(jiàn)圖3）。與傳統(tǒng)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(biāo)、捕獲帶寬、分析功能等方面都有了質(zhì)的提高。其測(cè)試頻率范圍可達(dá)到14GHz，實(shí)時(shí)測(cè)試帶寬最大110 MHz，且具有全功能的通用及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字調(diào)制的測(cè)試能力。另外，它的射頻指標(biāo)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(cè)量使用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。為了解如何在時(shí)域、頻域和調(diào)制域中分析射頻信號(hào)，首先需要考察儀器怎樣采集和存儲(chǔ)信號(hào)。在ADC數(shù)字化轉(zhuǎn)換信號(hào)之后，信號(hào)使用時(shí)域數(shù)據(jù)表示，然后可以使用DSP計(jì)算所有頻率和調(diào)制參數(shù)。
在RTSA使用實(shí)時(shí)采集無(wú)縫捕獲信號(hào)時(shí)，三個(gè)條件(樣點(diǎn)、幀和塊)描述了存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)層級(jí)。圖4是樣點(diǎn)、幀、塊結(jié)構(gòu)。
數(shù)據(jù)層級(jí)的最底層是樣點(diǎn)，它代表著離散的時(shí)域數(shù)據(jù)點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)在其它數(shù)字取樣應(yīng)用中也很常見(jiàn)，如實(shí)時(shí)示波器和基于PC的數(shù)字轉(zhuǎn)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(duì)存儲(chǔ)在內(nèi)存中。
上一層是幀，幀由整數(shù)個(gè)連續(xù)樣點(diǎn)組成，是可以應(yīng)用快速傅立葉變換(FFT)把時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jí)的最高層是塊，它由不同時(shí)間內(nèi)無(wú)縫捕獲的許多相鄰幀組成。塊長(zhǎng)度(也稱為采集長(zhǎng)度)是一個(gè)連續(xù)采集表示的總時(shí)間。
在實(shí)時(shí)頻譜儀實(shí)時(shí)測(cè)量模式下，它無(wú)縫捕獲每個(gè)塊并存儲(chǔ)在內(nèi)存中。然后它使用DSP技術(shù)進(jìn)行后期處理，分析信號(hào)的頻率、時(shí)間和調(diào)制特點(diǎn)。
圖5是塊采集模式，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無(wú)縫捕獲。對(duì)塊內(nèi)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(hào)處理完成后，將開(kāi)始采集下一個(gè)塊。塊存儲(chǔ)在內(nèi)存中，可以應(yīng)用任何實(shí)時(shí)測(cè)量。例如，實(shí)時(shí)頻譜模式下捕獲的信號(hào)可以在解調(diào)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(shù)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(tǒng)掃頻結(jié)構(gòu)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(hào)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(nèi)產(chǎn)生觸發(fā)事件的條件集合。
頻率模板觸發(fā)為檢測(cè)和分析動(dòng)態(tài)射頻信號(hào)提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。它可以用來(lái)進(jìn)行傳統(tǒng)頻譜分析儀不可能完成的測(cè)量，如在存在強(qiáng)大的射頻信號(hào)時(shí)捕獲小電平瞬時(shí)事件，在擁擠的頻譜范圍內(nèi)檢測(cè)特定頻率上的間歇性信號(hào)。
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(xù)檢查輸入信號(hào)，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(hào)會(huì)不斷數(shù)字化，時(shí)域數(shù)據(jù)循環(huán)通過(guò)先進(jìn)先出捕獲緩沖器，累積新數(shù)據(jù)時(shí)不斷丟棄最老的數(shù)據(jù)。
這一過(guò)程可以無(wú)縫采集指定的塊，其中信號(hào)用連續(xù)的時(shí)域樣點(diǎn)表示。一旦這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)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(cè)量項(xiàng)目，它直觀地顯示了頻率和幅度怎樣隨時(shí)間變化。橫軸表示傳統(tǒng)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(shù)據(jù)幀中計(jì)算得出的一個(gè)頻譜相對(duì)應(yīng)。圖7是動(dòng)態(tài)信號(hào)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(hào)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(cè)量顯示了頻率隨時(shí)間變化的射頻信號(hào)，由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，可以使用標(biāo)尺在時(shí)間軸上向回滾動(dòng)三維頻譜圖，以進(jìn)行存儲(chǔ)頻譜信息的逐幀回放。
1.2.4 時(shí)間相關(guān)多域分析
對(duì)于存儲(chǔ)在內(nèi)存中的信號(hào)，實(shí)時(shí)頻譜分析儀提供了各種時(shí)間相關(guān)的信號(hào)分析，這對(duì)設(shè)備調(diào)試和信號(hào)檢定應(yīng)用特別有用。與傳統(tǒng)射頻儀表不同的是，所有這些測(cè)量都基于同一底層時(shí)域樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，突出表現(xiàn)為兩大結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：在頻域、時(shí)域和調(diào)制域中，通過(guò)一次采集進(jìn)行全方位信號(hào)分析；多域時(shí)間相關(guān)，可了解頻域、時(shí)域和調(diào)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(duì)藍(lán)牙干擾WLAN信號(hào)的情況測(cè)試的截圖。圖8是正常的WLAN信號(hào)頻譜和星座圖，圖9為藍(lán)牙信號(hào)出現(xiàn)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(hào)分析儀分析瞬時(shí)信號(hào)的狀態(tài)改變，由于它不能提供統(tǒng)一的時(shí)間參考點(diǎn)，頻譜測(cè)試圖與調(diào)制域分析圖的測(cè)試時(shí)間是錯(cuò)開(kāi)的，可能造成分析結(jié)果的不真實(shí)，當(dāng)矢量信號(hào)分析儀進(jìn)行調(diào)制域分析時(shí)，藍(lán)牙干擾可能已經(jīng)消失。
1.2.5 DPX數(shù)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(cè)量，大大增強(qiáng)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(hào)發(fā)生的概率。
傳統(tǒng)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(cè)量速率提高了1000倍，這意味著對(duì)持續(xù)時(shí)間超過(guò)24μs的信號(hào)捕獲率為100%。DPX技術(shù)通過(guò)把時(shí)域信號(hào)連續(xù)轉(zhuǎn)換到頻域中，以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人眼能夠感受到的幀速率提取和實(shí)時(shí)計(jì)算離散傅立葉變換(DFT)，并把它們轉(zhuǎn)換成直觀的活動(dòng)的畫(huà)面。DPX技術(shù)可以顯示以前看不到的射頻信號(hào)實(shí)況。使用可變顏色等級(jí)余輝來(lái)保持異常信號(hào)并不斷累計(jì)，直到能夠看到這些信號(hào)。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(yīng)用
實(shí)時(shí)頻譜儀由于其技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，在無(wú)線電監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域里有著一些獨(dú)到的應(yīng)用。
?。?）發(fā)現(xiàn)同頻干擾
如何有效發(fā)現(xiàn)同頻信號(hào)或干擾一直是困擾RF測(cè)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(hào)的功率疊加包絡(luò)，這對(duì)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(dú)有的DPX數(shù)字熒光技術(shù)將同頻的不同信號(hào)按照出現(xiàn)的概率“實(shí)時(shí)”顯示出來(lái)。
（2）發(fā)現(xiàn)大信號(hào)下面的小信號(hào)
與同頻干擾類似，發(fā)現(xiàn)“淹沒(méi)“在寬帶大信號(hào)包絡(luò)下面的微小信號(hào)對(duì)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(shù)字熒光技術(shù)，同樣的寬帶雷達(dá)信號(hào)下淹沒(méi)的微小掃頻信號(hào)在RSA6100系列頻譜儀上顯示無(wú)遺。DPX數(shù)字熒光技術(shù)能把不同的信號(hào)按出現(xiàn)的頻次分別獨(dú)立顯示出來(lái)，而不是傳統(tǒng)掃頻儀的“同頻功率累加”顯示（見(jiàn)圖12）。
?。?）發(fā)現(xiàn)微秒級(jí)甚至納秒級(jí)瞬態(tài)信號(hào)
與傳統(tǒng)射頻測(cè)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(xiàn)跳頻信號(hào)的變化規(guī)律，甚至可以看到微秒級(jí)、納秒級(jí)瞬態(tài)信號(hào)的變化（見(jiàn)圖13）。
?。?）捕獲瞬態(tài)干擾信號(hào)
捕獲瞬態(tài)信號(hào)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(tǒng)射頻測(cè)試工具單一的功率觸發(fā)模式，允許用戶根據(jù)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(hào)電平的干擾信號(hào)的唯一手段, 解決了傳統(tǒng)掃頻儀和矢量分析儀無(wú)法有效觸發(fā)的弱點(diǎn)。
結(jié)束語(yǔ)
數(shù)字射頻技術(shù)的發(fā)展要求我們必須能捕獲并存儲(chǔ)一段時(shí)間的信號(hào)，并可反復(fù)回放，分析信號(hào)隨時(shí)間的變化。另外，隨著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(cè)試技術(shù)在發(fā)現(xiàn)和捕獲能力上實(shí)現(xiàn)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(hào)的捕獲、存儲(chǔ)、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(xiàn)其獨(dú)特的價(jià)值。當(dāng)今無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展極大推動(dòng)了頻譜測(cè)試技術(shù)的演變和進(jìn)步，隨著產(chǎn)品類別的完整、各項(xiàng)指標(biāo)的提高、功能的不斷增強(qiáng)，相信第三代無(wú)線信號(hào)分析儀——實(shí)時(shí)頻譜分析儀將更加成熟。
