現代實時頻譜測試技術介紹
文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：中國無線電管理 人氣： 發表時間：2011年10月30日
早在20世紀70、80年代，已經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）實現了實時頻譜分析功能。但是由于受限于半導體工藝水平，ADC的采樣率無法實現高位數，因此當時的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、振動相關的測試領域）。
實時頻譜測試的原理
1.1 FFT的基本原理
FFT方法是通過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FFT處理后獲得頻譜分布圖（見圖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，離散傅立葉變換實質上是其頻譜的離散頻域采樣，對頻率具有選擇性（ωk=2πk/N），在這些點上反映了信號的頻譜。
根據采樣定律，一個頻帶有限的信號可以對它進行時域采樣而不丟失任何信息，FFT變換則說明對時間有限的信號（有限長序列）也可以進行頻域采樣，而不丟失任何信息。所以只要時間序列足夠長、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可以用以進行信號的頻譜分析。
FFT原理的頻譜分析儀為獲得良好的線性度和高分辨率，對信號進行數據采集時 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的實時頻譜分析儀需要ADC有200 mS/S的取樣率。
FFT的性能用取樣點數和取樣率來表征,例如用100 kS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點，則最高輸入頻率是50 kHz，分辨率是50Hz。如果取樣點數為2048點，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數。FFT運算時間與取樣點數成對數關系。FFT頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時,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，由于FFT分析方式中沒有超外差頻譜分析儀的掃描過程，是將下變頻的射頻信號一次性通過一定帶寬的中頻濾波器，這個頻帶內對信號的分析是完全并行、實時處理的。因此在這個意義上它可以看做是一種在一定帶寬下的“實時”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/數變換后用軟件實現很多模擬掃頻儀無法實現的測試功能，如靈活的觸發方式、對存儲的頻譜信息進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，使頻譜分析儀的構成簡化、分辨率增高、一定跨度內測量時間縮短，這些都是現代FFT頻譜分析儀的優點。
1.2 泰克公司實時頻譜分析儀原理
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，開發出了第三代RF測試工具——實時頻譜分析儀（見圖3）。與傳統FFT分析儀相比，實時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的提高。其測試頻率范圍可達到14GHz，實時測試帶寬最大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，它的射頻指標如動態范圍、靈敏度等也可以和高端的掃描頻譜儀相媲美。
1.2.1 樣點、幀和塊
實時頻譜分析儀進行的測量使用數字信號處理(DSP)技術實現。為了解如何在時域、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ADC數字化轉換信號之后，信號使用時域數據表示，然后可以使用DSP計算所有頻率和調制參數。
在RTSA使用實時采集無縫捕獲信號時，三個條件(樣點、幀和塊)描述了存儲的數據層級。圖4是樣點、幀、塊結構。
數據層級的最底層是樣點，它代表著離散的時域數據點。這種結構在其它數字取樣應用中也很常見，如實時示波器和基于PC的數字轉換器。決定相鄰樣點之間時間間隔的有效取樣速率取決于選擇的跨度。在實時頻譜分析儀中，每個樣點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，幀由整數個連續樣點組成，是可以應用快速傅立葉變換(FFT)把時域數據轉換到頻域中的基本單位。在這一過程中，每個幀產生一個頻域頻譜。
采集層級的最高層是塊，它由不同時間內無縫捕獲的許多相鄰幀組成。塊長度(也稱為采集長度)是一個連續采集表示的總時間。
在實時頻譜儀實時測量模式下，它無縫捕獲每個塊并存儲在內存中。然后它使用DSP技術進行后期處理，分析信號的頻率、時間和調制特點。
圖5是塊采集模式，可以實現實時無縫捕獲。對塊內部的所有幀，每個采集在時間上都是無縫的。在一個采集塊中的信號處理完成后，將開始采集下一個塊。塊存儲在內存中，可以應用任何實時測量。例如，實時頻譜模式下捕獲的信號可以在解調模式和時間模式下分析。
1.2.2 頻率模板觸發
有效觸發一直是大多數頻譜分析工具中所缺乏的。泰克公司的實時頻譜分析儀除了簡單的IF電平和外部觸發功能外，還提供了實時頻域觸發模式。傳統掃頻結構不太適合實時觸發，最重要的原因在于掃頻頻譜分析儀的觸發方式只是一維的電平觸發，而實時頻譜分析儀則提供給用戶功率與頻率的兩維觸發定義信息，也就是說它能夠在頻譜圖上按照不同的頻率與功率“任意”畫出模板，并以信號超過或退出模板作為觸發條件。
如圖6所示，實時頻譜分析儀畫出一個模板，定義分析儀實時帶寬內產生觸發事件的條件集合。
頻率模板觸發為檢測和分析動態射頻信號提供了一個強大的工具。它可以用來進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捕獲小電平瞬時事件，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 無縫捕獲和三維頻譜圖
定義了觸發條件后，實時頻譜分析儀會連續檢查輸入信號，考察指定的觸發事件。在等待這個事件發生時，信號會不斷數字化，時域數據循環通過先進先出捕獲緩沖器，累積新數據時不斷丟棄最老的數據。
這一過程可以無縫采集指定的塊，其中信號用連續的時域樣點表示。一旦這些數據存儲在內存中，它可以使用不同的顯示畫面進行處理和分析，如功率與頻率關系、頻譜圖和多域圖。
三維頻譜圖是一個重要的測量項目，它直觀地顯示了頻率和幅度怎樣隨時間變化。橫軸表示傳統頻譜分析儀在功率與頻率關系圖上顯示的相同的頻率范圍，豎軸表示時間，幅度則用軌跡顏色表示。每“片”頻譜圖與從一個時域數據幀中計算得出的一個頻譜相對應。圖7是動態信號三維頻譜圖示意。
圖8是顯示了功率與頻率關系及圖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，可以使用標尺在時間軸上向回滾動三維頻譜圖，以進行存儲頻譜信息的逐幀回放。
1.2.4 時間相關多域分析
對于存儲在內存中的信號，實時頻譜分析儀提供了各種時間相關的信號分析，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域樣點數據，突出表現為兩大結構優勢：在頻域、時域和調制域中，通過一次采集進行全方位信號分析；多域時間相關，可了解頻域、時域和調制域中的特定事件怎樣在公共時間參考點上相關。
圖9、圖10是使用實時頻譜分析儀的時間相關多域分析功能，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為藍牙信號出現時的頻譜和星座圖。從中我們可以看到“時間相關”的重要性，如果使用矢量信號分析儀分析瞬時信號的狀態改變，由于它不能提供統一的時間參考點，頻譜測試圖與調制域分析圖的測試時間是錯開的，可能造成分析結果的不真實，當矢量信號分析儀進行調制域分析時，藍牙干擾可能已經消失。
1.2.5 DPX數字熒光技術
DPX是指泰克最新系列實時頻譜RSA6100采用的并行處理和顯示壓縮技術。通過每秒大于48000次的頻譜測量，大大增強了查看頻域中發生瞬變的能力。DPX采用“色溫”顯示，用顏色的深淺表示信號發生的概率。
傳統掃頻分析儀每秒最多可以處理50個頻譜，采用DPX技術RSA6100A系列實時頻譜分析儀的測量速率提高了1000倍，這意味著對持續時間超過24μs的信號捕獲率為100%。DPX技術通過把時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時計算離散傅立葉變換(DFT)，并把它們轉換成直觀的活動的畫面。DPX技術可以顯示以前看不到的射頻信號實況。使用可變顏色等級余輝來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事件。在每次更新時，都將記錄捕獲帶寬中每個頻率上的功率電平值，并通過在顯示屏上改變顏色，來顯示每個頻率上入射功率隨時間變化的情況。
實時頻譜分析儀的應用
實時頻譜儀由于其技術上的優勢，在無線電監測等領域里有著一些獨到的應用。
（1）發現同頻干擾
如何有效發現同頻信號或干擾一直是困擾RF測試領域的難題，目前所有的手段只能顯示兩個或多個同頻或相近頻率信號的功率疊加包絡，這對分辨同頻干擾毫無意義。
如圖11所示， RSA6100系列實時頻譜儀獨有的DPX數字熒光技術將同頻的不同信號按照出現的概率“實時”顯示出來。
（2）發現大信號下面的小信號
與同頻干擾類似，發現“淹沒“在寬帶大信號包絡下面的微小信號對于掃頻儀來說如同大海撈針。而RSA6100系列頻譜儀具有110MHz實時分析帶寬和DPX數字熒光技術，同樣的寬帶雷達信號下淹沒的微小掃頻信號在RSA6100系列頻譜儀上顯示無遺。DPX數字熒光技術能把不同的信號按出現的頻次分別獨立顯示出來，而不是傳統掃頻儀的“同頻功率累加”顯示（見圖12）。
?。?）發現微秒級甚至納秒級瞬態信號
與傳統射頻測試儀器相比,采用了DPX技術的實時頻譜儀使我們可以清晰明確地發現跳頻信號的變化規律，甚至可以看到微秒級、納秒級瞬態信號的變化（見圖13）。
?。?）捕獲瞬態干擾信號
捕獲瞬態信號的一個重要手段是實時頻率模板觸發，它超越了傳統射頻測試工具單一的功率觸發模式，允許用戶根據頻域中的特定事件自定義模板觸發采集（具有定頻率、定功率、定時間的特點），是觸發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法有效觸發的弱點。
結束語
數字射頻技術的發展要求我們必須能捕獲并存儲一段時間的信號，并可反復回放，分析信號隨時間的變化。另外，隨著頻譜利用率不斷提高，干擾將來自更臨近的頻點，甚至同一頻率,這要求頻譜測試技術在發現和捕獲能力上實現本質的突破。實時頻譜分析儀不僅可以用于瞬態信號的捕獲、存儲、分析, 而且可以充分利用其集頻譜分析、矢量分析和時域分析于一體的特點，在新的技術條件下實現其獨特的價值。當今無線通信技術的發展極大推動了頻譜測試技術的演變和進步，隨著產品類別的完整、各項指標的提高、功能的不斷增強，相信第三代無線信號分析儀——實時頻譜分析儀將更加成熟。
