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实时频谱仪原理与应用深度解析
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更新于2024-07-18
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实时频谱仪原理及应用案例集汇编是一本由钱永,泰克亚太区射频产品专家主编的专业书籍,旨在深入解析实时频谱分析仪(RTSA)的工作原理和在现代电讯技术中的关键作用。RTSA是基于快速傅里叶变换(FFT)技术的新型测试工具,它的出现是为了应对数字化、智能化和隐蔽性增强的无线技术所带来的挑战。 传统的频谱分析仪(SA)和矢量信号分析仪(VSA)虽然能够提供信号在频域和调制域的概述,但它们在处理瞬态信号、软件定义无线电(SDR)和认知无线电(Cognitive Radio)这类依赖时间信息的测试需求时显得力不从心。RTSA通过实时捕获瞬态信号的能力,以及在时域、频域和调制域的全面分析,弥补了这些传统工具的不足,适应了现代测试对于速度、精确性和灵活性的新要求。 本书分为两个部分:首先,详细阐述实时频谱分析仪的基本原理,包括数字荧光(DPX)、频率模板触发(FMT)和帧重叠等独特技术,使读者能够快速掌握这一技术的核心概念。其次,提供了丰富的应用案例和测试指南,覆盖国防电子、无线监测、RFID、民用通信和综合应用等多个领域,旨在帮助工程师、研究院校师生以及仪表行业的专业人士更好地理解和运用RTSA进行实际测试。 由于实时频谱分析仪的重要性在于它能在复杂信号环境中提供实时、详尽的数据,因此本书不仅对技术爱好者具有价值,也为推动中国乃至全球的技术创新和发展提供了实用的工具和知识支持。通过阅读本书,读者不仅可以提升自身的技术技能,还能紧跟无线技术的发展潮流,解决现代电子设备测试中的实际问题。
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8 实时频谱分析仪原理
实时频谱仪原理
■
应用指南
■
图1-11:
时间相关的多个视图:功率与频率关系图
(
左
)
和频
谱图
(
右
)
。
■
图 1-10:
频谱图显示。
无缝捕获和频谱图
一旦定义了实时触发条件,仪器准备开始采集,RTSA会
连续检查输入信号,考察指定的触发事件。在等待这个
事件发生时,信号会不断数字化,时域数据循环通过先
进先出捕获缓冲器,在累积新数据时,缓冲器会丢弃最
老的数据。这使得分析仪在检测到触发事件时,能够把
触发前和触发后的数据保存到内存中。
如前几节所述,这一过程可以无缝采集指定的块,其中
信号用连续的时域样点表示。一旦这些数据存储在内存
中,它可以使用不同的显示画面进行处理和分析,如功
率与频率关系、频谱图和多域图。样点数据一直在随机
访问的内存中提供,直到它被后续采集覆盖,另外它还
可以保存到 RTSA 的内置硬驱中。
频谱图是一个重要的测量项目,它直观地显示了频率和
幅度怎样随时间变化。横轴表示传统频谱分析仪在功率
与频率关系图上显示的相同的频率范围。在频谱图中,竖
轴表示时间,
幅度则用轨迹颜色表示。每“片”频谱图与从一个时域
数据帧中计算得出的一个频谱相对应。图1-10显示了动
态信号频谱图的概念图。
图1-11是一个屏幕快照,显示了功率与频率关系及图1-
10 中所示信号的频谱图。在频谱图上,最老的帧显示在
图的顶部,最新的帧显示在图的底部。这一测量显示了
频率随时间变化的RF信号,它还揭示了在时间块末尾附
近出现和消失的小瞬时信号。由于数据存储在内存中,可
以使用标尺,“在时间上向回滚动”频谱图。在图 1-11
中,标尺已经放在频谱图的瞬时事件上,这导致与某个
时点相对应的频谱显示在功率与频率关系图上。
时间相关的多域分析
一旦信号已经采集并存储在内存中,可以使用RTSA中提
供的各种时间相关视图分析信号,如图 1-12 所示。
这对设备调试和信号检定应用特别有用。所有这些测量
都基于同一套底层时域样点数据,其突出表现出两大结
构优势:
■
在频域、时域和调制域中,通过一次采集进行全方位
信号分析。
■
多域相关,了解频域、时域和调制域中的特定事件怎
样在公共时间参考上相关。
在实时频谱分析模式下,RTSA提供了被捕获信号的两个
时间相关图:功率与频率关系图和频谱图。图1-11是这
两个视图。
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实时频谱仪原理
■
应用指南
■
图 1-12
:
RTSA
上提供的多个时间相关测量项目图。
在进行时域分析和调制域分析的其它实时测量模式下,
RTSA显示了被捕获信号的多个视图,如图1-13和图1-
14 所示。左上方的窗口称为概况图,它可以显示功率随
时间变化情况或频谱图。概况显示了块中采集的所有数
据,它作为其它分析窗口的索引使用。
右上方的窗口(用紫色标出)称为子图,它显示了实时频谱
分析仪模式下提供的同一功率与频率关系图。与图1-11
中的显示画面一样,这是一个数据帧的频谱,可以滚动
整个时间记录,查看任何时点上的频谱。这通过调节频
谱偏置实现,其位于 RTSA 的 Timing (定时)菜单中。另
外还要注意,在概况图中有一个紫条,表明与紫色子图
窗口中的频域显示相对应的时间位置。
屏幕下半部分的窗口(用绿色标出)称为分析窗口或主图,
它显示了选择的时间或调制分析测量的结果。
■
图 1-14:
显示频谱图、功率与频率关系及功率随时间变化
的多域图。
■
图1-13:
显示功率随时间变化、功率与频率关系及
FM
解调
的多域图。
图 1-13 显示了频率调制分析实例,图 1-14 显示了瞬时
功率随时间变化情况分析实例。与子图窗口一样,绿色
的分析窗口可以位于概况窗口所示的时间记录内部任何
位置,它也有相应的绿条,表明其位置。此外,可以把分
析窗口的宽度灵活地调节到小于或大于一个帧。
时间相关的多域分析提供了巨大的灵活性,可以使用各
种分析工具,放大和全面检定采集的 RF 信号的不同部
分。第 3 章中介绍了这些测量。
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10 实时频谱分析仪原理
实时频谱仪原理
■
应用指南
现代实时频谱分析仪可以采集分析仪输入频率范围内任
何地方的传输频带或跨度。这一功能的核心是RF下变频
器,后面跟有一个宽带中间频率(IF)段。ADC数字化IF信
号,系统以数字方式执行所有进一步的步骤。FFT算法实
现时域到频域变换,后续分析生成频谱图、码域图等显
示画面。
可以通过多个关键特点区分实时结构是否成功:
■
ADC系统能够数字化整个实时带宽,并具有足够的保
真度,支持希望的测量。
■
集成信号分析系统,对被测信号提供多个分析视图,
并在时间上相关。
■
足够的捕获内存和DSP能力,在希望的时间测量周期
上实现连续实时采集。
■
DSP 处理能力,在频域中实现实时触发。
本章包含了泰克实时频谱分析仪(RSA)主要采集和分析模
块的多个结构图,其中忽略了某些辅助功能(小的触发相
关模块、显示和键盘控制器等),以更清楚地进行讨论。
实时频谱分析仪中的数字信号处理技术
泰克 RSA 结合使用模拟信号处理和数字信号处理技术,
把RF信号转换成校准的时间相关多域测量。本节将介绍
RSA 信号处理流程的数字部分。
图2-1显示了泰克RSA系列中使用的主要数字信号处理
模块。模拟 IF 信号经过传输频带滤波和数字转换。数字
下变频和抽样过程把A/D样点转换成同相(I)和正交(Q)基
带信号流。触发模块检测信号条件,控制采集和定时。基
带 DSP 系统使用基带 I 和 Q 信号及触发信息,通过 FFT、
调制分析、功率测量、定时测量及统计分析等手段,进行
频谱分析。
■
图 2-1
:实时频谱分析仪数字信号处理方框图。
■
图 2-2
:数字下变频器方框图。
IF 数字转换器
泰克 RSA 一般会数字化以中间频率(IF)为中心的一个频
段。这个频段或跨度是可以进行实时分析的最宽的频率
范围。在高 IF 上进行数字转换、而不是在 DC 或基带上
进行数字转换,具有多种信号处理优势(杂散性能、DC抑
制、动态范围等),但如果直接处理,可能要求额外的计
算进行滤波和分析。泰克 RSA 采用图 2-2 所示的数字下
变频器(DDC)和采样器,以有效的、对选择的跨度足够高
的取样速率把数字化的 IF 转换成 I 和 Q 基带信号。
第二章:实时频谱分析仪的工作方式
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实时频谱仪原理
■
应用指南
■
图 2-3
:即使只是取样速率的一半,
I
和
Q
仍保持传输频带
信息。
数字下变频器
IF信号以取样速率FS进行数字转换。然后把数字转换后
的 IF 发送到 DDC。DDC 中的数字振荡器在感兴趣的波
段中心频率上生成正弦和余弦。正弦和余弦以数字方式
乘以数字化 IF,生成 I和Q基带样点流,其中包含原始 IF
中包含的所有信息。然后I和Q流经过可变带宽低通滤波
器。低通滤波器的截止频率根据选择的跨度而变化。
I 和 Q 基带信号
图 2-3 显示了提取频段、并使用正交下变频把其转换到
基带中的过程。在三个半取样频率和取样频率之间的空
间中包含着原始 IF 信号。取样在零和一个半取样频率之
间生成这个信号的图像。然后信号乘以感兴趣的传输频
带中心的相干正弦和余弦信号,生成 I和 Q基带信号。基
带信号是实数值,在原点两边对称。正负频率中包含着
同样的信息。原始传输频带中包含的所有调制也包含在
这两个信号中。每个信号要求的最低取样频率现在是原
始频率的一半,然后可以两两采样。
表 2-1:选择的跨度、采样和有效取样速率。
(泰克 RSA3300A 系列)
采样
内奎斯特定理指出,对基带信号,只需以等于感兴趣的
最高频率两倍的速率取样。时间和频率是倒数关系。为
了解低频率,必需观察很长的时间记录。可以使用采样
平衡跨度、处理时间、记录长度和内存使用量。
例如,泰克 RSA3300A 系列在模数转换器上使用 51.2
MS/s取样速率,数字化15 MHz带宽或跨度。I和Q记录
DDC 之后的结果,这 15 MHz 跨度的滤波和采取的有效
取样速率是原始取样速率的一半,即 25.6 MS/s。样点的
总数没有变化:我们得到两个样点集合,每个集合的有
效取样速率是25.6 MS/s,而不是速率为 51.2 MS/s的单
一集合。对更窄的跨度将进一步进行采样,导致对相同
数量的样点得到更长的时间记录。有效取样速率较低的
缺点是降低了时间分辨率。有效取样速率较低的优点是
在时间记录一定时,减少了计算工作,降低了内存使用
量,如表 2-1 所示。
取样速率对时域和频域的影响
使用采样降低有效取样速率对重要的时域和频域测量参
数具有多种影响。图 2-4 和图 2-5 中的实例比较了宽跨
度和窄跨度。第4 章的常见问答中更详细地进行了讨论,
并提供了更多的实例。
跨度 采样(n) 有效取样速率 时间分辨率
15 MHz 2 25.6 MS/s 39.0635 纳秒
10 MHz 4 12.8 MS/s 78.1250 纳秒
1 MHz 40 1.28 MS/s 781.250 纳秒
100 KHz 400 128 kS/s 7.8125 纳秒
10 KHz 4000 12.8 kS/s 78.125 纳秒
1 KHz 40000 1.28 kS/s 781.25 纳秒
100 Hz 400000 128 S/s 7.81250 ms
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12 实时频谱分析仪原理
实时频谱仪原理
■
应用指南
仪器设置 宽跨度 窄跨度
跨度 15 MHz 1 kHz
取样速率 51.2 MS/s 51.2 MS/s
采样 2 32000
有效取样速率 25.6 MS/s 1.6 kS/s
对时域的影响
时域分辨率(取样) 39.0 纳秒 625 微秒
频谱图时间分辨率(帧长度) 40.0 微秒 640 毫秒
最大记录长度(256 MB 内存) 2.56 秒 11.4 小时
对频域的影响
频率分辨率(FFT 二元组宽度) 25.0 kHz 1.56 Hz
NBW (噪声带宽) 43.7 kHz 2.67 Hz
同等高斯 RBW 41.2 kHz 2.52 Hz
表 2-2:改变跨度设置对时域和频域的影响比较。(泰克 RSA3300A 系列)
宽捕获带宽显示了频域分辨率相对较低的宽频率跨度。
与较窄的捕获带宽相比,取样速率越高,分辨率带宽越
宽。在时域中,帧长度越短,时间分辨率越好。记录长度
与存储的样点数量成正比,但这些样点表示的时间数量
较短。图 2-4 显示了宽带宽捕获,表 2-2 提供了实际环
境实例。
相比之下,窄捕获带宽显示了频域分辨率较高的小频率
跨度。与宽捕获带宽相比,取样速率越低,分辨率带宽
越窄。在时域中,帧长度越长,时间分辨率越粗,提供的
记录长度涵盖的时间越多。图2-5显示了窄带宽捕获,表
2-2 提供了实际环境实例。注意数量级,如频率分辨率
与宽带捕获相差数百倍。
实时触发
实时频谱分析仪在频谱和调制分析中增加了时域处理能
力。触发对捕获时域信息至关重要。RSA 提供了独特的
触发功能,它提供了功率触发和频率模板触发及常用的
外部触发和基于电平的触发功能。
■
图2-4
宽捕获带宽实例。
■
图2-5
窄捕获带宽实例。
最常见的触发系统是大多数示波器中使用的触发系统。
在传统模拟示波器中,要观察的信号输送到一个输入中,
而触发则输送到另一个输入中。触发事件导致启动水平
扫描,信号幅度则显示为重叠在校准的格线上的垂直位
移。在最简单的形式下,模拟触发支持在观察的触发器
之后发生的事件,如图 2-6 所示。
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