使用超外差式頻譜分析儀對TDMA脈沖信號進(jìn)行頻譜測試

1.2 利用超外差式頻譜分析儀對PHS信號測量的實際結(jié)果

但是當(dāng)使用超外差式頻譜分析儀，用30kHz的分辨率帶寬，在1MHz頻率跨度范圍內(nèi)，用正常的掃描方式對輸入的PHS脈沖信號進(jìn)行測量時，所獲得的頻譜并非我們理論上所分析出的連續(xù)頻譜，而是頻譜分量不完整、類似離散特性的頻域信號，如圖3所示。

圖3 采用正常掃描方式得到的TDMA脈沖信號頻譜圖

顯然，實際的測量結(jié)果與理論上分析出的信號頻域特性完全不一致，為什么會出現(xiàn)這種偏離呢？

1.3 超外差式頻譜分析儀的工作原理

其實造成這種現(xiàn)象的原因與超外差式頻譜分析儀的工作原理有關(guān)。

圖4 典型超外差式頻譜分析儀的工作原理

圖4所示為超外差式頻譜分析儀的基本工作原理。信號進(jìn)入頻譜分析儀后，與頻譜分析儀的本地振蕩器產(chǎn)生的本振信號一起進(jìn)入最前端的第一級混頻器，之后通過第一級中頻濾波器。緊接著被變頻至第一中頻的信號又先后進(jìn)入第二級混頻器和第二級中頻濾波器。然后信號進(jìn)入第三級混頻電路，繼而通過末級中頻濾波器（即頻譜分析儀的分辨率帶寬RBW）。最后信號被送入包絡(luò)檢波器、視頻濾波器，直至顯示器輸出。

超外差式頻譜分析儀之所以能夠?qū)︻l率很高的信號進(jìn)行測量，主要原因就是對高頻信號進(jìn)行了多級變頻，然后用窄分辨率帶寬在較低頻率進(jìn)行準(zhǔn)確測量。因而，利用超外差式頻譜分析儀我們可以實現(xiàn)對高達(dá)幾十吉赫茲信號的準(zhǔn)確測量。

但是任何事物均具有兩面性，也正是超外差式頻譜分析儀的這一優(yōu)點造成了它在另外一個方面——實時性方面存在一定劣勢。在對一定寬度頻率范圍的信號進(jìn)行測量時，超外差式頻譜分析儀必須以一定的步進(jìn)變化來不斷調(diào)諧掃描，通過利用窄帶濾波器的多次充放電實現(xiàn)對一定寬度范圍內(nèi)的信號頻譜測量。由此可見，在對一定寬度范圍的信號進(jìn)行頻域測量時，超外差式頻譜分析儀需要一定的掃描時間來完成一次掃描。

頻譜分析儀的掃描時間Tsweep與掃描寬度Δf、分辨率帶寬BIF的函數(shù)關(guān)系如式（3）所示：

(3)。

其中：Tsweep為給定頻率跨度與分辨率帶寬下所需的最小掃描時間，單位為s;

BIF為分辨率帶寬，單位為Hz;

Δf為顯示頻率跨度，單位為Hz;

k為比例系數(shù)。

由此可知，最小掃描時間與顯示頻率跨度成正比，與分辨率帶寬的平方成反比。當(dāng)掃描寬度越寬、分辨率帶寬越小，超外差式頻譜分析儀所需的掃描時間就越長，也就是說它的實時性越差。

公式（3）中的k是一個針對不同濾波器類型的修正系數(shù)，當(dāng)采用模擬濾波器時，k約為2.5；采用數(shù)字濾波器時，修正系數(shù)可達(dá)到k=1?？梢娫谄渌麠l件均固定的情況下，采用比例系數(shù)為1的數(shù)字濾波器時，最小掃描時間為采用模擬濾波器時的1/2.5倍。通常情況下，目前的超外差式頻譜分析儀中小于200kHz的分辨率帶寬均采用數(shù)字濾波器來實現(xiàn)，k值可以取為1。

在計算實際最小掃描時間時，還有一個必須考慮的因素是超外差式頻譜分析儀本振頻率調(diào)諧步進(jìn)對掃描時間的影響。目前的超外差式頻譜分析儀的本振采用了數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，本振的調(diào)諧步進(jìn)為頻譜分析儀分辨率帶寬的十分之一，即RBW/10。所以實際的最小掃描時間應(yīng)當(dāng)按照公式（4）計算：

(4)。

現(xiàn)在我們根據(jù)前面測試（正常掃描方式下）的設(shè)置，計算超外差式頻譜分析儀用30kHz的分辨率帶寬，在1MHz頻率跨度范圍內(nèi)對PHS信號進(jìn)行掃描，所需的最小掃描時間是多少，如式（5）所示。

(5)。

由計算結(jié)果可知，用30kHz的分辨率帶寬，在1MHz的頻率跨度內(nèi)進(jìn)行掃描所需要的最小掃描時間為0.011s，即11ms。

而根據(jù)PHS的技術(shù)規(guī)范我們知道，PHS信號的幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 PHS信號幀結(jié)構(gòu)

可以看出，單個PHS時隙的時間長度為0.625ms(625μs)。這樣就可以算出在單個PHS脈沖信號出現(xiàn)的這一段時間內(nèi)，超外差式頻譜分析儀能夠完成多寬的頻率跨度的掃描：

。

由此我們可以得知，在一個PHS脈沖出現(xiàn)的時間段內(nèi)，分辨率為30kHz的超外差式頻譜分析儀只能夠進(jìn)行頻率寬度為56.8kHz的掃描。由PHS的技術(shù)規(guī)范可知，標(biāo)準(zhǔn)的PHS信號的占用帶寬為272kHz左右。也即，在一個PHS脈沖出現(xiàn)的時間段內(nèi)，超外差式頻譜分析儀只能夠獲得很少部分頻率分量的頻譜。但是在這個PHS脈沖結(jié)束后直至下一個周期的PHS脈沖到來之前，中間間隔的7個時隙的時間段內(nèi)，頻譜分析儀仍然會繼續(xù)向前掃描，此時所掃描得到的只有噪聲，因為這段時間內(nèi)PHS脈沖并未出現(xiàn)。在等到下一個周期的PHS脈沖出現(xiàn)時，頻譜分析儀依舊會像前一個脈沖出現(xiàn)時那樣僅完成56.8kHz頻率跨度的掃描，然后在余下7個時隙的PHS脈沖未出現(xiàn)的時間段內(nèi)繼續(xù)再向前掃描。如此反復(fù)，就得到了如圖3所示的類似離散頻譜的頻譜圖，而并非PHS信號理論上的完整頻譜。