讓頻譜分析更高效,澄清RSA使用中的一些誤解

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從事射頻應(yīng)用的研究人員、工程師和技術(shù)人員通常都能充分理解頻譜分析儀的用途和優(yōu)點，無論是傳統(tǒng)的掃頻分析儀 (TSA) 還是更現(xiàn)代的矢量信號分析儀 (VSA)。他們熟練掌握這些重要射頻儀器的關(guān)鍵規(guī)范和工作原理。然而，在涉及如實時頻譜分析儀（RSA 或 RTSA）這類稍有不同的儀器時，他們就有些生疏了。由于對 RSA 的功能和測量能力缺乏了解，用戶有時會未能意識到 RSA 作為其射頻工具集中一個關(guān)鍵工具所具有的優(yōu)勢。泰克公司在設(shè)計、制造和部署 RSA 方面擁有多年的豐富經(jīng)驗，我們希望澄清 RSA 使用上的一些誤解，甚至是流言。 

誤解1：現(xiàn)代所有基于FFT的分析儀都是實時頻譜分析儀。

現(xiàn)代頻譜分析儀采用基于 FFT 的頻譜分析方法，將快速采樣的時域信號轉(zhuǎn)換為頻域頻譜。這些分析儀以超高速率對信號進(jìn)行采樣并通過 FFT 對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換來獲得輸入信號各個分量的幅值和頻率。盡管基于 FFT 的現(xiàn)代頻譜分析儀具有高頻分辨率，可以測量寬動態(tài)范圍內(nèi)的信號，但它們可能無法檢測到儀器采樣間隔之間發(fā)生的事件。 

因此，要實時分析信號，就意味著實時頻譜分析儀必須具備以下特點：

●   輸入信號的采樣頻率必須足夠快，以滿足奈奎斯特準(zhǔn)則。也就是說，采樣頻率必須超過信號帶寬的兩倍。

●   所有計算的執(zhí)行必須連續(xù)且足夠快，以確保分析的輸出跟上輸入信號在短采樣間隔內(nèi)的變化。

●   支持足夠長的分析間隔，以滿足最窄分辨帶寬 (RBW) 的需求。

●   此外，快速傅里葉變換的速度必須非?？?，確保不遺漏任何信號變化。

泰克公司在其實時頻譜分析儀中采用了一種獨特架構(gòu)，以克服現(xiàn)代 VSA 的測量限制，有效解決了與瞬態(tài)和動態(tài)射頻信號相關(guān)的問題。泰克公司的 RSA 在數(shù)據(jù)存儲前使用實時數(shù)字信號處理 (DSP) 進(jìn)行信號分析，而非像 VSA 架構(gòu)中那樣在數(shù)據(jù)采集后再進(jìn)行處理。這種實時處理方式可讓用戶發(fā)現(xiàn)其它架構(gòu)無法察覺的事件。同時，它支持在這些事件發(fā)生時觸發(fā)，能夠?qū)⑦@些事件選擇性地捕獲到存儲器中。圖 1 展示了泰克公司的 RSA 如何在較短的間隔內(nèi)采集并處理更多 FFT，以跟上非?？焖俚男盘栕兓?。

圖1 描繪了基于FFT的VSA與RSA之間差別的示意圖

誤解2：RSA的特別之處只有頻譜圖或射頻瀑布圖

RSA 非常擅長生成RF頻譜隨時間變化的可視化圖譜（即頻譜圖）。利用這些二維圖，用戶可以輕松觀察特定測量間隔內(nèi)頻譜的變化。如圖 2 中的藍(lán)色頻譜圖所示，每個音調(diào)的頻率隨時間變化，而其幅值傾向于保持不變。

圖2 多音信號的頻譜和頻譜圖

但是，泰克公司的 RSA 可以在時域和頻域中生成更多類型的測量結(jié)果和可視化圖譜，為用戶提供有關(guān)所采集信號的性質(zhì)和特征的附加信息，甚至是 VSA 通常會錯過的極快速瞬態(tài)信號。

DPX? 頻譜軌跡是用于呈現(xiàn)快速變化的射頻信號，或瞬態(tài)射頻信號的最有用的工具之一。泰克公司的 DPX 專利技術(shù)使用硬件 DSP 處理并將樣本轉(zhuǎn)化為像素信息，以創(chuàng)建全動態(tài)實時射頻頻譜。它具有顏色分級功能，允許用戶查看頻率相同，但時間或功率有差別的不同信號。

圖3 比較了120 秒后的掃頻采集MaxHold軌跡，與20秒后的DPX MaxHold軌跡

頻譜分析儀主要是頻域儀器，但在許多測量中，它可用于觀察時域中的頻譜特征，或根據(jù)時間的變化來確定進(jìn)行頻譜測量的時機(jī)。

可對射頻信號進(jìn)行的測量有多種，包括將時間作為參數(shù)的測量，例如：

●   頻率和相位與時間的關(guān)系

●   幅值或功率與時間的關(guān)系

●   I和Q與時間的關(guān)系

●   調(diào)制參數(shù)與時間的關(guān)系（頻率偏差、相位誤差、幅值誤差、誤差矢量幅值）

●   頻率與相位穩(wěn)定性的關(guān)系

通過檢查頻率測量隨時間變化的關(guān)系，工程師可以快速診斷發(fā)射器的關(guān)鍵問題。調(diào)制通常會隨著時間的變化改變頻率、幅值或相位等參數(shù)，觀察這些參數(shù)的時間圖可以了解系統(tǒng)的行為。

對于脈沖測量，時域和頻域之間存在關(guān)聯(lián)，使用戶可以對單個脈沖進(jìn)行詳細(xì)的分析，并獲得對數(shù)百萬個后續(xù)脈沖的統(tǒng)計和趨勢分析。圖 4 說明了泰克軟件能夠測量單個脈沖和大量脈沖的特性。

圖4 SignalVu-PC軟件在Tek RSA上運(yùn)行，用于分析單個脈沖、脈沖之間的測量以及數(shù)千個脈沖的統(tǒng)計結(jié)果

誤解3：RSA 的觸發(fā)能力和VSA 不相上下

與 VSA 類似，泰克公司的 RTSA 提供多種內(nèi)部和外部觸發(fā)方法，包括外部電壓上升沿和內(nèi)部 IQ 電源觸發(fā)。然而，與傳統(tǒng) VSA 不同的是，DPX 技術(shù)還可為時變信號提供新的分析和觸發(fā)方法：

●   頻率模板觸發(fā)：RSA 將頻譜形狀與用戶定義的模板進(jìn)行比較，在指定的頻譜形狀變化時觸發(fā)儀器（圖 5）。RSA 可以在頻率上升或下降時觸發(fā)，類似于時域電平觸發(fā)的工作方式。借助這種強(qiáng)大的技術(shù)，即使存在電平較高的其他信號，Tek RSA 也能可靠地檢測到遠(yuǎn)低于儀器滿量程的信號。這種在存在強(qiáng)信號的情況下觸發(fā)弱信號的能力，對于檢測間歇信號、互調(diào)產(chǎn)物的存在、瞬態(tài)頻譜遏制違規(guī)以及其他頻率效應(yīng)至關(guān)重要。

圖5 瞬態(tài)信號突破頻率模板邊界的觸發(fā)事件

●   DPX 密度觸發(fā)器：由于 DPX 頻譜是頻率和幅值的二維數(shù)組，因此用戶可以定義一個具有頻率上下限和幅值上下限的方框（圖 6）。當(dāng)該方框中的信號密度超過指定閾值時，儀器就會被觸發(fā)。例如，此功能使用戶只在信號出現(xiàn)的頻率超過預(yù)期時才會記錄，從而幫助他們區(qū)分瞬態(tài)雜散和更持久的系統(tǒng)雜散。

圖6 設(shè)置DPX密度觸發(fā)方框的頻率和幅值

●   時間限定觸發(fā)器：RSA 查看射頻脈沖的寬度，并根據(jù)其持續(xù)時間進(jìn)行觸發(fā)，這使其成為快速動態(tài)射頻脈沖環(huán)境下的理想選擇。

結(jié)論

我們澄清了關(guān)于矢量信號分析儀和實時頻譜分析儀之間差異的三個主要誤解。我們首先指出，泰克公司的 RSA可以連續(xù)且快速地處理 FFT 記錄，以跟上輸入信號的快速變化。我們還會回顧了泰克公司的 RSA 不僅能夠生成頻譜圖，還能在時域和頻率內(nèi)生成各種測量結(jié)果和可視化圖像。接著，我們介紹了 DPX 技術(shù)為時變信號提供的新分析和觸發(fā)方法。在重新認(rèn)識泰克公司 RSA 的功能和測量能力后，現(xiàn)在您可以將它們納入您的射頻工具集中，并充分利用其強(qiáng)大的時間和頻率分析能力。