技术牛人详解矢量信号分析仪原理

矢量信号分析仪是常用的进行雷达和无线通讯信号分析的仪器。

模拟扫描调谐式频谱分析仪使用超外差技术覆盖广泛的频率范围 ; 从音频、微波直到毫米波频率。快速傅立叶变换 (FFT) 分析仪使用数字信号处理(DSP) 提供高分辨率的频谱和网络分析。如今宽带的矢量调制 ( 又称为复调制或数字调制 ) 的时变信号从 FFT 分析和其他 DSP 技术上受益匪浅。VSA 提供快速高分辨率的频谱测量、解调以及高级时域分析功能，特别适用于表征复杂信号，如通信、视频、广播、雷达和软件无线电应用中的脉冲、瞬时或调制信号。

图 1 显示了一个简化的 VSA 方框图。VSA 采用了与传统扫描分析截然不同的测量方法 ; 融入 FFT 和数字信号处理算法的数字中频部分替代了模拟中频部分。传统的扫描调谐式频谱分析是一个模拟系统 ; 而 VSA 基本上是一个使用数字数据和数学算法来进行数据分析的数字系统。VSA 软件可以接收并分析来自许多测量前端的数字化数据，使您的故障诊断可以贯穿整个系统框图。

图 1. 矢量信号分析过程要求输入信号是一个被数字化的模拟信号，然后使用 DSP 技术处理

并提供数据输出 ; FFT 算法计算出频域结果，解调算法计算出调制和码域结果。

VSA 的一个重要特性是它能够测量和处理复数数据，即幅度和相位信息。实际上，它之所以被称为“矢量信号分析”正是因为它采集复数输入数据，分析复数数据，并输出包含幅度和相位信息的复数数据结果。矢量调制分析执行测量接收机的基本功能。在下一篇“矢量调制分析基础”中，您将了解到矢量调制与检波的概念。

在使用适当前端的情况下，VSA 可以覆盖射频和微波频段，并能提供额外的调制域分析能力。这些改进可以通过数字技术来实现，例如模拟 - 数字转换，以及包含数字中频 (IF) 技术和快速傅立叶变换 (FFT) 分析的 DSP。

因为要分析的信号变得越来越复杂，最新一代的信号分析仪已经过渡到数字架构，并且往往具有许多矢量信号分析和调制分析的能力。有些分析仪在对信号进行放大，或进行一次或多次下变频之后，就在仪器的输入端数字化信号。在大部分现代分析仪中，相位连同幅度信息都被保留以进行真正的矢量测量。另一方面，其它的前端如示波器和逻辑分析仪等对整个信号进行数字化，同时也保留了相位和幅度信息。VSA 无论作为合成的测量前端的一部分，还是单独在内部运行或在与前端相连的计算机上运行的软件，它的分析能力都依赖于前端的处理能力，无论前端是综合测量专用软件，还是矢量分析测量动态信号并产生复数数据结果。

VSA 相比模拟扫描调谐分析有着独特的优势。一个主要的优势是它能够更好地测量动态信号。动态信号通常分为两大类 : 时变信号或复数调制信号。时变信号是指在单次测量扫描过程中，被测特性发生变化的信号 ( 例如突发、门限、脉冲或瞬时信号 )。复数调制信号不能用简单的 AM、FM 或 PM 调制单独描述，包含了数字通信中大多数调制方案，例如正交幅度调制 (QAM)。

图 2. 扫描调谐分析显示了一个窄带 IF 滤波器对输入信号的瞬时响应。矢量分析使用 FFT 将大量时域采样转换到频域频谱。

传统的扫描频谱分析实际上是让一个窄带滤波器扫过一系列频率，按顺序每次测量一个频率。对于稳定或重复信号，这种扫描输入的方法是可行的，然而对扫描期间发生变化的信号，扫描结果就不能精确地代表信号了。

还有，这种技术只能提供标量 ( 仅有幅度 ) 信息，不过有些信号特征可以通过进一步分析频谱测量结果推导得出。

VSA 测量过程通过信号“快照”或时间记录，然后同时处理所有频率，以仿真一系列并联滤波器从而克服了扫描局限。例如，如果输入的是瞬时信号，那么整个信号事件被捕获 ( 意味着该时刻信号的所有信息都被捕获和数字化 ); 然后经过 FFT 运算，得出“瞬时”复数频谱对频率的关系。这一过程是实时进行的，所以就不会丢失输入信号的任何部分。基于这些，VSA 有时又称为“动态信号分析”或“实时信号分析”。不过， VSA 跟踪快速变化的信号的能力并不是无限制的。它取决于 VSA 所具有的计算能力。

并行处理为高分辨率 ( 窄分辨率带宽 ) 测量带来另一个潜在的优势：那就是更短的测量时间。如果你曾经使用过扫描调谐频谱分析仪，就会知道在较小小频率扫宽下的窄分辨率带宽 (RBW) 测量可能非常耗时。扫描调谐分析仪对逐点频率进行扫描的速度要足够慢以使模拟分辨率带宽滤波器有足够的建立时间。与之相反，VSA 可以一次性测量整个频率扫宽。不过，由于数字滤波器和 DSP 的影响，VSA 也有类似的建立时间。与模拟滤波器相比，VSA 的扫描速度主要受限于数据采集和数字处理的时间。但是，VSA 的建立时间与模拟滤波器的建立时间相比通常是可以忽略不计的。对于某些窄带测量，VSA 的测量速度可以比传统的扫描调谐分析快 1000 倍。

在扫描调谐频谱分析中，扫描滤波器的物理带宽限制了频率分辨率。VSA 没有这一限制。VSA 能够分辨间隔小于 100 μHz 的信号。VSA 的分辨率通常受限于信号和测量前端的频率稳定度，以及在测量上希望花费的时间的限制。分辨率越高，测量信号所需要的时间 ( 获得要求的时间记录长度 ) 就越长。

另一个极为有用的特性是时间捕获能力。它使你可以完整无缺地记录下实际信号并在以后重放，以便进行各种数据分析。捕获的信号可用于各种测量。例如，捕捉一个数字通信的发射信号，然后既进行频谱分析也进行矢量调制分析，以测量信号质量或识别信号缺损。

使用数字信号处理 (DSP) 还带来其它优势；它可以同时提供时域、频域、调制域和码域的测量分析。集这些能力于一身的仪器更有价值，它可改善测量质量。VSA 的 FFT 分析使你可以轻松和准确地查看时域和频域数据。DSP提供了矢量调制分析，其中包括模拟和数字调制分析。模拟解调算法可提供与调制分析仪类似的 AM、FM 和 PM 解调结果，使您可以看到幅度、频率和相位随时间变化的曲线图。数字解调算法可适用于许多数字通信标准 ( 例如GSM、cdma2000®、WiMAXTM、LTE 等 ) 的广泛的测量，并获得许多有用的测量显示和信号质量数据。

很明显 VSA 提供了许多重要的优势，当配合使用合适的前端时，还可以提供更多、更大的优势。例如，当 VSA 与传统的模拟扫描调谐分析仪结合使用时，可提供更高的频率覆盖率和更大的动态范围测量能力 ; 与示波器结合使用时，可提供宽带分析 ; 与逻辑分析仪结合使用时，可探测无线系统中的FPGA 和其它数字基带模块。

如前所述，VSA 本质上是一个数字系统，它使用 DSP 进行 FFT 频谱分析，使用解调算法进行矢量调制分析。FFT 是一种数学算法，它对时间采样数据提供时域－频域的转换。模拟信号必须在时域中被数字化，再执行 FFT 算法计算出频谱。从概念上说，VSA 的实施是非常简单直接的 : 捕获数字化的输入信号，再计算测量结果。参见图 3。不过在实际中，必须考虑许多因素，才能获得有意义和精确的测量结果。

图 3. 1 kHz FFT 分析举例 : 先数字化时域信号，再使用 FFT 将其转换到频域

如果你熟悉 FFT 分析，就知道 FFT 算法针对所处理的信号有几点假设条件。算法不校验对于所给输入这些假设是否成立，这就有可能产生无效的结果，除非用户或仪器可以验证这些假设。

图 1 为一般的 VSA 系统方框图。在 DSP 过程中，不同的环节可能使用不同的功能。VSA 测量过程包括这些基本阶段:

测量前端
1. 包括频率转换的信号调整。基于所使用的前端硬件，可能需要和 / 或可以使用不同的信号调整步骤。
2. 模数转换器
3. 正交检波
VSA 软件
4. 数字滤波和重采样
5. 数据窗口
6. FFT 分析 ( 对于矢量调制，由解调模块替代模块 5 和 6)