现代实时频谱测试技术介绍

前言
　　19世纪60年代,James Maxwell 通过计算推断出存在着能够通过真空传输能量的电磁波。  此后工程师和科学家们一直在寻求创新方法利用无线电技术。接下来,随着军事和通信领域技术的深入发展，20世纪无线电技术一直在不断创新，技术的演进也推动着RF测试技术向前发展（见图1）。从军用的跳频电台、雷达到RFID，第三代移动通信、蓝牙、WLAN，各种微功率发射装置等，瞬态信号如今无处不在。瞬态信号存在的普遍性使得技术人员需要有效的仪器对其进行捕获、存储并回放分析。另外，监测间歇性干扰或频谱使用情况等也需要一种有效的手段来实现“宽带实时监测”。

　　早在20世纪70、80年代，已经有部分仪表供应商采用FFT方式（基于快速傅立叶变换的分析方式）实现了实时频谱分析功能。但是由于受限于半导体工艺水平，ADC的采样率无法实现高位数，因此当时的FFT频谱分析仪的频率范围均在几十兆赫兹或几百兆赫兹，这就大大限制了这种仪表的应用范围（一般主要应用在音频、振动相关的测试领域）。

实时频谱测试的原理

　　1.1 FFT的基本原理

　　FFT方法是通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的效果。它采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样，再经FFT处理后获得频谱分布图（见图2）。

　　离散傅立叶变换X(k)可看成是z变换在单位圆上的等距离采样值，同样，X（k）也可看作是序列傅氏变换X（ejω）的采样，采样间隔为ωN=2π/N。因此，离散傅立叶变换实质上是其频谱的离散频域采样，对频率具有选择性（ωk=2πk/N），在这些点上反映了信号的频谱。

　　根据采样定律，一个频带有限的信号可以对它进行时域采样而不丢失任何信息，FFT变换则说明对时间有限的信号（有限长序列）也可以进行频域采样，而不丢失任何信息。所以只要时间序列足够长、采样足够密，频域采样就可较好地反映信号的频谱趋势，所以FFT可以用以进行信号的频谱分析。

　　FFT原理的频谱分析仪为获得良好的线性度和高分辨率，对信号进行数据采集时 ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍，亦即频率上限是100 MHz的实时频谱分析仪需要ADC有200 mS/S的取样率。

　　FFT的性能用取样点数和取样率来表征,例如用100 kS/S的取样率对输入信号取样1024点，则最高输入频率是50 kHz，分辨率是50Hz。如果取样点数为2048点，则分辨率提高到25Hz。由此可知，最高输入频率取决于取样率，分辨率取决于取样点数。FFT运算时间与取样点数成对数关系。FFT频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时,要选用高速的FFT硬件，或者相应的数字信号处理器(DSP)芯片。

　　从原理上说，由于FFT分析方式中没有超外差频谱分析仪的扫描过程，是将下变频的射频信号一次性通过一定带宽的中频滤波器，这个频带内对信号的分析是完全并行、实时处理的。因此在这个意义上它可以看做是一种在一定带宽下的“实时”频谱分析仪。另外，FFT分析方式是数字化的处理方法，它可以在模/数变换后用软件实现很多模拟扫频仪无法实现的测试功能，如灵活的触发方式、对存储的频谱信息进行详细的回放分析等。

　　傅立叶变换可把输入信号分解成分立的频率分量，同样它也可起着类似滤波器的作用，借助快速傅立叶变换电路代替低通滤波器，使频谱分析仪的构成简化、分辨率增高、一定跨度内测量时间缩短，这些都是现代FFT频谱分析仪的优点。

　　1.2 泰克公司实时频谱分析仪原理

　　泰克公司在传统FFT分析仪的基础上增强了ADC的采样位数和DSP的处理能力，开发出了第三代RF测试工具——实时频谱分析仪（见图3）。与传统FFT分析仪相比，实时频谱分析仪在诸如频率范围、射频指标、捕获带宽、分析功能等方面都有了质的提高。其测试频率范围可达到14GHz，实时测试带宽最大110 MHz，且具有全功能的通用及标准数字调制的测试能力。另外，它的射频指标如动态范围、灵敏度等也可以和高端的扫描频谱仪相媲美。

　　1.2.1 样点、帧和块

　　实时频谱分析仪进行的测量使用数字信号处理(DSP)技术实现。为了解如何在时域、频域和调制域中分析射频信号，首先需要考察仪器怎样采集和存储信号。在ADC数字化转换信号之后，信号使用时域数据表示，然后可以使用DSP计算所有频率和调制参数。

　　在RTSA使用实时采集无缝捕获信号时，三个条件(样点、帧和块)描述了存储的数据层级。图4是样点、帧、块结构。

　　数据层级的最底层是样点，它代表着离散的时域数据点。这种结构在其它数字取样应用中也很常见，如实时示波器和基于PC的数字转换器。决定相邻样点之间时间间隔的有效取样速率取决于选择的跨度。在实时频谱分析仪中，每个样点作为包含幅度和相位信息的I/Q对存储在内存中。

　　上一层是帧，帧由整数个连续样点组成，是可以应用快速傅立叶变换(FFT)把时域数据转换到频域中的基本单位。在这一过程中，每个帧产生一个频域频谱。

　　采集层级的最高层是块，它由不同时间内无缝捕获的许多相邻帧组成。块长度(也称为采集长度)是一个连续采集表示的总时间。

　　在实时频谱仪实时测量模式下，它无缝捕获每个块并存储在内存中。然后它使用DSP技术进行后期处理，分析信号的频率、时间和调制特点。

　　图5是块采集模式，可以实现实时无缝捕获。对块内部的所有帧，每个采集在时间上都是无缝的。在一个采集块中的信号处理完成后，将开始采集下一个块。块存储在内存中，可以应用任何实时测量。例如，实时频谱模式下捕获的信号可以在解调模式和时间模式下分析。

　　1.2.2 频率模板触发

　　有效触发一直是大多数频谱分析工具中所缺乏的。泰克公司的实时频谱分析仪除了简单的IF电平和外部触发功能外，还提供了实时频域触发模式。传统扫频结构不太适合实时触发，最重要的原因在于扫频频谱分析仪的触发方式只是一维的电平触发，而实时频谱分析仪则提供给用户功率与频率的两维触发定义信息，也就是说它能够在频谱图上按照不同的频率与功率“任意”画出模板，并以信号超过或退出模板作为触发条件。

　　如图6所示，实时频谱分析仪画出一个模板，定义分析仪实时带宽内产生触发事件的条件集合。

　　频率模板触发为检测和分析动态射频信号提供了一个强大的工具。它可以用来进行传统频谱分析仪不可能完成的测量，如在存在强大的射频信号时捕获小电平瞬时事件，在拥挤的频谱范围内检测特定频率上的间歇性信号。

　　1.2.3 无缝捕获和三维频谱图

　　定义了触发条件后，实时频谱分析仪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，累积新数据时不断丢弃最老的数据。

　　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。

　　三维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，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7是动态信号三维频谱图示意。

　　图8是显示了功率与频率关系及图7中所示信号的三维频谱图。在三维频谱图上，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射频信号，由于数据存储在内存中，可以使用标尺在时间轴上向回滚动三维频谱图，以进行存储频谱信息的逐帧回放。

　　1.2.4 时间相关多域分析

　　对于存储在内存中的信号，实时频谱分析仪提供了各种时间相关的信号分析，这对设备调试和信号检定应用特别有用。与传统射频仪表不同的是，所有这些测量都基于同一底层时域样点数据，突出表现为两大结构优势：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；多域时间相关，可了解频域、时域和调制域中的特定事件怎样在公共时间参考点上相关。

　　图9、图10是使用实时频谱分析仪的时间相关多域分析功能，对蓝牙干扰WLAN信号的情况测试的截图。图8是正常的WLAN信号频谱和星座图，图9为蓝牙信号出现时的频谱和星座图。从中我们可以看到“时间相关”的重要性，如果使用矢量信号分析仪分析瞬时信号的状态改变，由于它不能提供统一的时间参考点，频谱测试图与调制域分析图的测试时间是错开的，可能造成分析结果的不真实，当矢量信号分析仪进行调制域分析时，蓝牙干扰可能已经消失。

　　1.2.5 DPX数字荧光技术

　　DPX是指泰克最新系列实时频谱RSA6100采用的并行处理和显示压缩技术。通过每秒大于48000次的频谱测量，大大增强了查看频域中发生瞬变的能力。DPX采用“色温”显示，用颜色的深浅表示信号发生的概率。

　　传统扫频分析仪每秒最多可以处理50个频谱，采用DPX技术RSA6100A系列实时频谱分析仪的测量速率提高了1000倍，这意味着对持续时间超过24μs的信号捕获率为100%。DPX技术通过把时域信号连续转换到频域中，以远远高于人眼能够感受到的帧速率提取和实时计算离散傅立叶变换(DFT)，并把它们转换成直观的活动的画面。DPX技术可以显示以前看不到的射频信号实况。使用可变颜色等级余辉来保持异常信号并不断累计，直到能够看到这些信号。因此这种分析仪有助于揭示毛刺和其它瞬时事件。在每次更新时，都将记录捕获带宽中每个频率上的功率电平值，并通过在显示屏上改变颜色，来显示每个频率上入射功率随时间变化的情况。

实时频谱分析仪的应用

　　实时频谱仪由于其技术上的优势，在无线电监测等领域里有着一些独到的应用。

　　（1）发现同频干扰

　　如何有效发现同频信号或干扰一直是困扰RF测试领域的难题，目前所有的手段只能显示两个或多个同频或相近频率信号的功率叠加包络，这对分辨同频干扰毫无意义。

　　如图11所示， RSA6100系列实时频谱仪独有的DPX数字荧光技术将同频的不同信号按照出现的概率“实时”显示出来。

　　（2）发现大信号下面的小信号

　　与同频干扰类似，发现“淹没“在宽带大信号包络下面的微小信号对于扫频仪来说如同大海捞针。而RSA6100系列频谱仪具有110MHz实时分析带宽和DPX数字荧光技术，同样的宽带雷达信号下淹没的微小扫频信号在RSA6100系列频谱仪上显示无遗。DPX数字荧光技术能把不同的信号按出现的频次分别独立显示出来，而不是传统扫频仪的“同频功率累加”显示（见图12）。

　　（3）发现微秒级甚至纳秒级瞬态信号

　　与传统射频测试仪器相比,采用了DPX技术的实时频谱仪使我们可以清晰明确地发现跳频信号的变化规律，甚至可以看到微秒级、纳秒级瞬态信号的变化（见图13）。

　　（4）捕获瞬态干扰信号

　　捕获瞬态信号的一个重要手段是实时频率模板触发，它超越了传统射频测试工具单一的功率触发模式，允许用户根据频域中的特定事件自定义模板触发采集（具有定频率、定功率、定时间的特点），是触发小于正常合法信号电平的干扰信号的唯一手段, 解决了传统扫频仪和矢量分析仪无法有效触发的弱点。

结束语

　　数字射频技术的发展要求我们必须能捕获并存储一段时间的信号，并可反复回放，分析信号随时间的变化。另外，随着频谱利用率不断提高，干扰将来自更临近的频点，甚至同一频率,这要求频谱测试技术在发现和捕获能力上实现本质的突破。实时频谱分析仪不仅可以用于瞬态信号的捕获、存储、分析, 而且可以充分利用其集频谱分析、矢量分析和时域分析于一体的特点，在新的技术条件下实现其独特的价值。当今无线通信技术的发展极大推动了频谱测试技术的演变和进步，随着产品类别的完整、各项指标的提高、功能的不断增强，相信第三代无线信号分析仪——实时频谱分析仪将更加成熟。