泰克频谱仪实时频谱分析基础知识

第1 章：简介和概述

随着RF信号在现代世界中变得无所不在，生成RF信号的器件之间的干扰问题也随之增长。在需要牌照的频谱中工作的移动电话等产品，在设计时必须不会把RF 能量发送到相邻频率信道中，对在不同传输模式之间切换、保持到不同网元的同步链路的复杂多标准设备来说，这一点尤其具有挑战性。在没有牌照的频段中工作的比较简单的器件，也必须设计成在存在干扰信号时能够正确运行，政府法规通常规定，这些器件只允许以低功率在短突发中传输信号。这些新的数字RF 技术需要结合使用计算机和RF，包括无线局域网、手机、数字电视、RFID、等等。这些技术与软件定义的无线电(SDR)和认知无线电(CR)新技术相结合，提供了新的发展道路，将从根本上改变频谱分析方法，提高稀缺的商品之一— RF 频谱的利用效率。为克服这些不断演变的挑战，当前工程师和科学家能够可靠地检测和检定随时间变化的RF 信号非常关键，而使用传统测量工具并不能简便地实现这一点。为解决这些问题，泰克研制了实时频谱分析仪(RSA)，这种仪器可以发现RF 信号中的难检效应，触发这些效应，把它们无缝捕获到存储器中，并在频域、时域、调制域、统计域和码域中分析这些效应。

本文介绍了RSA的工作方式，您可以基本了解怎样使用RSA，解决与捕获和分析现代RF 信号有关的许多测量问题。

现代 RF 测量挑战

鉴于检定当前RF器件行为特点的挑战，必需了解频率、幅度和调制参数在短期和长期内的行为方式。在这些情况下，使用传统工具如扫频分析仪(SA)和矢量信号分析仪(VSA)可能会在频域和调制域内提供信号概况，但其通常不能提供足够的信息，让用户满怀信心地描述器件生成的动态 RF 信号。

考虑一下下面挑战性的测量任务：

• 发现罕见的短时间周期事件
• 查看较强的信号掩盖的较弱信号
• 观察噪声掩盖的信号
• 查找和分析瞬态信号和动态信号
• 捕获突发传输、毛刺、开关瞬态事件
• 检定 PLL 稳定时间、频率漂移、微音扩大捕获扩频信号和跳频信号
• 监测频谱使用情况，检测游荡传输测试和诊断瞬态 EMI 效应
• 检定随时间变化的调制方案隔离软件和硬件交互

每种测量都涉及随时间变化的RF 信号，这些信号通常是不可预测的。为有效检定这些信号的特点，工程师需要一种工具，这种工具要能够发现难检事件，有效触发这些事件，把事件隔离到存储器中，以便能够在频域、时域、调制域、统计域和码域中分析信号行为。

简单考察仪器结构

为了解RSA 的工作方式及理解其提供的测量价值，有必要先考察两类其它的传统RF 信号分析仪：扫频分析仪(SA)和矢量信号分析仪(VSA)。

扫频分析仪

扫描调试的超外差是几十年前第一个使工程师能够进行频域测量的传统结构。扫频分析仪初是使用纯模拟器件构建的，之后一直随着其服务的应用不断发展。当前一代扫频分析仪包括各种数字单元，如 ADC、DSP 和微处理器。但是，基本扫描方法在很大程度上保持不变，其适合观测受控的静态信号。扫频分析仪通过把关心的信号向下变频，并扫描通过解析带宽(RBW)滤波器的传输频带，来测量功率随频率变化。RBW 滤波器后面跟有一个检测器，检测器计算选择的频宽内每个频率点的幅度。尽管这种方法可以提供很高的动态范围， 但其缺点在于，它一次只能计算一个频率点的幅度数据。这种方法基于这样一个假设，即分析仪能够完成多次扫描，而被测信号没有明显变化。结果，这种方法要求输入信号相对稳定及不变。如果信号迅速变化，那么在统计上可能会漏掉变化。如图1-1 所示，扫描查看频段Fa，而在Fb (左图)上发生了一个瞬时频谱事件。在扫描到达频段Fb 时，事件已经消失，没有检测到事件(右图)。扫频分析仪结构没有提供一种可靠的方式，发现这类瞬态信号的存在，因此调试许多现代RF 信号要求非常长的时间和大量的工作。除漏掉瞬时信号外，现代通信和雷达中使用的脉冲信号的频谱还可能会被错误地表示。如果不进行重复扫描，那么扫频分析仪结构不能表示脉冲占用的频谱。另外还要特别注意扫描速率和解析带宽。

图1-2说明了典型的现代扫频分析仪结构。尽管现代扫频分析仪已经用数字信号处理(DSP)代替了模拟功能， 但基础结构和限制保持不变。

矢量信号分析仪

分析传送信号的数字调制要求进行矢量测量，以同时提供幅度信息和相位信息。图1-2b是简化的VSA方框图。

VSA 数字化仪器传输频带内部的所有RF 功率，把数字化的波形放到存储器中。存储器中的波形同时包含幅度信息和相位信息，DSP可以使用这些信息进行解调、测量或显示处理。在VSA内部，ADC数字化宽带IF 信号， 下变频、滤波和检测以数字方式完成。从时域到频域的变换使用FFT 算法完成。VSA 测量调制参数，如FM 偏差、码域功率和误差矢量幅度(EVM 和星座图)。它还提供其它显示画面，如信道功率、功率随时间变化和频谱图。

尽管 VSA 增加了在存储器中存储波形的功能，但其分析瞬态事件的能力有限。在典型的 VSA 自由运行模式下，采集的信号必须存储在存储器中，然后才能进行处理。这种批处理的串行特点意味着仪器对采集之间发生的事件是看不见的。它不能可靠地发现单次事件或偶发事件。可以使用偶发事件触发功能， 在存储器中隔离这些事件。遗憾的是，VSA的触发功能有限。外部触发要求事先了解有问题的事件，这可能是不现实的。IF 电平触发要求总 IF 功率必须出现可度量的变化，而在存在大的信号或信号频率变化、但幅度不变时，则不能隔离微弱的信号。而在当前的动态 RF 环境中，经常会发生这两种情况。

实时频谱分析仪

“实时”一词源于早期的物理系统数字仿真工作。如果其工作速度与被仿真的实际系统一致，那么我们就说数字系统仿真是实时工作的。

实时分析信号意味着必须以足够快的速度执行分析操作，以准确地处理关心的频段中的所有信号成分。这一定义表明，我们必须：

• 以足够快的速度对输入信号采样，以满足内奎斯特标准。这意味着采样频率必须超过关心的带宽的两倍。
• 连续地足够快地执行所有计算，以便分析输出跟上输入信号的变化。

发现，触发，捕获，分析

实时频谱分析仪(RSA)旨在解决与上一节中介绍的瞬时动态 RF信号有关的测量挑战。RSA使用实时数字信号处理(DSP)执行信号分析，DSP在存储器存储之前完成，而VSA结构则通常采用采集后处理。实时处理允许用户发现其它结构看不到的事件，并触发这些事件，可以选择性把事件捕获到存储器中。然后可以使用批处理在多个域中全面分析存储器内的数据。另外还可以使用实时DSP引擎，执行信号调节、校准和某些类型的分析。

RSA 的核心是实时处理模块，如图1-2c 所示(第6 页)。与VSA 一样，它数字化宽捕获带宽。与VSA 不同的是， 实时引擎工作速度足够快，可以处理每个样点，而不会有空白，如图1-3所示。可以连续应用幅度和相位校正， 补偿模拟IF 和RF响应。不仅可以全面校正存储器中存储的数据，还可以执行所有后续实时处理，在校正的数据上操作。实时引擎支持下述功能，满足了现代RF 分析的需求：

• 实时校正，改善模拟信号路径
• DPX® 实时RF 显示，可以发现扫频分析仪和VSA 漏掉的事件
• 信号发生的持续性确定的DPX DensityTM测量和触发
• 高级时间判定触发，如欠幅脉冲触发，通用在高性能示波器中提供
• 频域触发，支持频率模板触发(FMT)
• 触发用户指定带宽，支持滤波功率触发
• 实时解调，允许用户“收听”繁忙频段中的特定信号
• 数字化数据的数字IQ流，允许不间断地输出信号，进行外部存储和处理

实时引擎不仅可以发现和触发信号，还可以执行许多重复的信号处理任务，释放基于软件的宝贵资源。与VSA 一样，RSA 可以使用 DSP 进行采集后分析。它可以在时间相关的多个域中执行测量，并可以同时显示这些测量。