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实时频谱分析仪的关键技术浅析


  来源: 安立通讯科技Anritsu 时间:2020-12-29 编辑:清风
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频谱分析仪是RF工程师用来测量特定频带内信号的基本仪器,它们捕获并显示有用和无关信号,从而进行一系列参数的测量,包括功率,频率,调制方式和失真度等。目前市面上有多种不同类型频谱分析仪的系统架构,本文将着重介绍实时频谱分析仪(RTSA),扫频式频谱分析仪和矢量信号分析仪的总体结构,并重点介绍它们的相对优缺点。


实时频谱分析能够连续,无间隙地捕获和分析时变的瞬态信号,而常规的扫频式频谱分析仪和矢量信号分析仪由于其设计原理的差异而无法实现此项功能。扫频式频谱分析仪通过扫描其本振信号(LO)将输入频率范围下变频为固定的中频(IF),然后由分辨率带宽(RBW)滤波器对其进行滤波并检测。扫描本振时,输入信号频率被对应地扫过固定频率的RBW滤波器。实际上,频谱分析仪在单个时刻都只能看到一小部分频率范围,因此,仅当信号在正确的时间和频率出现在RBW滤波器时,该信号才可见。而瞬态信号出现的时候,本振频率未能扫描到对应频率,那瞬态信号就会被遗漏(如图1)。


图1. 经典的扫频式频谱分析仪示意图


在现代分析仪中,分辨率带宽滤波器,包络检波器和显示都是使用数字信号处理的方式实现的。矢量信号分析仪将特定带宽内的对应信号下变频为固定频率的IF。IF模拟信号由模数转换器(ADC)采样,时域采样数据可用于调制域分析。对于频谱分析,使用快速傅里叶变换(FFT)将时域信号转换为频域频谱。FFT处理一个采样块,称为采样帧。在本文中,采样帧中的采样数称为采样帧大小或FFT大小。FFT计算完成并将结果传输到显示器后,将获取下一个采样帧。与扫频式频谱分析仪不同的是,这里的本振是固定的,同时矢量信号分析仪对在两次采样帧之间时间间隔内出现的信号也是忽略的(图2)。


图2. 扫频式频谱分析仪在扫描过程中对瞬态信号的响应


几乎所有现代频谱分析仪都结合了传统扫频式分析仪和矢量信号分析仪的特点。如果跨度大于FFT分析带宽,则将沿LO步进以将多个FFT拼接在一起,以显示更大跨度的频谱。但是,使RTSA频谱分析仪与众不同的是它能够连续对信号采样并进行FFT分析,图3阐述了其中的差异,使用FFT分析的非RTSA频谱分析仪或矢量信号分析仪是串行处理流程,可获取采样点并FFT处理。RTSA处理流程是并行的(图4),因为它可以获取一个新的采样帧的同时,对前一个采样帧进行FFT处理,这种并行处理需要快速的数字处理硬件和大的缓冲存储。RTSA频谱分析仪,例如安立的Field Master Pro™ MS2090A,能够针对512点FFT信号每秒执行527000 次FFT处理。FFT的点数是FFT分析带宽内的频率点数,它也等于采样帧中采集的I/Q采样数。点数越多,频率分辨率越好,但是FFT计算时间也会增加。


图3. 简化的矢量信号分析仪和信号处理流程框图


实时频谱仪的关键性能指标是捕获概率(POI),POI定义为准确测量一个连续波(CW)信号的幅度所需的最小信号持续时间。POI受多个因素影响:FFT处理速度,采样率,时间窗重叠,RBW和跨度。下一节将解释这些因素的相互关联性及其对POI的影响。


图4. 实时频谱分析仪的框图和信号处理流程


时间窗

当对一个采样块进行FFT分析时,FFT的计算是假设时域信号是周期性的,其周期等于采样帧的持续时间。


图5描述了在一个时间间隔内对简单正弦波进行采样的过程。当对采样帧进行FFT处理时,若将采样信号视为周期信号,采样帧则在开始和结束处产生了不希望的不连续性。时域上的这种不连续性导致频域能量分散,而不是集中在单个频率的正弦波上。频谱泄漏在FFT频谱分析中也是不正确的,因为这会导致无法分辨具有不同幅度水平的临近频率分量。此外,频谱能量的分散,也导致了信号幅度的失真。


图5. 在没有加窗的情况下,对采样帧进行FFT处理会导致频谱泄漏


关键词:频谱分析仪 测量 矢量信号分析仪    浏览量:1224

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