Tektronix：實時頻譜分析基礎入門手冊工作方式測量及應用（52頁）.pdf

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1、 1實時頻譜分析基礎知識入門手冊 5實時頻譜分析基礎知識入門手冊2 1 章:簡介和概述3-8RF信號的演變3現代RF測量挑戰4簡單考察儀器結構5掃頻分析儀5矢量信號分析儀7實時頻譜分析儀7第2章:實時頻譜分析儀的工作方式9-37RF/IF信號調節9輸入切換和發送段10RF段和微波段10頻率變換/IF 段11數字信號處理(DSP)概念12實時頻譜分析儀中的數字信號處理路徑12IF數字轉換器13校正13數字下變頻器(DDC)14IQ基帶信號14壓縮15壓縮濾波15把時域波形變換到頻域中16實時頻譜分析17發現和捕獲瞬態事件17RSA與掃頻分析儀比較18實時頻譜分析儀上的RBW18窗口19實時頻譜分

2、析儀中的離散傅立葉變換(DFT)20數字濾波22有限脈沖響應(FIR)濾波器22頻響與脈沖響應22數值卷積23DPX技術：革命性的信號發現工具25數字熒光顯示26DPX顯示引擎27DPX變換引擎29DPX密度測量29定時和觸發30實時觸發和采集31系統觸發和數字采集32觸發模式和功能32RSA觸發源33建立頻率模板34解調35幅度調制、頻率調制和相位調制35數字調制36功率測量和統計37第3 章:實時頻譜分析儀測量38-46實時頻譜分析儀測量類型38頻域測量38DPX頻譜39時域測量39調制域測量42碼域測量44統計域測量45第 4 章:實時頻譜分析儀的應用47-49脈沖測量47雷達47RFI

3、D47頻譜管理/監控48無線電通信48功率放大器測試49頻噪效應和相位觸發分析49EMI/EMC49第 5 章:術語表50-51詞匯表50參考縮略語51目錄 3實時頻譜分析基礎知識入門手冊第 1 章：簡介和概述RF信號的演變早在19世紀60年代，James Clerk Maxwell通過數學運算，預測出存在著能夠通過空白空間傳輸能量的電磁波，此后，工程師和科學家一直在尋求創新方法利用RF技術。在 Heinrich Hertz在 1886 年物理演示了“無線電波”之后，Nikola Tesla、Gugliemo Marconi等人開創了利用這些波實現長途通信的方式。一個世紀以后，無線電已經成為R

4、F信號第一個實際應用。過去三十年中已經啟動了多個研究項目，考察信號發送和接收方法，檢測和定位遠距離內的目標。到第二次世界大戰開始時，無線電檢測和量程(也稱為雷達)已經成為又一個盛行的 RF 應用。在很大程度上，由于軍事和通信領域的持續增長，RF技術創新在20世紀其余時間內都一直穩定加速增長，直到今天這種增長仍在繼續。為防止干擾、避免檢測及改善容量，現代雷達系統和商用通信網絡已經變得非常復雜，這兩種系統一般都采用全面組合的RF技術，如復雜的自適應調制、突發和跳頻。設計這些高級RF器件，并把它們成功地集成到工作系統中，是非常復雜的任務。同時，越來越廣泛的蜂窩技術和無線數據網絡的成功，導致了基本RF

5、元器件的成本大幅度下降。這使得傳統軍事和通信領域之外的制造商能夠把相對簡單的RF器件嵌入到各類商用產品中。RF發射機已經深入生活，幾乎在任何想得到的位置都可以發現它們的身影，如家中的消費電子，醫院中的醫療器械，工廠中的工控系統，甚至植入家畜、寵物和人體皮膚下的跟蹤設備。隨著RF信號在現代世界中變得無所不在，生成RF信號的器件之間的干擾問題也隨之增長。在需要牌照的頻譜中工作的移動電話等產品，在設計時必須不會把RF 能量發送到相鄰頻率信道中，對在不同傳輸模式之間切換、保持到不同網元的同步鏈路的復雜多標準設備來說，這一點尤其具有挑戰性。在沒有牌照的頻段中工作的比較簡單的器件，也必須設計成在存在干擾信

6、號時能夠正確運行，政府法規通常規定，這些器件只允許以低功率在短突發中傳輸信號。這些新的數字RF 技術需要結合使用計算機和RF，包括無線局域網、手機、數字電視、RFID、等等。這些技術與軟件定義的無線電(SDR)和認知無線電(CR)最新技術相結合，提供了新的發展道路，將從根本上改變頻譜分析方法，提高最稀缺的商品之一 RF頻譜的利用效率。為克服這些不斷演變的挑戰，當前工程師和科學家能夠可靠地檢測和檢定隨時間變化的 RF 信號非常關鍵，而使用傳統測量工具并不能簡便地實現這一點。為解決這些問題，泰克研制了實時頻譜分析儀(RSA)，這種儀器可以發現 RF 信號中的難檢效應，觸發這些效應，把它們無縫捕獲到

7、存儲器中，并在頻域、時域、調制域、統計域和碼域中分析這些效應。本文介紹了RSA的工作方式，您可以基本了解怎樣使用RSA，解決與捕獲和分析現代 RF信號有關的許多測量問題。4 RF測量挑戰鑒于檢定當前RF器件行為特點的挑戰，必需了解頻率、幅度和調制參數在短期和長期內的行為方式。在這些情況下，使用傳統工具如掃頻分析儀(SA)和矢量信號分析儀(VSA)可能會在頻域和調制域內提供信號概況，但其通常不能提供足夠的信息，讓用戶滿懷信心地描述器件生成的動態RF 信號?？紤]一下下面挑戰性的測量任務：發現罕見的短時間周期事件 查看較強的信號掩蓋的較弱信號 觀察噪聲掩蓋的信號 查找和分析瞬態信號和動態信號 捕獲突

8、發傳輸、毛刺、開關瞬態事件 檢定 PLL穩定時間、頻率漂移、微音擴大 捕獲擴頻信號和跳頻信號 監測頻譜使用情況，檢測游蕩傳輸 測試和診斷瞬態 EMI效應 檢定隨時間變化的調制方案 隔離軟件和硬件交互每種測量都涉及隨時間變化的RF信號，這些信號通常是不可預測的。為有效檢定這些信號的特點，工程師需要一種工具，這種工具要能夠發現難檢事件，有效觸發這些事件，把事件隔離到存儲器中，以便能夠在頻域、時域、調制域、統計域和碼域中分析信號行為。 5實時頻譜分析基礎知識入門手冊簡單考察儀器結構為了解 RSA的工作方式及理解其提供的測量價值，有必要先考察兩類其它的傳統RF信號分析儀：掃頻分析儀(SA)和矢量信號分

9、析儀(VSA)。掃頻分析儀掃描調試的超外差是幾十年前第一個使工程師能夠進行頻域測量的傳統結構。掃頻分析儀最初是使用純模擬器件構建的，之后一直隨著其服務的應用不斷發展。當前一代掃頻分析儀包括各種數字單元，如ADC、DSP和微處理器。但是，基本掃描方法在很大程度上保持不變，其最適合觀測受控的靜態信號。掃頻分析儀通過把關心的信號向下變頻，并掃描通過解析帶寬(RBW)濾波器的傳輸頻帶，來測量功率隨頻率變化。RBW濾波器后面跟有一個檢測器，檢測器計算選擇的頻寬內每個頻圖1-1.掃頻分析儀步進通過一系列頻段，通常會漏掉當前掃描頻段之外發生的重要瞬態事件，如右面突出顯示的棕褐色段Fb。率點的幅度。盡管這種方

10、法可以提供很高的動態范圍，但其缺點在于，它一次只能計算一個頻率點的幅度數據。這種方法基于這樣一個假設，即分析儀能夠完成多次掃描，而被測信號沒有明顯變化。結果，這種方法要求輸入信號相對穩定及不變。如果信號迅速變化，那么在統計上可能會漏掉變化。如圖1-1所示，掃描查看頻段 Fa，而在Fb(左圖)上發生了一個瞬時頻譜事件。在掃描到達頻段 Fb 時，事件已經消失，沒有檢測到事件(右圖)。掃頻分析儀結構沒有提供一種可靠的方式，發現這類瞬態信號的存在，因此調試許多現代 RF 信號要求非常長的時間和大量的工作。除漏掉瞬時信號外，現代通信和雷達中使用的脈沖信號的頻譜還可能會被錯誤地表示。如果不進行重復掃描，那

11、么掃頻分析儀結構不能表示脈沖占用的頻譜。另外還要特別注意掃描速率和解析帶寬。6 a,b,c：掃頻分析儀(a)、矢量信號分析儀(b)和實時頻譜分析儀(c)簡化的方框圖。a)掃頻分析儀(SA)輸入衰減器低通RF下變頻器解析帶寬濾波器包絡檢測器(SLVA)視頻帶寬濾波器顯示器YIG 預選器掃描發生器掃頻本振b)矢量信號分析儀(VSA)采集帶寬 捕獲后處理輸入衰減器低通RF下變頻器IF 濾波器數字濾波器顯示器帶通本振存儲器微處理器c)實時頻譜分析儀(RSA6000系列+選項 110)RF 下變頻器實時數字捕獲后輸入衰減器低通IF濾波器下變頻器和濾波器幅度/相位校正DDC/采樣存儲器顯示器帶通本振100

12、或300 Msps自由運行110 MHz采集帶寬實時IQ 輸出(選項 05)實時引擎顯示觸發分析微處理器實時帶寬 顯示處理實時信號處理基于 FFT 的現代分析儀 7實時頻譜分析基礎知識入門手冊圖1-2說明了典型的現代掃頻分析儀結構。盡管現代掃頻分析儀已經用數字信號處理(DSP)代替了模擬功能，但基礎結構和限制保持不變。矢量信號分析儀分析傳送信號的數字調制要求進行矢量測量，以同時提供幅度信息和相位信息。圖1-2b是簡化的VSA方框圖。VSA數字化儀器傳輸頻帶內部的所有RF功率，把數字化的波形放到存儲器中。存儲器中的波形同時包含幅度信息和相位信息，DSP可以使用這些信息進行解調、測量或顯示處理。在

13、VSA內部，ADC數字化寬帶IF信號，下變頻、濾波和檢測以數字方式完成。從時域到頻域的變換使用FFT算法完成。VSA測量調制參數，如FM偏差、碼域功率和誤差矢量幅度(EVM和星座圖)。它還提供其它顯示畫面，如信道功率、功率隨時間變化和頻譜圖。盡管VSA增加了在存儲器中存儲波形的功能，但其分析瞬態事件的能力有限。在典型的 VSA自由運行模式下，采集的信號必須存儲在存儲器中，然后才能進行處理。這種批處理的串行特點意味著儀器對采集之間發生的事件是看不見的。它不能可靠地發現單次事件或偶發事件?？梢允褂门及l事件觸發功能，在存儲器中隔離這些事件。遺憾的是，VSA的觸發功能有限。外部觸發要求事先了解有問題的

14、事件，這可能是不現實的。IF電平觸發要求總IF功率必須出現可度量的變化，而在存在大的信號或信號頻率變化、但幅度不變時，則不能隔離微弱的信號。而在當前的動態RF 環境中，經常會發生這兩種情況。實時頻譜分析儀“實時”一詞源于早期的物理系統數字仿真工作。如果其工作速度與被仿真的實際系統一致，那么我們就說數字系統仿真是實時工作的。實時分析信號意味著必須以足夠快的速度執行分析操作，以準確地處理關心的頻段中的所有信號成分。這一定義表明，我們必須：以足夠快的速度對輸入信號采樣，以滿足內奎斯特標準。這意味著采樣頻率必須超過關心的帶寬的兩倍。連續地足夠快地執行所有計算，以便分析輸出跟上輸入信號的變化。發現，觸發

15、，捕獲，分析實時頻譜分析儀(RSA)旨在解決與上一節中介紹的瞬時動態RF信號有關的測量挑戰。RSA使用實時數字信號處理(DSP)執行信號分析，DSP在存儲器存儲之前完成，而VSA結構則通常采用采集后處理。實時處理允許用戶發現其它結構看不到的事件，并觸發這些事件，可以選擇性把事件捕獲到存儲器中。然后可以使用批處理在多個域中全面分析存儲器內的數據。另外還可以使用實時DSP 引擎，執行信號調節、校準和某些類型的分析。8 DPX實時RF顯示，可以發現掃頻分析儀和VSA漏掉的事件 信號發生的持續性確定的DPX DensityTM測量和觸發 高級時間判定觸發，如欠幅脈沖觸發，通用在高性能示波器中提供 頻域

16、觸發，支持頻率模板觸發(FMT)觸發用戶指定帶寬，支持濾波功率觸發 實時解調，允許用戶“收聽”繁忙頻段中的特定信號 數字化數據的數字IQ流，允許不間斷地輸出信號，進行外部存儲和處理實時引擎不僅可以發現和觸發信號，還可以執行許多重復的信號處理任務，釋放基于軟件的寶貴資源。與VSA一樣，RSA可以使用DSP進行采集后分析。它可以在時間相關的多個域中執行測量，并可以同時顯示這些測量。 9實時頻譜分析基礎知識入門手冊圖 2-1.實時頻譜分析儀RF/IF方框圖。I 輸入Q輸入RF 輸入輸入切換校準開關LF/RF開關內部對準源 LF 或 IQ段(如有)LP 濾波器數字化基帶LF階躍衰減器ADC時鐘RF 階

17、躍衰減器像頻干擾抑制濾波器RF/uW 段混頻器第一個 IF第一個 LO最終本振LP濾波器混頻器實時帶寬數字化 IFADC 時鐘頻率轉換/IF段第 2 章：實時頻譜分析儀的工作方式本章提供了泰克實時頻譜分析儀(RSA)的多個主要采集結構圖和分析方框圖。為便于討論，其中省去了部分輔助功能?，F代實時頻譜分析儀可以采集分析儀輸入頻率范圍內任何地方的傳輸頻帶或頻寬。這一功能的核心是RF下變頻器，后面跟有一個寬帶中間頻率(IF)段。ADC數字化IF信號，系統以數字方式執行所有進一步的步驟。DSP算法執行所有信號調節和分析功能?？梢酝ㄟ^幾個關鍵特點區分實時結構是否成功：RF 信號調節，提供寬帶寬 IF路徑和

18、高動態范圍。使用帶通濾波器，而不是 YIG 預選濾波器，在每種產品的整個輸入頻率上同時實現無像頻干擾頻率轉換和寬帶測量。ADC系統能夠數字化整個實時帶寬，并具有足夠的保真度，支持所需的測量。實時數字信號處理(DSP)引擎，實現無空白處理。足夠的捕獲存儲器和 DSP 能力，在所需的時間測量周期上實現連續實時采集。集成信號分析系統，對被測信號提供多個分析視圖，并在時間上相關。RF/IF信號調節圖2-1是簡化的RSA RF/IF方框圖。帶有RSA頻率范圍內任何頻率內容的信號都被應用到輸入連接器上。一旦信號進入儀器，它們將根據用戶選擇的分析需求發送和調節。將應用可變衰減和增益。調諧使用多階段頻率轉換及

19、組合使用可調諧本振和固定本振(LO)實現。模擬濾波在各種IF頻率上完成。最后的IF使用模數轉換器數字化。所有進一步處理都使用DSP技術執行。某些RSA型號可以選配基帶模式，其中直接數字化輸入信號，而無需進行任何頻率轉換?；鶐盘柺褂玫腄SP采用的方法與 RF 信號采用的方法類似。10 DC 耦合 IQ 基帶路徑時提高了動態范圍和精度。RSA還包括內部對準源。這些對準源生成的信號帶有為 RSA 專門訂制的屬性(PRBS、校準的正弦曲線、調制參考、等等)，這些信號用于自行對準程序，校正系統參數溫度變化，如：增益 所有采集帶寬中的幅度平坦度 采集帶寬中的相位線性度 時間對準 觸發延遲校準自行對準流程

20、與采用外部設備在工廠或服務中心進行的校準相結合，構成了 RSA 所有關鍵測量指標的核心。RF 段和微波段RF/微波段包含著寬帶電路，調節輸入信號，以便其擁有適當的電平和頻率成分，實現最優下行處理。階躍衰減器階躍衰減器是由電阻衰減器連接盤和 RF/uW開關組成的器件，用來降低寬帶信號電平，降低幅度是編程確定的數量。1.它把輸入上的RF和微波信號電平降低到最優的處理電平。階躍衰減器還可以防止因吸收過多 RF 功率、導致非常高的信號而破壞輸入。2.它在儀器的整個頻率范圍中提供了寬帶阻抗匹配。這種阻抗匹配對保持RF信號測量精度至關重要。為此，大多數儀器指標適用于10 dB以上的輸入衰減條件。RSA 使

21、用的階躍衰減器因設計型號不同而不同。它們一般可以編程，以 5 dB 或 10 dB 步長衰減 0 dB到 50dB 以上。像頻干擾抑制濾波器與 YIG預先濾波器比較RSA 提供了無像頻干擾的頻率轉換功能，可以從輸入上的RF和微波信號轉換到最終IF。這通過把各種濾波器放在第一個混頻器前面實現。各種RSA 型號使用多階段混頻方案，采用寬帶濾波器，允許對整個采集帶寬進行無像頻干擾轉換，實現可重復的指定的幅度平坦度和相位線性度。RSA可以把輸入上的RF和微波信號以無像頻干擾的方式變頻到最終IF上。這通過在第一個混頻器前放置各種濾波器實現。多種 RSA型號采用多階段混頻方案，其中采用寬帶濾波器，以可重復

22、的、指定的幅度平坦度和相位線性度，對整個采集帶寬實現無像頻干擾轉換。在測量寬帶信號時，YIG 預選器濾波器引入了明顯失真。在測量此類信號時，如果必須實現準確測量(特別是相位測量)，那么必須繞開窄帶預選器。這些可調諧濾波器本身是窄帶濾波器。濾波通帶中有明顯的相位變化，在信號接近濾波器邊緣時，這種情況會進一步惡化。即使我們可以通過校準來校正這些變化，但調諧機制本身在一定程度上會抵消校準。調諧通過在YIG晶體上放置一個磁場來實現，在把這個磁場調諧到不同頻率，然后返回第一個頻率時，磁性結構中的磁滯效應會導致其不能返回第一次調諧變化前調諧的精確頻率。 11實時頻譜分析基礎知識入門手冊在每次調諧變化時，這

23、都會導致相位校準變化。如果這還不夠，那么掃描通過通帶時還會出現小的幅度和相位變化，因為調諧要掃描大的頻段。這些小的變化通常會隨著溫度一起變動。通常情況下，為避免失真和帶寬限制，采用諧波混頻結構實現掃頻和基于 FFT 的分析技術的頻譜分析儀必需繞過YIG 預選濾波器。圖 2-2 演示了無像頻干擾頻率轉換在微波頻率上掃頻操作過程中去掉預選器濾波器時可能發生的潛在問題。寬頻譜中可能會出現多個響應，屏蔽真正想要的關心的信號?；謴蚘IG預選濾波器可以消除這些響應。傳統頻譜分析儀不能在不使響應失真的情況下顯示寬帶信號和無像頻干擾頻率轉換信號。更重要的是，像頻干擾頻率的存在可能會把頻譜能量轉換到儀器的中間頻

24、率(IF)上。這種像頻干擾作為頻譜窗口，不僅允許一個轉換窗口，還會由于傳統頻譜分析儀采用的諧波混頻技術而打開多個窗口。前置放大器某些RSA型號包括可以選擇的前置放大器選項，在像頻干擾抑制濾波器前面，在信號路徑中增加增益。這種選項改善了RSA的噪聲系數，用來分析非常弱的信號。當然，在輸入上增加增益限制了可以分析的最大信號。把這個放大器切換出信號路徑，會把分析儀的范圍恢復到正常范圍。圖 2-2.(左)這是在去掉 YIG 預選濾波器時傳統頻譜分析儀微波頻率范圍內可以表示的典型的單個信號。(右)恢復預選濾波器，然后可以顯示單個信號。頻率轉換/IF段所有 RSA 型號都可以分析中心位于分析儀頻率范圍內任

25、何地方的很寬的頻段。這通過把關心的頻段轉抱成固定IF實現，然后進行濾波、放大和定標。然后數字化這個IF信號。然后使用實時和批處理，在關心的信號上執行多域分析。多階段頻率轉換頻率轉換段的目標是把所需頻段中的信號真實地轉換成適合模數轉換的IF。通過在多個轉換差頻結構中選擇本振(LO)頻率，可以實現調諧，如圖2-1(第9 頁)所示。每個頻率轉換階段都包含一個混頻器(模擬復用器)，后面是IF濾波和放大。IF頻率、濾波形狀、增益和電平的選擇視RSA型號而定，實際上在每種型號內部也會變化，這與儀器設置有關，以便從以下幾個方面優化性能：由于混頻器和濾波器不理想導致的雜散響應 動態范圍(可以無差錯地同時查看的

26、最小信號和最大信號)實時帶寬中的幅度平坦度 實時帶寬中的相位線性度 信號和觸發路徑之間的延遲匹配內部對準源對上面列出的部分特點，RSA實現的性能要遠遠超過模擬器件實現的性能。濾波響應、延遲和增益隨著溫度變化，對不同儀器會有所不同。RSA性能通過實際測量增益、濾波形狀和延遲及使用DSP補償測得的性能實現。寬帶 RF 元件的頻響和增益變化在出廠時使用校準后的設備測得，可以溯源國家計量學會，如NIST、NPL、PTB。這種設備還用來校準內部對準源，內部校準源提供針對12 使用的時間和地點的信號路徑條件調節的信號。RSA 使用兩種內部信號：使用異常準確、溫度穩定的正弦曲線信號，在參考頻率(一般是100

27、 MHz)上設置信號路徑增益。這個信號是內部RF電平參考。它在采集帶寬的中心設置RF功率測量精度。使用校準后的寬帶信號，測量實時采集帶寬中的幅度和相位響應。這個信號是內部信道響應參考。它提供信息，允許DSP補償采集帶寬中的幅度、相位和延遲變化。數字信號處理(DSP)概念本節包含泰克 RSA典型主要采集和分析模塊的多個結構圖。具體實現方案視型號及特定測量功能變化。為討論清楚起見，其中省略了部分輔助功能。圖2-3：實時頻譜分析儀數字信號處理方框圖。實時數字信號處理幅度/相位下變頻器實時IQ 輸出(選項)校正DDC/壓縮捕獲外部自由運行觸發濾波后的功率電平頻率模板采集后顯示分析軟件微處理器實時信號處

28、理固定緩沖器實時頻譜分析儀中的數字信號處理路徑泰克RSA結合使用模擬信號處理和數字信號處理(DSP)技術，把RF信號轉換成校準的時間相關多域測量。本節將介紹 RSA 信號處理流程的數字部分。圖2-3顯示了泰克RSA系列中使用的主要數字信號處理模塊。來自RF輸入的頻段被轉換成模擬IF信號，然后進行通帶濾波和數字化。然后對采樣的數據進行校正，校正信號路徑的幅度平坦度、相位線性度和其它不理想特點。某些校正實時進行，其它校正則在信號處理路徑較遠的下行方向進行。數字下變頻和壓縮過程把A/D樣點轉換成同相(I)和正交(Q)基帶信號流，如下一頁中的圖2-3所示。所需信號的這個 IQ 表示方式是所有RSA 表

29、示信號的基本形式。然后使用 DSP，執行所有進一步的信號調節和測量。RSA 同時使用實時 DSP和批處理模式 DSP。 13實時頻譜分析基礎知識入門手冊圖 2-4：實時頻譜分析儀中的IF到 IQ轉換。模擬 IF校正(如果使用)數字振蕩器壓縮濾波器壓縮 N倍數字下變頻器基帶時域數據的IQ表示壓縮 N倍IF 數字轉換器泰克RSA一般會數字化以中間頻率(IF)為中心的一個頻段。這個頻段是可以進行實時分析的最寬的頻率范圍。在高IF上進行數字轉換、而不是在DC或基帶上進行數字轉換，具有多種信號處理優勢(雜散性能、DC抑制、動態范圍等)。選擇的采樣率應使所需的IF帶寬落在內奎斯特區域內，如圖2-5所示。采

30、樣率必須至少是IF帶寬的兩倍。如果整個帶寬落在0與1/2、1 1/2、2 3/2的采樣頻率之間，那么可以實現采樣，而沒有人工信號。IF 濾波器的實際實現方式要求典型的采樣率至少是 IF帶寬的 2.5 倍。校正RSA 幅度平坦度、相位線性和電平精度等指標遠遠超過構成信號路徑模擬RF和IF信號調節部分的元件的性能。泰克RSA結合使用工廠校準和內部自行校準，補償信號路徑中的模擬元件變化(溫度、容限、老化等等)。出廠校準RSA 在輸入頻率范圍內的頻響在出廠時測量。采集帶寬中心的RF行為在某個溫度范圍內是可以預測的，在儀器老化時變化不大。在出廠測量后，RF響應存儲在校正表中，校正表裝在非易失性存儲器中。

31、內部對準采集帶寬中的響應受到構成IF處理路徑的混頻器、濾波器和放大器組成的影響。這些組件在RSA采集的寬帶寬上可能會有細顆粒的幅度和相位波紋。內部對準過程測量相對于中心頻率偏置的幅度和相位響應。對準在使用儀器的時間和地點完成，可以手動觸發或相對于溫度觸發。這個響應存儲在存儲器中。校正流程RSA校正過程把工廠中測量的RF響應與內部對準過程中測量的 IF 響應結合在一起，為一套校正濾波器生成FIR系數，補償輸入連接器和ADC之間整個路徑的幅度平坦度和相位響應。這些校正濾波器在實時數字硬件中實現，或在基于軟件的 DSP 中實現，具體視RSA 型號而定，并應用到數字化 IQ流中。數字下變頻器(DDC)

32、表示通帶信號常用的、計算效率高的方式是使用波形的復數基帶表示方式。RSA使用Cartesian復數形式，把時間采樣的數據表示為信號的I(同相)和Q(正交)基帶成分。這使用數字下變頻器(DDC)實現，如圖 2-3所示。14 和 Q仍保持傳輸頻帶信息。數字化 IF信號IF 信號一般來說，DDC 包含一個數字振蕩器，數字振蕩器在關心的中心頻段上生成正弦和余弦。正弦和余弦以數字方式乘以數字化IF，生成I和Q基帶樣點流，其中包含原始IF中包含的所有信息。DDC不僅用來把數字化IF信號轉換成基帶信號，還用來在RSA中實現頻率微調。IQ 基帶信號圖2-5顯示了獲得頻段、并使用正交下變頻把其轉換到基帶中的過程

33、。在1.5倍采樣頻率和采樣頻率之間的空間中包含著原始IF信號。采樣在零和1.5倍采樣頻率之間生成這個信號的像頻干擾。然后信號乘以關心的傳輸頻帶中心的相干正弦和余弦信號，生成I和Q基帶信號?；鶐盘柺菍崝抵?，在原點兩邊對稱。正負頻率中包含著同樣的信息。原始傳輸頻帶中包含的所有調制也包含在這兩個信號中。每個信號要求的最低采樣頻率現在是原始頻率的一半，然后可以兩兩壓縮。 15實時頻譜分析基礎知識入門手冊壓縮內奎斯特定理指出，對基帶信號，只需以等于關心的最高頻率兩倍的速率采樣。對通帶信號，采樣率至少是帶寬的兩倍。在所需的帶寬小于最大值時，可以降低采樣率。通過降低采樣率或壓縮，可以平衡頻寬、處理時間、記

34、錄長度和存儲器使用量。例如，泰克RSA6000系列在模數轉換器上使用100 MS/s采樣率，數字化40 MHz帶寬或頻寬。I和Q記錄DDC之后的結果，這個40 MHz頻寬濾波和壓縮的有效采樣率是原始采樣率的一半，即50 MS/s。樣點的總數沒有變化：我們得到兩個樣點集合，每個集合的有效采樣率是50 MS/s，而不是速率為100 MS/s的單集。對更窄的頻寬將進一步進行壓縮，導致對相同數量的樣點得到更長的時間記錄。降低有效采樣率的缺點是降低了時間分辨率，優點是在時間記錄一定時減少了計算工作，降低了存儲器使用量。壓縮濾波在壓縮時，必須也遵守內奎斯特要求。如果數據速率下降兩倍，那么數字信號的帶寬也必

35、須下降兩倍。在降低采樣率前，必須使用數字濾波器完成這一點，以防止出現假信號。泰克RSA使用多種壓縮等級。每種等級都包含一個數字濾波器，然后減少樣點數。壓縮和濾波的另一個優勢是在帶寬下降時噪聲下降，這種噪聲下降通常稱為處理增益。16 的頻譜分析輸入信號時間DFT引擎存儲器內容時間樣點同等濾波器群輸入信號時間N個帶通濾波器組成的群，這些濾波器的中心之間相距一個FFT 頻率帶寬復雜的包絡檢測*快速傅立葉變換(FFT)是離散傅立葉變換(DFT)的常見實現方式把時域波形轉換到頻域頻譜分析也稱為傅立葉分析，用來把一個輸入信號的各種頻率成分隔開。典型的頻譜分析儀顯示畫面繪制各個頻率成分相對于頻率的電平。曲線

36、開始頻率和結束頻率之差是頻寬。在執行重復離散傅立葉變換(DFT)時，如果其執行方式使得信號處理與輸入信號保持一致，那么我們把頻譜分析稱為實時頻譜分析，如圖2-6所示。在沒有嚴格滿足實時要求時，還可以使用重復傅立葉變換，發現、捕獲和分析頻域中的偶發瞬態事件。 17實時頻譜分析基礎知識入門手冊實時頻譜分析頻譜分析要想歸入實時類別中，必須沒有間隙地、不確定地處理關心的頻寬內包含的所有信息。RSA 必須獲得時域波形中包含的全部信息，把信息轉換成頻域信號。實時完成這一點必須滿足多個重要的信號處理要求：提供足夠的捕獲帶寬，支持分析關心的信號 足夠高的ADC時鐘速率，捕獲帶寬要超過內奎斯特標準 足夠長的分析

37、間隔，支持關心的最窄解析帶寬(RBW)足夠快的DFT變換速率，關心的RBW超過內奎斯特標準 DFT速率超過內奎斯特RBW標準，這要求重疊DFT幀 重疊程度取決于窗口函數 窗口函數取決于RBW對直到最大實時采集帶寬的頻寬，當前 RSA滿足了上面列出的頻率模板觸發(FMT)的實時要求。因此，觸發頻域事件會考慮選定采集帶寬中包含的所有信息。發現和捕獲瞬態事件快速重復傅立葉變換的另一個應用是發現、捕獲和觀察頻域中的偶發事件。一個實用指標是以100%概率捕獲單個不重復事件的最小事件周期。最小事件定義為在指定精度能夠以100%確定性捕獲的最窄矩形脈沖?？梢詸z測更窄的事件，但精度和概率可能會下降。發現、捕獲

38、和分析瞬態事件要求：提供足夠的捕獲帶寬，支持分析關心的信號 足夠高的 ADC時鐘速率，捕獲帶寬要超過內奎斯特標準 足夠長的分析間隔，支持關心的最窄解析帶寬(RBW)足夠快的DFT變換速率，關心的RBW超過內奎斯特標準RSA6000系列DPX頻譜模式每秒可以測量 292,000個頻譜，能夠以全部精度指標及100%概率檢測最短10.3ms的 RF 脈沖。掃頻分析儀(SA)每秒掃描50 次，要求脈沖長于20毫秒，才能以100%概率及全部精度檢測脈沖。18 與掃頻分析儀比較考慮一下上一頁描述的 RSA系統。關心的傳輸頻帶被下變頻到IF，然后數字化。時域樣點以數字方式轉換成基帶記錄，其中包括一系列I(同

39、相)樣點和Q(正交)樣點。在IQ記錄的各個段上順序執行DFT，生成占用頻率隨時間變化的數學表示，如圖2-6所示(第 16頁)。獲得等間隔順序 DFT 在數學運算上相當于使輸入信號通過一群通帶濾波器，然后在每個濾波器輸出上對幅度和相位采樣。頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜圖，如圖2-7所示，其中橫軸是頻率，豎軸是時間，幅度用顏色表示。實時DFT以計算新頻譜的速率高效地對全部進入信號采樣。在執行FFT的時間段之間發生的事件會丟失。RSA最小化或消除了“死區時間”，它執行基于硬件的DFT，通常以最快的采樣率在重疊的時間段上執行變換。相比之下，掃頻分析儀在任何給定時間會調諧成單個頻率。隨著掃描推進

40、，頻率會變化，形成圖2-7中所示的對角線。在掃描速度降慢時，直線的斜率會變陡，以便零頻寬中頻譜分析儀的函數能夠表示為一條豎線，表明隨著時間推移，儀器被調諧成單個頻率。圖2-7還顯示了掃描會怎樣漏掉瞬態事件，如圖中的單個跳頻。實時頻譜分析儀上的 RBW頻率分辨率是一個重要的頻譜分析儀指標。在我們試圖測量頻率相距很近的信號時，頻率分辨率決定著頻譜分析儀區分這些信號的能力。在傳統頻譜分析儀上，IF濾波器帶寬決定著解析相鄰信號的能力，也稱為解析帶寬(RBW)。例如，為解析幅度相等的、但頻率相距100 kHz的兩個信號，RBW 必需小于100 kHz。對基于DFT技術的頻譜分析儀，RWB與采集時間成反比

41、。在采樣頻率相同時，為實現更小的 RBW，要求更多的樣點。此外，窗口函數也影響著RBW。 19實時頻譜分析基礎知識入門手冊圖 2-8.采樣的時域信號的三個幀。幀 1 幀 2 幀 3圖2-9.單個幀中樣點的周期性擴展導致的不連續點。幀 1 幀 2 幀 3窗口函數在離散傅立葉變換(DFT)分析運算中，一個固有的假設是要處理的數據是單個周期定期重復的信號。圖2-7描述了一系列時域樣點。例如，在圖2-8中的幀2上應用DFT處理時，信號上會進行周期性擴展。在連續的幀之間一般會發生不連續點，如圖2-9 所示。這些人為的不連續點生成原始信號中不存在的雜散響應，這種效應會導致不準確地表示信號，稱為頻譜泄漏。頻

42、譜泄漏不僅會在輸出中生成輸入中不存在的信號，在附近存在大信號時，還會降低觀察小信號的能力。泰克實時頻譜分析儀應用窗口技術，降低頻譜泄漏的影響。在執行DFT前，DFT幀乘以窗口函數，樣點間的長度相同。窗口函數通常呈鐘形，減少或消除了DFT幀尾的不連續點。窗口函數的選擇取決于頻響特點，如旁瓣電平、等效噪聲帶寬和幅度誤差。窗口形狀還決定著有效 RBW 濾波器。與其它頻譜分析儀一樣，RSA允許用戶選擇RBW濾波器。RSA還允許用戶選擇多種常用的窗口類型。直接指定窗口形狀提高了靈活性，允許用戶優化特定測量。例如，應特別注意脈沖信號的頻譜分析。如果脈沖周期比窗口長度短，那么應使用均勻的窗口(沒有窗口函數)

43、，避免在DFT幀兩端產生去加重效應。如需與這一主題有關的進一步信息，請參閱泰克入門手冊“了解實時頻譜分析儀的 FFT重疊處理技術”。20 2-11.Kaiser窗口(beta 16.7)的頻譜。橫軸標度單位是頻率二元組(Fs/N)，豎軸標度是dB。圖2-10.時域中的Kaiser 窗口(beta 16.7)(橫軸是時間樣點，豎軸是線性標度)。窗口函數的頻響幅度決定著 R B W 形狀。例如，RSA6000上的RWB定義為3 dB帶寬，與DFT中采樣頻率和樣點數量的關系如下：或其中k是與窗口有關的系數，N是DFT計算中使用的時域樣點數量，Fs是采樣頻率。對beta1=16.7的Kaiser窗口，

44、k約為2.23。RBW形狀系數定義為60 dB和3 dB的頻譜幅度之間的頻率比，約為4:1。在RSA6000上，頻譜分析測量使用公式2，根據輸入頻寬和RBW設置，計算 DFT要求的樣點數量。圖2-10和圖2-11顯示了RSA6000分析使用的Kaiser窗口的時域和頻譜。這是RSA6000在頻譜分析中使用的默認窗口。用戶可以選擇其它窗口(如 Blackman-Harris,Uniform,Hanning)，滿足專門的測量要求，在執行儀器中提供的部分測量時，也可以使用其它窗口。實時頻譜分析儀中的離散傅立葉變換(DFT)DFT 定義如下：這是實時頻譜分析儀的基礎，用來從輸入序列x(n)中估算各個頻

45、率成分x(k)。DFT基于模塊，N是每個DFT模塊(或幀)的樣點數。輸入序列 x(n)是輸入信號 x(t)的采樣版本。盡管只為n的整數值定義輸入序列，但輸出是k的連續函數，其中k=(N)/(2)，是弧度頻率。Xk的幅度表示x(n)輸入序列中存在的頻率上頻率成分的幅度。有許多高效的DFT計算方法，如快速傅立葉變換(FFT)和Chirp-Z變換(CZT)。實現方法的選擇取決于應用的特定需求。例如，CZT在選擇頻率范圍和輸出點數方面要比FFT靈活。FFT的靈活性較差，但要求的計算較少。RSA 中同時使用CZT 和 FFT。參考資料1 Oppenheim,A.V.和 R.W Schafer,離散時間信

46、號處理,Prentice-Hall,1989,p.453。 21實時頻譜分析基礎知識入門手冊CZT:開始頻率=2.5 Hz;結束頻率=7.4 Hz圖 2-12.輸入信號。輸入信號:頻率=4.7222 Hz;采樣頻率=20 Hz幅度樣點數(n)圖2-13.連續求解x(n)的DFT。幅度頻率(Hz)圖 2-14.x(n)的 FFT，FFT的長度=N=x(n)的長度。幅度頻率(Hz)圖2-15.x(n)的CZT。幅度頻率(Hz)解析頻率成分的能力不僅依賴于特定的DFT實現方案，還取決于輸入序列的時間長度或 RBW。為說明DFT與FFT及CZT的關系，我們將分析一個采樣的連續波(CW)信號。為清楚起見

47、，我們將使用實數值的正弦波 x(t)作為輸入信號(圖 2-12)。x(t)的采樣版本是 x(n)。在這種情況下，N=16，采樣率是 20 Hz。圖2-13顯示了對0 k (f 10 Hz)，Xk的幅度是上半部分的鏡像。這是實數值輸入序列x(n)的結果。在實踐中，在分析實際輸入信號時，會丟掉(或不計算)2 的結果。對復數輸入，對0 2 (0 f 292,000的頻譜更新速率，明確顯示這些事件的存在。通過結合使用實時頻譜分析儀上獨特的頻率模板觸發和外部觸發輸出，可以簡化隔離、檢定、測量及關聯到根本原因的過程。EMI/EMC在電磁兼容性(EMC)領域，設計、質檢和試運行等不同階段使用不同的設備和技術

48、。盡管有行業監管、國家監管及國際一致性測試要求，但許多靈敏的電子器件需要的不僅僅是一致性測試，以保證功能正常。必須了解低電平噪聲的性能影響、內部脈沖噪聲靈敏性以及時鐘和鎖相環的穩定性，以保證器件功能正常和RF 制造完整性。如果沒有泰克實時頻譜分析儀獨特的洞察力和信心，工程師很難發現、觸發、捕獲和分析這些難檢事件。50 章 術語表詞匯表Acquisition(采集)整數個時間連續的幀；一個碼組。Acquisition Time(采集時間)一次采集表示的時間長度，與碼組長度相同。Amplitude(幅度)-電信號的幅度。Amplitude Modulation(AM)(幅度調制(AM)-正弦波(載

49、波)的幅度根據第二個電信號(調制信號)的瞬時電壓變化的過程。Analysis Time(分析時間)-一個碼組中時間連續的樣點的子集，作為分析視圖的輸入使用。Analysis View(分析視圖)-用來顯示實時測量結果的靈活的窗口。Carrier(載波)-調制所在的RF 信號。Carrier Frequency(載頻)-載波信號的 CW 部分的頻率。Center Frequency(中心頻率)-與分析儀顯示的頻寬中心對應的頻率。CZT-Chirp-Z transform(CZT-線性調頻-Z變換)-一種高效的計算方法，用來計算離散傅立葉變換(DFT)。例如，CZT 可以比傳統 FFT 更靈活地選

50、擇輸出頻率點數，但會增加計算量。Codegram(碼域圖)-碼通道、時間和功率顯示圖，其中CDMA碼通道為X軸，時間為Y軸。功率用顏色表示。CW Signal(CW 信號)-連續波信號-正弦波。dBfs-用參考全標的dB表示功率電平的單位。根據上下文內容，這可以是顯示屏幕的全標，也可以是 ADC的全標。dBm-用參考 1 毫瓦的dB 表示功率電平的單位。dBmV-用參考1 毫瓦的 dB表示電壓電平的單位。Decibel(dB)(分貝(dB)-一個電功率與另一個電功率之比的對數的 10倍。DFT-Discrete Fourier transform(DFT離散傅立葉變換)-計算采樣的時域信號的一

51、種數學運算過程。Display Line(顯示線)-波形顯示上的橫線或豎線，作為參考線目視(自動)比較給定電平、時間或頻率。Distortion(失真)-信號劣化，通常是非線性操作的結果，導致了不想要的頻率成分。諧波和互調失真是常見的失真類型。DPX-Digital Phosphor analysis(DPX-數字熒光分析)-一種信號分析和壓縮方法，允許實時查看隨時間變化的信號，可以發現罕見的瞬態事件。DPX Spectrum(DPX頻譜)-頻譜分析中應用的DPX技術。DPX頻譜提供了實時RF視圖，可以觀察頻域瞬態信號。Dynami Range(動態范圍)-在輸入上同時存在的、可以以規定精度測

52、量的兩個信號電平的最大比率。FFT-Fast Fourier Transform(FFT-快速傅立葉變換)-一種高效的計算方法，用來計算離散傅立葉變換(DFT)。常見的FFT算法要求輸入樣點數和輸出樣點數相等及 2 的冪(2,4,8,16,)。Frequency(頻率)-信號振蕩的速率，用赫茲或每秒周期數表示。Frequency Domain View(頻域圖)-與頻率對應的信號頻譜成分的功率；信號的頻譜。Frequency Drift(頻率漂移)-在其它條件保持不變時顯示的頻率在規定的時間內的逐漸位移或變化，用每秒赫茲表示。Frequency Mask Trigger(頻率模板觸發)-基于頻

53、域中發生的特定事件的靈活的實時觸發功能。觸發參數由圖形模板定義。Frequency Modulation(FM)(頻率調制(FM)-電信號(載波)的頻率根據第二個電信號(調制信號)的瞬時電壓變化的過程。Frequency Range(頻率范圍)-器件工作的頻率范圍，具有上限和下限。Frequency Span(頻寬)-在兩個頻率極限之間擴展的連續的頻率范圍。Marker(標記)-波形軌跡上的可視識別點，用來提取該點表示的域和范圍值讀數。Modulate(調制)-改變信號特點，一般是為了傳輸信息。Noise(噪聲)-疊加在信號上的不想要的隨機干擾，其一般會使信號變得模糊。Noise Floor(

54、噪底)-系統固有的噪聲電平，代表著可以觀察輸入信號的最低限；最終受到熱噪聲(kTB)的限制。 51實時頻譜分析基礎知識入門手冊Noise Bandwidth(NBW)(噪聲帶寬(NBW)-用來計算絕對功率(單位為 dBm/Hz)的濾波器的具體帶寬。Probability of Intercept(偵聽概率)-在規定參數范圍內可以檢測到信號的概率。Real-Time Bandwidth(實時帶寬)-可以進行實時無縫捕獲的頻寬，其與實時頻譜分析儀的數字轉換器和IF帶寬相對應。Real-Time Seamless Capture(實時無縫捕獲)-采集和存儲不間斷的一系列時域樣點的能力，這些樣點代表著

55、 RF 信號在長時間內的行為特點。Real-Time Spectrum Analysis(實時頻譜分析)-基于離散傅立葉變換(DFT)的一種頻譜分析技術，能夠連續分析關心的帶寬，而沒有時間空白。實時頻譜分析可以以100%的概率顯示和觸發指定頻寬、解析帶寬和時間參數內的瞬態信號波動。Real-Time Spectrum Analyzer(實時頻譜分析儀)一種儀器，其能夠測量RF信號中的難檢RF事件，觸發這些事件，把事件無縫捕獲到存儲器中，然后在頻域、時域和調制域中分析這些事件。Reference Level(參考電平)-分析儀顯示屏最上方的格線表示的信號電平。Resolution Bandwid

56、th(RBW)(解析帶寬(RBW)-頻譜分析儀的IF階段中最窄的濾波器的寬度。RBW決定著分析儀分辨間隔近的信號成分的能力。Sensitivity(靈敏度)-衡量頻譜分析儀顯示最小信號的能力，通常用顯示的平均噪聲電平(DANL)表示。Spectrogram(頻譜圖)-頻率隨時間和幅度變化畫面，其中頻率用X軸表示，時間用Y軸表示，功率用顏色表示。Spectrum(頻譜)-信號的頻域表示，顯示了頻譜成分隨頻率變化的功率分布。Spectrum Analysis(頻譜分析)-確定 RF 信號頻率成分的測量技術。Vector Signal Analysis(矢量信號分析)-檢定RF信號調制特點的測量技術

57、。矢量分析同時考慮幅度和相位。參考縮略語ACP：鄰道功率ADC：模數轉換器AM：幅度調制BH4B：Blackman-Harris 4B窗口BW：帶寬CCDF：互補累計分布函數CDMA：碼分多址CW：連續波dB：分貝dBfs:dB 全標DDC：數字下變頻器DFT：離散傅立葉變換DPX：數字熒光顯示，頻譜，等等DSP：數字信號處理EVM：誤差矢量幅度FFT：快速傅立葉變換FM：頻率調制FSK：頻移鍵控IF：中間頻率IQ：同相正交LO：本振NBW：噪聲帶寬OFDM：正交頻分復用PAR：峰值均值功率比PM：相位調制POI：偵聽概率PRBS：偽隨機二進制序列PSK：相移鍵控QAM：正交幅度調制RBW：解

58、析帶寬RF：射頻RMS：均方根RSA：實時頻譜分析儀SA：頻譜分析儀VSA：矢量信號分析儀52 2009,泰克公司。泰克公司保留所有權利。泰克公司的產品受美國和國外專利權保護，包括已發布和尚未發布的產品。以往出版的相關資料信息由本出版物的信息代替。泰克公司保留更改產品規格和定價的權利。TEKTRONIX 和TEK 是泰克有限公司的注冊商標。所有其他相關商標名稱是各自公司的服務商標或注冊商標。08/09 EA/WWW 37C-17249-4更多信息泰克公司備有內容豐富的各種應用手冊、技術介紹和其他資料，并不斷予以充實，以幫助那些從事前沿技術研究的工程師們。請訪問：上海市浦東新區川橋路1227號郵

59、編：201206電話：(86 21)5031 2000傳真：(86 21)5899 3156泰克上海辦事處上海市徐匯區宜山路900號科技大樓C樓7樓郵編：200233電話：(86 21)3397 0800傳真：(86 21)6289 7267泰克深圳辦事處深圳市福田區南園路68號上步大廈21層G/H/I/J室郵編：518031電話：(86 755)8246 0909傳真：(86 755)8246 1539泰克西安辦事處西安市二環南路西段88號老三屆世紀星大廈20層K座郵編：710065電話：(86 29)8723 1794傳真：(86 29)8721 8549泰克成都辦事處成都市錦江區三色路38號博瑞創意成都B座1604郵編：610063電話：(86 28)6530 4900傳真：(86 28)8527 0053泰克科技(中國)有限公司泰克武漢辦事處武漢市解放大道686號世貿廣場1806室郵編：430022電話：(86 27)8781 2760/2831泰克北京辦事處北京市海淀區花園路4號通恒大廈1樓101室郵編：100088電話：(86 10)5795 0700傳真：(86 10)6235 1236泰克香港辦事處香港九龍尖沙咀彌敦道132號美麗華大廈808-809室電話：(852)2585 6688傳真：(852)2598 6260