讓頻譜分析更高效,澄清RSA使用中的一些誤解

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從事射頻應用的研究人員、工程師和技術人員通常都能充分理解頻譜分析儀的用途和優點，無論是傳統的掃頻分析儀 (TSA) 還是更現代的矢量信號分析儀 (VSA)。他們熟練掌握這些重要射頻儀器的關鍵規范和工作原理。然而，在涉及如實時頻譜分析儀（RSA 或 RTSA）這類稍有不同的儀器時，他們就有些生疏了。由于對 RSA 的功能和測量能力缺乏了解，用戶有時會未能意識到 RSA 作為其射頻工具集中一個關鍵工具所具有的優勢。泰克公司在設計、制造和部署 RSA 方面擁有多年的豐富經驗，我們希望澄清 RSA 使用上的一些誤解，甚至是流言。 

誤解1：現代所有基于FFT的分析儀都是實時頻譜分析儀。

現代頻譜分析儀采用基于 FFT 的頻譜分析方法，將快速采樣的時域信號轉換為頻域頻譜。這些分析儀以超高速率對信號進行采樣并通過 FFT 對數據進行轉換來獲得輸入信號各個分量的幅值和頻率。盡管基于 FFT 的現代頻譜分析儀具有高頻分辨率，可以測量寬動態范圍內的信號，但它們可能無法檢測到儀器采樣間隔之間發生的事件。 

因此，要實時分析信號，就意味著實時頻譜分析儀必須具備以下特點：

●   輸入信號的采樣頻率必須足夠快，以滿足奈奎斯特準則。也就是說，采樣頻率必須超過信號帶寬的兩倍。

●   所有計算的執行必須連續且足夠快，以確保分析的輸出跟上輸入信號在短采樣間隔內的變化。

●   支持足夠長的分析間隔，以滿足最窄分辨帶寬 (RBW) 的需求。

●   此外，快速傅里葉變換的速度必須非常快，確保不遺漏任何信號變化。

泰克公司在其實時頻譜分析儀中采用了一種獨特架構，以克服現代 VSA 的測量限制，有效解決了與瞬態和動態射頻信號相關的問題。泰克公司的 RSA 在數據存儲前使用實時數字信號處理 (DSP) 進行信號分析，而非像 VSA 架構中那樣在數據采集后再進行處理。這種實時處理方式可讓用戶發現其它架構無法察覺的事件。同時，它支持在這些事件發生時觸發，能夠將這些事件選擇性地捕獲到存儲器中。圖 1 展示了泰克公司的 RSA 如何在較短的間隔內采集并處理更多 FFT，以跟上非常快速的信號變化。

圖1 描繪了基于FFT的VSA與RSA之間差別的示意圖

誤解2：RSA的特別之處只有頻譜圖或射頻瀑布圖

RSA 非常擅長生成RF頻譜隨時間變化的可視化圖譜（即頻譜圖）。利用這些二維圖，用戶可以輕松觀察特定測量間隔內頻譜的變化。如圖 2 中的藍色頻譜圖所示，每個音調的頻率隨時間變化，而其幅值傾向于保持不變。

圖2 多音信號的頻譜和頻譜圖

但是，泰克公司的 RSA 可以在時域和頻域中生成更多類型的測量結果和可視化圖譜，為用戶提供有關所采集信號的性質和特征的附加信息，甚至是 VSA 通常會錯過的極快速瞬態信號。

DPX? 頻譜軌跡是用于呈現快速變化的射頻信號，或瞬態射頻信號的最有用的工具之一。泰克公司的 DPX 專利技術使用硬件 DSP 處理并將樣本轉化為像素信息，以創建全動態實時射頻頻譜。它具有顏色分級功能，允許用戶查看頻率相同，但時間或功率有差別的不同信號。

圖3 比較了120 秒后的掃頻采集MaxHold軌跡，與20秒后的DPX MaxHold軌跡

頻譜分析儀主要是頻域儀器，但在許多測量中，它可用于觀察時域中的頻譜特征，或根據時間的變化來確定進行頻譜測量的時機。

可對射頻信號進行的測量有多種，包括將時間作為參數的測量，例如：

●   頻率和相位與時間的關系

●   幅值或功率與時間的關系

●   I和Q與時間的關系

●   調制參數與時間的關系（頻率偏差、相位誤差、幅值誤差、誤差矢量幅值）

●   頻率與相位穩定性的關系

通過檢查頻率測量隨時間變化的關系，工程師可以快速診斷發射器的關鍵問題。調制通常會隨著時間的變化改變頻率、幅值或相位等參數，觀察這些參數的時間圖可以了解系統的行為。

對于脈沖測量，時域和頻域之間存在關聯，使用戶可以對單個脈沖進行詳細的分析，并獲得對數百萬個后續脈沖的統計和趨勢分析。圖 4 說明了泰克軟件能夠測量單個脈沖和大量脈沖的特性。

圖4 SignalVu-PC軟件在Tek RSA上運行，用于分析單個脈沖、脈沖之間的測量以及數千個脈沖的統計結果

誤解3：RSA 的觸發能力和VSA 不相上下

與 VSA 類似，泰克公司的 RTSA 提供多種內部和外部觸發方法，包括外部電壓上升沿和內部 IQ 電源觸發。然而，與傳統 VSA 不同的是，DPX 技術還可為時變信號提供新的分析和觸發方法：

●   頻率模板觸發：RSA 將頻譜形狀與用戶定義的模板進行比較，在指定的頻譜形狀變化時觸發儀器（圖 5）。RSA 可以在頻率上升或下降時觸發，類似于時域電平觸發的工作方式。借助這種強大的技術，即使存在電平較高的其他信號，Tek RSA 也能可靠地檢測到遠低于儀器滿量程的信號。這種在存在強信號的情況下觸發弱信號的能力，對于檢測間歇信號、互調產物的存在、瞬態頻譜遏制違規以及其他頻率效應至關重要。

圖5 瞬態信號突破頻率模板邊界的觸發事件

●   DPX 密度觸發器：由于 DPX 頻譜是頻率和幅值的二維數組，因此用戶可以定義一個具有頻率上下限和幅值上下限的方框（圖 6）。當該方框中的信號密度超過指定閾值時，儀器就會被觸發。例如，此功能使用戶只在信號出現的頻率超過預期時才會記錄，從而幫助他們區分瞬態雜散和更持久的系統雜散。

圖6 設置DPX密度觸發方框的頻率和幅值

●   時間限定觸發器：RSA 查看射頻脈沖的寬度，并根據其持續時間進行觸發，這使其成為快速動態射頻脈沖環境下的理想選擇。

結論

我們澄清了關于矢量信號分析儀和實時頻譜分析儀之間差異的三個主要誤解。我們首先指出，泰克公司的 RSA可以連續且快速地處理 FFT 記錄，以跟上輸入信號的快速變化。我們還會回顧了泰克公司的 RSA 不僅能夠生成頻譜圖，還能在時域和頻率內生成各種測量結果和可視化圖像。接著，我們介紹了 DPX 技術為時變信號提供的新分析和觸發方法。在重新認識泰克公司 RSA 的功能和測量能力后，現在您可以將它們納入您的射頻工具集中，并充分利用其強大的時間和頻率分析能力。