淺析實(shí)時(shí)頻譜測試技術(shù)原理及應用

前言

19世紀60年代,James Maxwell 通過(guò)計算推斷出存在著(zhù)能夠通過(guò)真空傳輸能量的電磁波。此后工程師和科學(xué)家們一直在尋求創(chuàng )新方法利用無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。接下來(lái),隨著(zhù)軍事和通信領(lǐng)域技術(shù)的深入發(fā)展，20世紀無(wú)線(xiàn)電技術(shù)一直在不斷創(chuàng )新，技術(shù)的演進(jìn)也推動(dòng)著(zhù)RF測試技術(shù)向前發(fā)展(見(jiàn)圖1)。從軍用的跳頻電臺、雷達到RFID，第三代移動(dòng)通信、藍牙、WLAN，各種微功率發(fā)射裝置等，瞬態(tài)信號如今無(wú)處不在。瞬態(tài)信號存在的普遍性使得技術(shù)人員需要有效的儀器對其進(jìn)行捕獲、存儲并回放分析。另外，監測間歇性干擾或頻譜使用情況等也需要一種有效的手段來(lái)實(shí)現“寬帶實(shí)時(shí)監測”。

早在20世紀70、80年代，已經(jīng)有部分儀表供應商采用FFT方式(基于快速傅立葉變換的分析方式)實(shí)現了實(shí)時(shí)頻譜分析功能。但是由于受限于半導體工藝水平，ADC的采樣率無(wú)法實(shí)現高位數，因此當時(shí)的FFT頻譜分析儀的頻率范圍均在幾十兆赫茲或幾百兆赫茲，這就大大限制了這種儀表的應用范圍(一般主要應用在音頻、振動(dòng)相關(guān)的測試領(lǐng)域)。

實(shí)時(shí)頻譜測試的原理

1.1 FFT的基本原理

FFT方法是通過(guò)傅里葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量，達到與傳統頻譜分析儀同樣的效果。它采用數字方法直接由模擬/數字轉換器(ADC)對輸入信號取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖(見(jiàn)圖2)。

圖2 FFT方式進(jìn)行頻譜分析的原理

離散傅立葉變換X(k)可看成是z變換在單位圓上的等距離采樣值，同樣，X(k)也可看作是序列傅氏變換X(ejω)的采樣，采樣間隔為ωN=2π/N。因此，離散傅立葉變換實(shí)質(zhì)上是其頻譜的離散頻域采樣，對頻率具有選擇性(ωk=2πk/N)，在這些點(diǎn)上反映了信號的頻譜。

根據采樣定律，一個(gè)頻帶有限的信號可以對它進(jìn)行時(shí)域采樣而不丟失任何信息，FFT變換則說(shuō)明對時(shí)間有限的信號(有限長(cháng)序列)也可以進(jìn)行頻域采樣，而不丟失任何信息。所以只要時(shí)間序列足夠長(cháng)、采樣足夠密，頻域采樣就可較好地反映信號的頻譜趨勢，所以FFT可以用以進(jìn)行信號的頻譜分析。

FFT原理的頻譜分析儀為獲得良好的線(xiàn)性度和高分辨率，對信號進(jìn)行數據采集時(shí) ADC的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍，亦即頻率上限是100 MHz的實(shí)時(shí)頻譜分析儀需要ADC有200 mS/S的取樣率。

FFT的性能用取樣點(diǎn)數和取樣率來(lái)表征,例如用100 kS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點(diǎn)，則最高輸入頻率是50 kHz，分辨率是50Hz。如果取樣點(diǎn)數為2048點(diǎn)，則分辨率提高到25Hz。由此可知，最高輸入頻率取決于取樣率，分辨率取決于取樣點(diǎn)數。FFT運算時(shí)間與取樣點(diǎn)數成對數關(guān)系。FFT頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時(shí),要選用高速的FFT硬件，或者相應的數字信號處理器(DSP)芯片。

從原理上說(shuō)，由于FFT分析方式中沒(méi)有超外差頻譜分析儀的掃描過(guò)程，是將下變頻的射頻信號一次性通過(guò)一定帶寬的中頻濾波器，這個(gè)頻帶內對信號的分析是完全并行、實(shí)時(shí)處理的。因此在這個(gè)意義上它可以看做是一種在一定帶寬下的“實(shí)時(shí)”頻譜分析儀。另外，FFT分析方式是數字化的處理方法，它可以在模/數變換后用軟件實(shí)現很多模擬掃頻儀無(wú)法實(shí)現的測試功能，如靈活的觸發(fā)方式、對存儲的頻譜信息進(jìn)行詳細的回放分析等。

傅立葉變換可把輸入信號分解成分立的頻率分量，同樣它也可起著(zhù)類(lèi)似濾波器的作用，借助快速傅立葉變換電路代替低通濾波器，使頻譜分析儀的構成簡(jiǎn)化、分辨率增高、一定跨度內測量時(shí)間縮短，這些都是現代FFT頻譜分析儀的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 泰克公司實(shí)時(shí)頻譜分析儀原理

泰克公司在傳統FFT分析儀的基礎上增強了ADC的采樣位數和DSP的處理能力，開(kāi)發(fā)出了第三代RF測試工具——實(shí)時(shí)頻譜分析儀(見(jiàn)圖3)。與傳統FFT分析儀相比，實(shí)時(shí)頻譜分析儀在諸如頻率范圍、射頻指標、捕獲帶寬、分析功能等方面都有了質(zhì)的提高。其測試頻率范圍可達到14GHz，實(shí)時(shí)測試帶寬最大110 MHz，且具有全功能的通用及標準數字調制的測試能力。另外，它的射頻指標如動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度等也可以和高端的掃描頻譜儀相媲美。

圖3 實(shí)時(shí)頻譜分析儀原理

1.2.1 樣點(diǎn)、幀和塊

實(shí)時(shí)頻譜分析儀進(jìn)行的測量使用數字信號處理(DSP)技術(shù)實(shí)現。為了解如何在時(shí)域、頻域和調制域中分析射頻信號，首先需要考察儀器怎樣采集和存儲信號。在A(yíng)DC數字化轉換信號之后，信號使用時(shí)域數據表示，然后可以使用DSP計算所有頻率和調制參數。

在RTSA使用實(shí)時(shí)采集無(wú)縫捕獲信號時(shí)，三個(gè)條件(樣點(diǎn)、幀和塊)描述了存儲的數據層級。圖4是樣點(diǎn)、幀、塊結構。

圖4 樣點(diǎn)、幀、塊結構

數據層級的最底層是樣點(diǎn)，它代表著(zhù)離散的時(shí)域數據點(diǎn)。這種結構在其它數字取樣應用中也很常見(jiàn)，如實(shí)時(shí)示波器和基于PC的數字轉換器。決定相鄰樣點(diǎn)之間時(shí)間間隔的有效取樣速率取決于選擇的跨度。在實(shí)時(shí)頻譜分析儀中，每個(gè)樣點(diǎn)作為包含幅度和相位信息的I/Q對存儲在內存中。

上一層是幀，幀由整數個(gè)連續樣點(diǎn)組成，是可以應用快速傅立葉變換(FFT)把時(shí)域數據轉換到頻域中的基本單位。在這一過(guò)程中，每個(gè)幀產(chǎn)生一個(gè)頻域頻譜。

采集層級的最高層是塊，它由不同時(shí)間內無(wú)縫捕獲的許多相鄰幀組成。塊長(cháng)度(也稱(chēng)為采集長(cháng)度)是一個(gè)連續采集表示的總時(shí)間。

在實(shí)時(shí)頻譜儀實(shí)時(shí)測量模式下，它無(wú)縫捕獲每個(gè)塊并存儲在內存中。然后它使用DSP技術(shù)進(jìn)行后期處理，分析信號的頻率、時(shí)間和調制特點(diǎn)。

圖5是塊采集模式，可以實(shí)現實(shí)時(shí)無(wú)縫捕獲。對塊內部的所有幀，每個(gè)采集在時(shí)間上都是無(wú)縫的。在一個(gè)采集塊中的信號處理完成后，將開(kāi)始采集下一個(gè)塊。塊存儲在內存中，可以應用任何實(shí)時(shí)測量。例如，實(shí)時(shí)頻譜模式下捕獲的信號可以在解調模式和時(shí)間模式下分析。

圖5 實(shí)時(shí)頻譜儀采集模式