實(shí)時(shí)頻譜分析儀基礎

圖4重疊存儲

3.RBW、窗口函數和FFT處理
頻率分辨率RBW是一個(gè)重要的頻譜分析儀指標。對于實(shí)時(shí)頻譜分析儀，RBW與采集時(shí)間成反比。在采樣率相同時(shí)，為實(shí)現更小的RBW，要求更多的樣點(diǎn)。窗口函數也會(huì )影響RBW。

執行離散FFT即DFT分析運算時(shí)，如果不加窗口函數，會(huì )引發(fā)頻譜泄漏。頻譜泄漏不僅會(huì )在輸出中出現不存在的信號，在附近存在大信號時(shí)，還會(huì )降低觀(guān)察小信號的能力。所以在執行DFT時(shí)，DFT幀乘以窗口函數，樣點(diǎn)間的長(cháng)度相同，減少或消除DFT幀尾的不連續點(diǎn)。窗口函數的選擇取決于頻響特點(diǎn)，如旁瓣電平、等效噪聲帶寬和幅度誤差。窗口形狀還決定著(zhù)RBW形狀。RBW帶寬定義為-3dB帶寬，與DFT中采樣頻率和樣點(diǎn)數量的關(guān)系如下：

RBW=K*Fs/N

K是與窗口有關(guān)的系數，對于Kaiser窗口，K約為2.23。N是DFT計算中使用的時(shí)間域樣點(diǎn)數，Fs是采樣頻率。

RBW形狀系數定義為-60dB和-3dB頻譜幅度之間的頻率比，對于Kaiser窗口，約為4:1。

窗口長(cháng)度可選1024,512,256,128,64，或32個(gè)點(diǎn)，以提供可變的RBW帶寬。時(shí)域窗口越短，RBW越寬。短的窗口和不足的重疊存儲可能會(huì )產(chǎn)生非實(shí)時(shí)的Gap。

FFT引擎使用Xilinx公司的FFT IP處理核，這個(gè)處理核可以連續運行在300MHz，每秒做292,968.75次FFT運算，也可作CZT（Chirp-Z）變換。CZT與FFT變換類(lèi)似，但是可以返回帶有任意開(kāi)始頻率和結束頻率的M個(gè)頻率樣點(diǎn)，而不會(huì )改變DFT的頻域輸出（只會(huì )提取與FFT不同的一套頻域樣點(diǎn)）。

4.密度統計存儲

這是實(shí)時(shí)頻譜分析儀實(shí)時(shí)顯示處理的關(guān)鍵點(diǎn)。首先，必須使用兩個(gè)緩存，當數據寫(xiě)入一個(gè)緩存時(shí)，同時(shí)讀出另一個(gè)緩存數據。當寫(xiě)操作時(shí)，每次接入都是“read-modify-write”過(guò)程，以增加一個(gè)空間；當讀操作時(shí)，每次接入都是“read-modify-write”過(guò)程，以清除緩存。

為了達到255MHz帶寬和300MSa/s采樣率，必須保留來(lái)自FFT運算的1024個(gè)頻率點(diǎn)中間的871個(gè)點(diǎn)。對于871個(gè)頻率點(diǎn)，需要足夠的存儲空間存儲每個(gè)頻率點(diǎn)的225個(gè)垂直電平，以達到每個(gè)電平0.045dB精度，確保100dB的顯示效果。緩存中的每個(gè)871x225空間是5位，以使得這個(gè)空間能夠允許高達31次的數據進(jìn)出。

屏幕的刷新速率是每秒30屏，意味著(zhù)每個(gè)空間高達9668次的數據進(jìn)出，意味著(zhù)每個(gè)空間需要至少14位數據容量。

當一個(gè)空間“read-modify-write”檢測到從31到0的翻滾動(dòng)作，一個(gè)溢出“read-modify-write”被移動(dòng)到SDRAM中匹配的統計內存中，那個(gè)空間有32位。這使得我們可以組合超過(guò)40億個(gè)FFT數據，可用于任何空間一次或兩次的數據進(jìn)出操作。

實(shí)時(shí)頻譜分析儀典型特征

1.頻率模板觸發(fā)

頻率模板觸發(fā)是把頻譜形狀與用戶(hù)定義的模板進(jìn)行對比以產(chǎn)生觸發(fā)條件捕獲感興趣的信號。即使在存在電平高得多的其他信號時(shí)，頻率模板觸發(fā)仍可以可靠的檢測弱信號。這種存在強信號時(shí)觸發(fā)弱信號的能力，對檢測間歇性信號、是否存在互調產(chǎn)物、瞬時(shí)頻譜包容違規等至關(guān)重要。

比較信號與模板要求全面的DFT，要求一個(gè)完整的幀。頻率模板觸發(fā)的時(shí)間分辨率大約是一個(gè)DFT幀。它使用FPGA的頻率模板觸發(fā)IP核在時(shí)域中確定觸發(fā)事件。

與其他形式的模板測試一樣，頻率模板觸發(fā)先要定義個(gè)屏幕模板。這種定義通過(guò)一個(gè)頻點(diǎn)和幅度集合完成。

模板定義方式：

• 可以通過(guò)編輯表格定義；
• 可以通過(guò)修改已有的模板產(chǎn)生；
• 可以使用鼠標以圖形方式選點(diǎn)產(chǎn)生；
• 可以根據出現的跡線(xiàn)自動(dòng)產(chǎn)生；
• 自動(dòng)產(chǎn)生的模板還可以按需要增加偏置產(chǎn)生新的模板。

模板可以保存和調用。

模板觸發(fā)的方式：進(jìn)入模板，離開(kāi)模板，模板內部，模板外部，進(jìn)入->離開(kāi)，離開(kāi)->進(jìn)入。

可以定義上部的模板或下部的模板，或同時(shí)定義上部和下部的模板。

圖5頻率模板定義及觸發(fā)

如果組合矢量信號分析儀軟件VSA，頻率模板觸發(fā)可用于捕獲和記錄復雜的信號。捕獲和記錄后可用VSA軟件進(jìn)行頻域/時(shí)域/解調域等多域分析。頻率模板觸發(fā)可用于作為數據記錄的觸發(fā)點(diǎn)，以充分利用2G的IQ存儲空間，去進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的數據記錄工作，記錄后的數據可以用VSA進(jìn)行重放、截取、導出文件（給Matlab進(jìn)一步分析）、或下載到任意波形發(fā)生器等。

此時(shí)，才真正使用IQ的存儲空間。

頻率模板觸發(fā)不僅僅可以用于捕獲觸發(fā)后的信號，也可以用于捕獲觸發(fā)前的數據。組合89601B VSA軟件的復雜分析和記錄框圖如圖6所示。

圖6實(shí)時(shí)頻譜儀結合VSA軟件的處理框圖

2.密度余暉

使用兩維存儲空間（871x225），X軸是FFT頻率點(diǎn)，Y軸是幅度。每秒292969次FFT運算，每個(gè)頻率點(diǎn)的相應的幅度值被逐漸存儲。數據的顯示是用顏色表示的（使得有三維的效果），通常最低的密度用藍紫色表示，最高的密度用紅色表示。屏幕大約每30ms刷新一次，余暉時(shí)間可設置。密度余暉也依賴(lài)于掃寬的設置，FFT處理通常最大化重疊時(shí)間。

圖7密度余暉顯示

3.實(shí)時(shí)頻譜

使用一維存儲空間，一個(gè)頻率點(diǎn)一個(gè)空間，每個(gè)空間存儲選定片段時(shí)間內的檢波結果。檢波器可以是：平均（average），峰值（peak），采樣點(diǎn)（sample）等。每個(gè)實(shí)時(shí)頻譜相應的時(shí)間片段可以成為頻譜圖的時(shí)間要素。實(shí)時(shí)頻譜效果可以添加在密度余暉圖上（用于光標測量），或在一個(gè)單獨的窗口內顯示。片段時(shí)間最低可達100us。

圖8實(shí)時(shí)頻譜圖

4.頻譜圖
頻譜圖是兩維的頻率對時(shí)間顯示結果。X軸是FFT頻率點(diǎn)，Y軸是時(shí)間。顯示是三維顏色效果，藍紫色表示最低的幅度值，紅色表示最高幅度值。使用者能按時(shí)間滾動(dòng)瀏覽存儲的頻譜。實(shí)時(shí)頻譜分析儀能夠存儲高達10000個(gè)片段的頻譜信息。

圖9頻譜圖

5.功率隨時(shí)間變化

功率隨時(shí)間變化圖顯示了信號功率怎樣逐個(gè)樣點(diǎn)變化。這一顯示與示波器時(shí)域波形圖的類(lèi)似之處在于其橫軸也表示時(shí)間，但是豎軸顯示了對數標度的功率，而不是線(xiàn)性標度的電壓。豎軸的功率是頻寬內部檢測到的總功率。實(shí)時(shí)頻譜分析儀運行使用者選擇濾波器及全頻帶帶寬。功率恒定的信號將產(chǎn)生平坦的軌跡圖，因為每個(gè)周期中沒(méi)有任何平均功率的變化。

6.功率圖

這是來(lái)自功率對時(shí)間處理片段的兩維的時(shí)間對時(shí)間圖形顯示，X軸代表一個(gè)處理片段內的時(shí)間，Y軸代表一個(gè)處理片段到下一個(gè)處理片段的時(shí)間。用三維顏色效果顯示，藍紫色表示最低幅度的頻譜，紅色表示最高幅度的頻譜。使用者能夠滾動(dòng)瀏覽存儲的信息。頻譜圖和功率圖都打開(kāi)時(shí)，最大的存儲量高達5000個(gè)時(shí)間片段。

實(shí)時(shí)頻譜分析儀技術(shù)規范

實(shí)時(shí)頻譜分析儀給出了很多的技術(shù)規范參數，結合實(shí)時(shí)頻譜分析儀的工作原理，不難理解這些參數，下面是N9030A-RT2的技術(shù)參數。