矢量信號分析儀原理

矢量信號分析儀是常用的進(jìn)行雷達和無(wú)線(xiàn)通訊信號分析的儀器。

模擬掃描調諧式頻譜分析儀使用超外差技術(shù)覆蓋廣泛的頻率范圍;從音頻、微波直到毫米波頻率?？焖俑盗⑷~變換 (FFT) 分析儀使用數字信號處理(DSP) 提供高分辨率的頻譜和網(wǎng)絡(luò )分析。如今寬帶的矢量調制 ( 又稱(chēng)為復調制或數字調制 ) 的時(shí)變信號從 FFT 分析和其他 DSP 技術(shù)上受益匪淺。VSA 提供快速高分辨率的頻譜測量、解調以及高級時(shí)域分析功能，特別適用于表征復雜信號，如通信、視頻、廣播、雷達和軟件無(wú)線(xiàn)電應用中的脈沖、瞬時(shí)或調制信號。

圖 1 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的 VSA 方框圖。VSA 采用了與傳統掃描分析截然不同的測量方法 ; 融入 FFT 和數字信號處理算法的數字中頻部分替代了模擬中頻部分。傳統的掃描調諧式頻譜分析是一個(gè)模擬系統 ; 而 VSA 基本上是一個(gè)使用數字數據和數學(xué)算法來(lái)進(jìn)行數據分析的數字系統。VSA 軟件可以接收并分析來(lái)自許多測量前端的數字化數據，使您的故障診斷可以貫穿整個(gè)系統框圖。

圖 1. 矢量信號分析過(guò)程要求輸入信號是一個(gè)被數字化的模擬信號，然后使用 DSP 技術(shù)處理并提供數據輸出 ; FFT 算法計算出頻域結果，解調算法計算出調制和碼域結果。

VSA 的一個(gè)重要特性是它能夠測量和處理復數數據，即幅度和相位信息。實(shí)際上，它之所以被稱(chēng)為“矢量信號分析”正是因為它采集復數輸入數據，分析復數數據，并輸出包含幅度和相位信息的復數數據結果。矢量調制分析執行測量接收機的基本功能。在下一篇“矢量調制分析基礎”中，您將了解到矢量調制與檢波的概念。

在使用適當前端的情況下，VSA 可以覆蓋射頻和微波頻段，并能提供額外的調制域分析能力。這些改進(jìn)可以通過(guò)數字技術(shù)來(lái)實(shí)現，例如模擬 - 數字轉換，以及包含數字中頻 (IF) 技術(shù)和快速傅立葉變換 (FFT) 分析的 DSP。

因為要分析的信號變得越來(lái)越復雜，最新一代的信號分析儀已經(jīng)過(guò)渡到數字架構，并且往往具有許多矢量信號分析和調制分析的能力。有些分析儀在對信號進(jìn)行放大，或進(jìn)行一次或多次下變頻之后，就在儀器的輸入端數字化信號。在大部分現代分析儀中，相位連同幅度信息都被保留以進(jìn)行真正的矢量測量。另一方面，其它的前端如示波器和邏輯分析儀等對整個(gè)信號進(jìn)行數字化，同時(shí)也保留了相位和幅度信息。VSA 無(wú)論作為合成的測量前端的一部分，還是單獨在內部運行或在與前端相連的計算機上運行的軟件，它的分析能力都依賴(lài)于前端的處理能力，無(wú)論前端是綜合測量專(zhuān)用軟件，還是矢量分析測量動(dòng)態(tài)信號并產(chǎn)生復數數據結果。

VSA 相比模擬掃描調諧分析有著(zhù)獨特的優(yōu)勢。一個(gè)主要的優(yōu)勢是它能夠更好地測量動(dòng)態(tài)信號。動(dòng)態(tài)信號通常分為兩大類(lèi) : 時(shí)變信號或復數調制信號。時(shí)變信號是指在單次測量掃描過(guò)程中，被測特性發(fā)生變化的信號 ( 例如突發(fā)、門(mén)限、脈沖或瞬時(shí)信號 )。復數調制信號不能用簡(jiǎn)單的 AM、FM 或 PM 調制單獨描述，包含了數字通信中大多數調制方案，例如正交幅度調制 (QAM)。

圖 2. 掃描調諧分析顯示了一個(gè)窄帶 IF 濾波器對輸入信號的瞬時(shí)響應。矢量分析使用 FFT 將大量時(shí)域采樣轉換到頻域頻譜。

傳統的掃描頻譜分析實(shí)際上是讓一個(gè)窄帶濾波器掃過(guò)一系列頻率，按順序每次測量一個(gè)頻率。對于穩定或重復信號，這種掃描輸入的方法是可行的，然而對掃描期間發(fā)生變化的信號，掃描結果就不能精確地代表信號了。

還有，這種技術(shù)只能提供標量 ( 僅有幅度 ) 信息，不過(guò)有些信號特征可以通過(guò)進(jìn)一步分析頻譜測量結果推導得出。

VSA 測量過(guò)程通過(guò)信號“快照”或時(shí)間記錄，然后同時(shí)處理所有頻率，以仿真一系列并聯(lián)濾波器從而克服了掃描局限。例如，如果輸入的是瞬時(shí)信號，那么整個(gè)信號事件被捕獲 ( 意味著(zhù)該時(shí)刻信號的所有信息都被捕獲和數字化 ); 然后經(jīng)過(guò) FFT 運算，得出“瞬時(shí)”復數頻譜對頻率的關(guān)系。這一過(guò)程是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，所以就不會(huì )丟失輸入信號的任何部分?；谶@些，VSA 有時(shí)又稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)信號分析”或“實(shí)時(shí)信號分析”。不過(guò)， VSA 跟蹤快速變化的信號的能力并不是無(wú)限制的。它取決于 VSA 所具有的計算能力。

并行處理為高分辨率 ( 窄分辨率帶寬 ) 測量帶來(lái)另一個(gè)潛在的優(yōu)勢：那就是更短的測量時(shí)間。如果你曾經(jīng)使用過(guò)掃描調諧頻譜分析儀，就會(huì )知道在較小小頻率掃寬下的窄分辨率帶寬 (RBW) 測量可能非常耗時(shí)。掃描調諧分析儀對逐點(diǎn)頻率進(jìn)行掃描的速度要足夠慢以使模擬分辨率帶寬濾波器有足夠的建立時(shí)間。與之相反，VSA 可以一次性測量整個(gè)頻率掃寬。不過(guò)，由于數字濾波器和 DSP 的影響，VSA 也有類(lèi)似的建立時(shí)間。與模擬濾波器相比，VSA 的掃描速度主要受限于數據采集和數字處理的時(shí)間。但是，VSA 的建立時(shí)間與模擬濾波器的建立時(shí)間相比通常是可以忽略不計的。對于某些窄帶測量，VSA 的測量速度可以比傳統的掃描調諧分析快 1000 倍。

在掃描調諧頻譜分析中，掃描濾波器的物理帶寬限制了頻率分辨率。VSA 沒(méi)有這一限制。VSA 能夠分辨間隔小于 100 μHz 的信號。VSA 的分辨率通常受限于信號和測量前端的頻率穩定度，以及在測量上希望花費的時(shí)間的限制。分辨率越高，測量信號所需要的時(shí)間 ( 獲得要求的時(shí)間記錄長(cháng)度 ) 就越長(cháng)。

另一個(gè)極為有用的特性是時(shí)間捕獲能力。它使你可以完整無(wú)缺地記錄下實(shí)際信號并在以后重放，以便進(jìn)行各種數據分析。捕獲的信號可用于各種測量。例如，捕捉一個(gè)數字通信的發(fā)射信號，然后既進(jìn)行頻譜分析也進(jìn)行矢量調制分析，以測量信號質(zhì)量或識別信號缺損。

使用數字信號處理 (DSP) 還帶來(lái)其它優(yōu)勢;它可以同時(shí)提供時(shí)域、頻域、調制域和碼域的測量分析。集這些能力于一身的儀器更有價(jià)值，它可改善測量質(zhì)量。VSA 的 FFT 分析使你可以輕松和準確地查看時(shí)域和頻域數據。DSP提供了矢量調制分析，其中包括模擬和數字調制分析。模擬解調算法可提供與調制分析儀類(lèi)似的 AM、FM 和 PM 解調結果，使您可以看到幅度、頻率和相位隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖。數字解調算法可適用于許多數字通信標準 ( 例如GSM、cdma2000?、WiMAXTM、LTE 等 ) 的廣泛的測量，并獲得許多有用的測量顯示和信號質(zhì)量數據。

很明顯 VSA 提供了許多重要的優(yōu)勢，當配合使用合適的前端時(shí)，還可以提供更多、更大的優(yōu)勢。例如，當 VSA 與傳統的模擬掃描調諧分析儀結合使用時(shí)，可提供更高的頻率覆蓋率和更大的動(dòng)態(tài)范圍測量能力 ; 與示波器結合使用時(shí)，可提供寬帶分析 ; 與邏輯分析儀結合使用時(shí)，可探測無(wú)線(xiàn)系統中的FPGA 和其它數字基帶模塊。

如前所述，VSA 本質(zhì)上是一個(gè)數字系統，它使用 DSP 進(jìn)行 FFT 頻譜分析，使用解調算法進(jìn)行矢量調制分析。FFT 是一種數學(xué)算法，它對時(shí)間采樣數據提供時(shí)域-頻域的轉換。模擬信號必須在時(shí)域中被數字化，再執行 FFT 算法計算出頻譜。從概念上說(shuō)，VSA 的實(shí)施是非常簡(jiǎn)單直接的 : 捕獲數字化的輸入信號，再計算測量結果。參見(jiàn)圖 3。不過(guò)在實(shí)際中，必須考慮許多因素，才能獲得有意義和精確的測量結果。

圖 3. 1 kHz FFT 分析舉例 : 先數字化時(shí)域信號，再使用 FFT 將其轉換到頻域

如果你熟悉 FFT 分析，就知道 FFT 算法針對所處理的信號有幾點(diǎn)假設條件。算法不校驗對于所給輸入這些假設是否成立，這就有可能產(chǎn)生無(wú)效的結果，除非用戶(hù)或儀器可以驗證這些假設。

圖 1 為一般的 VSA 系統方框圖。在 DSP 過(guò)程中，不同的環(huán)節可能使用不同的功能。圖 4 顯示了安捷倫一般使用的技術(shù)圖。VSA 測量過(guò)程包括這些基本階段:

測量前端

1. 包括頻率轉換的信號調整?；谒褂玫那岸擞布?，可能需要和 / 或可以使用不同的信號調整步驟。

2. 模數轉換器

3. 正交檢波

VSA 軟件

4. 數字濾波和重采樣

5. 數據窗口

6. FFT 分析 ( 對于矢量調制，由解調模塊替代模塊 5 和 6)

測量過(guò)程的第一個(gè)階段稱(chēng)為信號調整。這個(gè)階段包括幾個(gè)重要的功能，對信號進(jìn)行調整和優(yōu)化，以便于模擬- 數字轉換和 FFT 分析。第一個(gè)功能是AC 和 DC 耦合。如果您需要移除測量裝置中無(wú)用的 DC 偏置，就必須使用這一項。接下來(lái)信號被放大或衰減，以達到混頻器輸入的最佳信號電平?；祛l器階段提供信號頻率的轉換或射頻到中頻的下變頻，并將信號最后混頻為中頻。

這一操作與掃描調諧分析中的超外差功能相同，將 FFT 分析能力擴展到微波頻段。實(shí)際上，要獲得最后的中頻頻率，可能需要經(jīng)過(guò)多個(gè)下變頻階段。有些信號分析儀提供外部 IF 輸入能力 ; 你可以通過(guò)提供自己的 IF，延展 VSA 的頻率上限范圍，從而與自己提供的接收機相匹配。

圖 4. 簡(jiǎn)化的方框圖顯示了射頻硬件前端和矢量信號分析軟件。

信號調整過(guò)程的最后階段是預防信號混疊，它對于采樣系統和 FFT 分析極為重要?？够殳B濾波執行這一功能。如果 VSA 測量沒(méi)有對混疊做出足夠的預防，那么它可能會(huì )顯示不屬于原始信號的頻率分量。采樣定律告訴我們，如果信號采樣速率大于信號中最高頻率分量的兩倍，被采樣的信號就可以被準確重建。最低的可接受的采樣率稱(chēng)為奈奎斯特 (Nyquist) 采樣率。

因此，ƒs > 2 (ƒmax)

其中 ƒs = 采樣率

ƒmax = 最高頻率分量

如果違反了采樣定律，就會(huì )得到“混疊的”錯誤分量。因此，為了預防所給最大頻率出現混疊結果，在 1/2 采樣率以上不能有太大的信號能量。圖5 顯示了一組采樣點(diǎn)，適合兩種不同的波形。頻率較高的波形違反了采樣定律。

除非使用抗混疊濾波器，否則這兩個(gè)頻率在進(jìn)行數字處理時(shí)將會(huì )混淆。為了預防混疊，必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件 ：

1、進(jìn)入數字轉換器 / 采樣器的輸入信號必須是帶限的。換句話(huà)說(shuō)，必須存在一個(gè)最大頻率 (?max)，沒(méi)有任何頻率分量高于這個(gè)頻率。

2、必須以符合采樣定律的速率對輸入信號進(jìn)行采樣。

解決混疊問(wèn)題的方案看起來(lái)很簡(jiǎn)單。首先選擇前端硬件將要測量的最大頻率 (?max)，然后確保采樣頻率 (?s) 是該最大頻率的兩倍。這個(gè)步驟滿(mǎn)足了條件 2，并確保 SA 軟件能夠對感興趣的頻率進(jìn)行精確分析。接下來(lái)插入低通濾波器 ( 抗混疊濾波器 )，以去除高于 ?max 的所有頻率，從而確保除了感興趣的頻率進(jìn)行測量以為，其它頻率都被排除。這個(gè)步驟滿(mǎn)足條件 1，并確保對信號的帶寬進(jìn)行了限制。

圖 5. 混疊分量出現在信號進(jìn)行欠采樣時(shí)。無(wú)用的頻率出現在其它 ( 基帶 ) 頻率的混疊下。

有兩個(gè)因素會(huì )導致簡(jiǎn)單的抗混疊方法復雜化。第一個(gè)也是最容易解決的因素是，抗混疊濾波器的滾降 (roll off) 速率是有限的。如圖 6 所示，在實(shí)際濾波器的通帶和截止帶之間有一個(gè)過(guò)渡帶。這個(gè)過(guò)渡帶中的頻率可能產(chǎn)生混疊。為了避免這些混疊分量，濾波器的截止頻率必須低于理論頻率上限 ƒs/2 。

解決這個(gè)問(wèn)題的簡(jiǎn)單辦法是使用過(guò)采樣 ( 以高于 Nyquist 采樣率的速率進(jìn)行采樣 )。使采樣頻率略高于 ?max 的兩倍，也就是截止帶實(shí)際開(kāi)始頻率的兩倍，而不是要測量的頻率的兩倍。許多 VSA 的實(shí)現都使用保護帶以防止顯示混疊的頻率分量。FFT 計算超出 50% ?s ( 相當于 ƒs/2) 的頻譜分量。保護帶大約在ƒs的40% 至 50% ( 或 ƒs/2.56 至 ƒs/2) 之間并且沒(méi)有顯示，因為它可能被混疊分量破壞。不過(guò)當 VSA 軟件進(jìn)行逆 FFT 運算時(shí)，在保護帶中的信號用于提供最精確的時(shí)域結果。高滾降率濾波器再結合保護帶，會(huì )抑制潛在的混疊分量，并將它們衰減到遠低于測量前端的底噪。

另一個(gè)致使混疊預防 ( 有限的頻率分辨率 ) 復雜化的因素解決起來(lái)難得多。首先，為寬頻掃寬 ( 高采樣率 ) 設計的抗混疊濾波器不適用于測量小分辨率帶寬，原因有二個(gè) : 一是需要極大的樣本數量 ( 內存分 )，二是需要驚人的 FFT 計算量 ( 長(cháng)測量時(shí)間 )。例如，當采樣率為 10 MHz 時(shí)，一個(gè) 10 Hz 分辨率帶寬的測量將需要超過(guò) 100 萬(wàn)點(diǎn)的 FFT，也就是需要使用巨大容量的存儲器和極長(cháng)的測量時(shí)間。這是不可接受的，因為小分辨率帶寬的測量能力是 VSA 的一大優(yōu)勢。

提高頻率分辨率的一個(gè)方法是減小ƒs，但代價(jià)是降低了 FFT 的頻率上限，也就是最終分析儀的帶寬。不過(guò)，這仍不失為一個(gè)好方法，因為它允許你控制測量分辨率和頻率范圍。當采樣率降低時(shí)，抗混疊濾波器的截止頻率也必須降低，否則就會(huì )發(fā)生混疊。一種可能的解決方案是對每個(gè)掃寬提供一個(gè)抗混疊濾波器，或提供一個(gè)可選擇截止頻率的濾波器。使用模擬濾波器實(shí)現這種方案的困難很多，而且成本高昂，但是有可能通過(guò) DSP 以數字形式添加額外的抗混疊濾波器。

圖 6. 抗混疊濾波器衰減高于 ƒs/2 的信號。屏幕上不顯示介于 40% 至 50% ƒs 之間的保護帶。

數字抽取濾波器和重采樣算法提供了頻率分辨率受限制問(wèn)題的解決方法。 Agilent VSA 軟件中就使用了這種方法。數字抽取濾波器和重采樣執行必要的操作以允許改變掃寬和分辨率帶寬。數字抽取濾波器同時(shí)降低采樣率并限制信號的帶寬 ( 提供混疊預防 )。輸入數字濾波器的采樣率為ƒs; 輸出該濾波器的采樣率為 ƒs/n，其中“n”是抽取因子，為整數值。類(lèi)似的，輸入濾波器的帶寬為“BW”，輸出濾波器的帶寬為“BW/n”。許多實(shí)現過(guò)程執行二進(jìn)制抽取 ( 采樣率按 1/2 的速度降低 )，這意味著(zhù)采樣率按 2 的整數冪改變，即步進(jìn)值為 1/(2n) (1/2、1/4、1/8......)。通過(guò)“除以 2n”得出的頻率掃寬稱(chēng)為基數掃寬。由于減少了 DSP 操作，通常在基數掃寬上進(jìn)行的測量比在任意掃寬上進(jìn)行的測量要快。

抽取濾波器允許采樣率和掃寬以 2 的冪次改變。要獲得任意掃寬，采樣率必須是無(wú)限可調的。這由抽取濾波器之后的重采樣或插值濾波器來(lái)完成。

盡管數字重采樣濾波器在降低采樣率的同時(shí)提供了混疊的預防，模擬抗混疊濾波器仍然是必要的，因為數字重采樣濾波器本身也是一個(gè)被采樣系統，必須被防止出現混疊。模擬抗混疊濾波器運行于 ƒs上，保護最寬頻率掃寬上的分析。在模擬濾波器之后的數字濾波器，為較窄的、用戶(hù)定義的掃寬提供抗混疊能力。

當抗混疊涉及帶限信號，并使用示波器作為 VSA 軟件前端時(shí)，還必須采取額外的預防措施。

下一個(gè)限制小分辨率帶寬分析的復雜因素來(lái)源于 FFT 算法自身的本質(zhì)特性 ; FFT 實(shí)質(zhì)上是一個(gè)基帶轉換。這意味著(zhù) FFT 頻率范圍從 0 Hz ( 或 DC) 開(kāi)始，一直到某個(gè)最大頻率 (?s/2) 結束。在小頻段需要被分析的測量情況中，這可能是一個(gè)重大限制。例如，如果測量前端的采樣率為 10 MHz，頻率范圍將從 0 Hz 到 5 MHz (?s/2)。如果時(shí)間樣本數量 (N) 為 1024，那么頻率分辨率將為 9.8 kHz (?s/N)。這意味著(zhù)接近 9.8 kHz 的頻率可能無(wú)法分辨。