頻譜分析儀的在時(shí)域中應用

頻譜儀一般是一種非時(shí)域工具，主要描述信號在頻域上的變化(用于信號失真度、調制度、譜純度、頻率穩定度和交調失真等信號參數的測量)，在時(shí)域上使用得并不廣泛。不過(guò)，RIGOL DSA1000系列頻譜儀提供的上位機應用工具Ultra Spectrum可以支持這方面的應用。

頻譜儀時(shí)域應用與分析是建立在頻譜數據在時(shí)間域上存儲(頻譜數據+時(shí)間信息)形成的數據集基礎之上的，通過(guò)對該數據集的分析可以得出相關(guān)測量結論。下面將結合這一工具來(lái)解決分析被測件異常信號(隱含信號)的問(wèn)題。

頻譜儀時(shí)域應用與分析：捕獲隱含信號

有應用價(jià)值的信號(例如通訊領(lǐng)域使用的信號)一般都是周期性信號，信號發(fā)生的過(guò)程攜帶著(zhù)時(shí)間信息。RIGOL DSA1000系列頻譜儀提供上位機應用工具Ultra Spectrum，該工具就是以記錄頻譜數據以及該頻域數據產(chǎn)生的時(shí)間數據(以瀑布圖形式表現)為分析對象而展開(kāi)分析應用。

圖1：可疑信號D1。

通過(guò)圖1(或圖2)可以清楚地看到頻譜數據在不同時(shí)間的變化特點(diǎn)。除了圖像上看到的“視覺(jué)”變化外還可以通過(guò)配合縱軸上的數據得出“變化”趨勢的可計量值(擬合出的信號隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，曲線(xiàn)上讀值)。下面開(kāi)始借助這一工具分析異常信號(隱含信號)。

圖2：可疑信號D2和D3。

圖1(或圖2)中的瀑布圖橫坐標為頻率，縱坐標為采集時(shí)間(這里未顯示)，顏色域表示頻譜強度。中間的橫向紅線(xiàn)為標記線(xiàn)(用來(lái)標記查看特定時(shí)刻的某一條頻譜軌跡)?？梢钥吹?，該圖顯示的是當前從儀器(DSA1020)獲取的一段時(shí)間內頻譜數據的累加數據，紅色區域(非橫向標記線(xiàn))為主信號區域(由于該信號帶寬很小，因此在瀑布圖中表現為縱向“紅線(xiàn)”)，其左右為兩個(gè)有效信號。這三個(gè)信號形成的“田壟”較平坦說(shuō)明該部分信號穩定。而在主信號左側隱約出現三個(gè)信號形成的“田壟”(矩形框標記位置)，這些信號就是可疑信號(從右向左依次命名為D1-Distrustful1、D2- Distrustful2、D3-Distrustful3)。圖3是通過(guò)示波器采集到的時(shí)域信號(與頻譜儀測量的為同一信號)，顯示的是一個(gè)較穩定正弦波。通過(guò)觀(guān)察圖3很難發(fā)現該信號出現的問(wèn)題。

將標記線(xiàn)移到異常出現位置(選擇該異常數據)，該譜線(xiàn)如圖1所示，可以發(fā)現在圖1中主信號的左側出現一信號D1。

觀(guān)察圖1可以發(fā)現該信號“時(shí)隱時(shí)現”有一定規律性(該規律性可通過(guò)記錄的時(shí)間推算出)。通過(guò)讀值發(fā)現D1信號出現規律為(設定存儲的第一個(gè)數據編號為0)：

依照上表可以大致地推算出該信號的出現周期約為38.8s(25.5+13.3)，該被測件存在一個(gè)周期性疊加信號，信號周期約為38.8s(0.0257Hz)。

觀(guān)察圖2可以發(fā)現，D2、D3信號很難在一般的二維頻譜顯示中發(fā)現其特征(圖2下二維坐標系中，在該坐標系中D2、D3可能被認為是底噪部分)，但在瀑布圖中因為較穩定會(huì )出現“田壟”所以較明顯，進(jìn)而可以發(fā)現該信號一些“隱性”特征。

圖1和圖2簡(jiǎn)單介紹了通過(guò)對圖形的初步分析研究信號特征的方法(觀(guān)察到一個(gè)周期信號D1，以及兩個(gè)不易察覺(jué)的信號D2、D3)。下面就可以依據這里得到的參數，例如D1的出現周期，D2、D3的頻率值作為線(xiàn)索來(lái)分析被測件的問(wèn)題。

D1、D2、D3在示波器這種時(shí)域工具上是不可能被發(fā)現的，更不要說(shuō)去分析了。通過(guò)前面的介紹可以發(fā)現，由于引入了頻域數據基于時(shí)域存儲的概念可以使我們得到更多的數據信息。

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圖3：該信號在在示波器下(RIGOLDS1204B屏幕抓圖)。

Ultra Spectrum通過(guò)對數據DSA1000系列頻譜儀產(chǎn)生的數據進(jìn)行處理完成了頻譜儀的時(shí)域應用與分析，無(wú)需對原有頻譜儀器做任何修改，僅通過(guò)獲取其產(chǎn)生的原始數據稍加變化就增強了原有頻譜儀的功能，本文僅簡(jiǎn)單介紹了發(fā)現捕獲可疑信號分析可以信號的例子，如果配合其它儀器數據使用還可以廣泛拓展該應用(例如，根據時(shí)域信息進(jìn)行溫度數據的存儲即可以時(shí)間信息為“橋梁”建立起頻域與溫度之間的關(guān)系)。RIGOL DSA1000系列是一款低端頻譜儀，它具有低廉的價(jià)格和豐富的本機功能，Ultra Spectrum作為其上位機對其進(jìn)行了更多功能性的擴展，使這一套頻譜測量工具的功能更加強大易用。

表1：D1信號出現規律統計。

需要說(shuō)明的是，DSA1000系列頻譜分析儀具有完備的開(kāi)放式命令集系統以及豐富的儀器控制接口(LAN USB-TMC)，Ultra Spectrum就是基于此開(kāi)發(fā)的。用戶(hù)的各種應用是Ultra Spectrum不可能窮舉的，但是以前文提到的DSA1000的本機性能為基礎，用戶(hù)可以依據自身情況選擇一種編程工具(LabVIEW、 MATLAB、C#、Java等)，并根據自己的需求來(lái)開(kāi)發(fā)自己的工具。