让频谱分析更高效,澄清RSA使用中的一些误解

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从事射频应用的研究人员、工程师和技术人员通常都能充分理解频谱分析仪的用途和优点，无论是传统的扫频分析仪 (TSA) 还是更现代的矢量信号分析仪 (VSA)。他们熟练掌握这些重要射频仪器的关键规范和工作原理。然而，在涉及如实时频谱分析仪（RSA 或 RTSA）这类稍有不同的仪器时，他们就有些生疏了。由于对 RSA 的功能和测量能力缺乏了解，用户有时会未能意识到 RSA 作为其射频工具集中一个关键工具所具有的优势。泰克公司在设计、制造和部署 RSA 方面拥有多年的丰富经验，我们希望澄清 RSA 使用上的一些误解，甚至是流言。 

误解1：现代所有基于FFT的分析仪都是实时频谱分析仪。

现代频谱分析仪采用基于 FFT 的频谱分析方法，将快速采样的时域信号转换为频域频谱。这些分析仪以超高速率对信号进行采样并通过 FFT 对数据进行转换来获得输入信号各个分量的幅值和频率。尽管基于 FFT 的现代频谱分析仪具有高频分辨率，可以测量宽动态范围内的信号，但它们可能无法检测到仪器采样间隔之间发生的事件。 

因此，要实时分析信号，就意味着实时频谱分析仪必须具备以下特点：

●   输入信号的采样频率必须足够快，以满足奈奎斯特准则。也就是说，采样频率必须超过信号带宽的两倍。

●   所有计算的执行必须连续且足够快，以确保分析的输出跟上输入信号在短采样间隔内的变化。

●   支持足够长的分析间隔，以满足最窄分辨带宽 (RBW) 的需求。

●   此外，快速傅里叶变换的速度必须非常快，确保不遗漏任何信号变化。

泰克公司在其实时频谱分析仪中采用了一种独特架构，以克服现代 VSA 的测量限制，有效解决了与瞬态和动态射频信号相关的问题。泰克公司的 RSA 在数据存储前使用实时数字信号处理 (DSP) 进行信号分析，而非像 VSA 架构中那样在数据采集后再进行处理。这种实时处理方式可让用户发现其它架构无法察觉的事件。同时，它支持在这些事件发生时触发，能够将这些事件选择性地捕获到存储器中。图 1 展示了泰克公司的 RSA 如何在较短的间隔内采集并处理更多 FFT，以跟上非常快速的信号变化。

图1 描绘了基于FFT的VSA与RSA之间差别的示意图

误解2：RSA的特别之处只有频谱图或射频瀑布图

RSA 非常擅长生成RF频谱随时间变化的可视化图谱（即频谱图）。利用这些二维图，用户可以轻松观察特定测量间隔内频谱的变化。如图 2 中的蓝色频谱图所示，每个音调的频率随时间变化，而其幅值倾向于保持不变。

图2 多音信号的频谱和频谱图

但是，泰克公司的 RSA 可以在时域和频域中生成更多类型的测量结果和可视化图谱，为用户提供有关所采集信号的性质和特征的附加信息，甚至是 VSA 通常会错过的极快速瞬态信号。

DPX™ 频谱轨迹是用于呈现快速变化的射频信号，或瞬态射频信号的最有用的工具之一。泰克公司的 DPX 专利技术使用硬件 DSP 处理并将样本转化为像素信息，以创建全动态实时射频频谱。它具有颜色分级功能，允许用户查看频率相同，但时间或功率有差别的不同信号。

图3 比较了120 秒后的扫频采集MaxHold轨迹，与20秒后的DPX MaxHold轨迹

频谱分析仪主要是频域仪器，但在许多测量中，它可用于观察时域中的频谱特征，或根据时间的变化来确定进行频谱测量的时机。

可对射频信号进行的测量有多种，包括将时间作为参数的测量，例如：

●   频率和相位与时间的关系

●   幅值或功率与时间的关系

●   I和Q与时间的关系

●   调制参数与时间的关系（频率偏差、相位误差、幅值误差、误差矢量幅值）

●   频率与相位稳定性的关系

通过检查频率测量随时间变化的关系，工程师可以快速诊断发射器的关键问题。调制通常会随着时间的变化改变频率、幅值或相位等参数，观察这些参数的时间图可以了解系统的行为。

对于脉冲测量，时域和频域之间存在关联，使用户可以对单个脉冲进行详细的分析，并获得对数百万个后续脉冲的统计和趋势分析。图 4 说明了泰克软件能够测量单个脉冲和大量脉冲的特性。

图4 SignalVu-PC软件在Tek RSA上运行，用于分析单个脉冲、脉冲之间的测量以及数千个脉冲的统计结果

误解3：RSA 的触发能力和VSA 不相上下

与 VSA 类似，泰克公司的 RTSA 提供多种内部和外部触发方法，包括外部电压上升沿和内部 IQ 电源触发。然而，与传统 VSA 不同的是，DPX 技术还可为时变信号提供新的分析和触发方法：

●   频率模板触发：RSA 将频谱形状与用户定义的模板进行比较，在指定的频谱形状变化时触发仪器（图 5）。RSA 可以在频率上升或下降时触发，类似于时域电平触发的工作方式。借助这种强大的技术，即使存在电平较高的其他信号，Tek RSA 也能可靠地检测到远低于仪器满量程的信号。这种在存在强信号的情况下触发弱信号的能力，对于检测间歇信号、互调产物的存在、瞬态频谱遏制违规以及其他频率效应至关重要。

图5 瞬态信号突破频率模板边界的触发事件

●   DPX 密度触发器：由于 DPX 频谱是频率和幅值的二维数组，因此用户可以定义一个具有频率上下限和幅值上下限的方框（图 6）。当该方框中的信号密度超过指定阈值时，仪器就会被触发。例如，此功能使用户只在信号出现的频率超过预期时才会记录，从而帮助他们区分瞬态杂散和更持久的系统杂散。

图6 设置DPX密度触发方框的频率和幅值

●   时间限定触发器：RSA 查看射频脉冲的宽度，并根据其持续时间进行触发，这使其成为快速动态射频脉冲环境下的理想选择。

结论

我们澄清了关于矢量信号分析仪和实时频谱分析仪之间差异的三个主要误解。我们首先指出，泰克公司的 RSA可以连续且快速地处理 FFT 记录，以跟上输入信号的快速变化。我们还会回顾了泰克公司的 RSA 不仅能够生成频谱图，还能在时域和频率内生成各种测量结果和可视化图像。接着，我们介绍了 DPX 技术为时变信号提供的新分析和触发方法。在重新认识泰克公司 RSA 的功能和测量能力后，现在您可以将它们纳入您的射频工具集中，并充分利用其强大的时间和频率分析能力。