实时频谱分析仪基础

图4重叠存储

3.RBW、窗口函数和FFT处理
频率分辨率RBW是一个重要的频谱分析仪指标。对于实时频谱分析仪，RBW与采集时间成反比。在采样率相同时，为实现更小的RBW，要求更多的样点。窗口函数也会影响RBW。

执行离散FFT即DFT分析运算时，如果不加窗口函数，会引发频谱泄漏。频谱泄漏不仅会在输出中出现不存在的信号，在附近存在大信号时，还会降低观察小信号的能力。所以在执行DFT时，DFT帧乘以窗口函数，样点间的长度相同，减少或消除DFT帧尾的不连续点。窗口函数的选择取决于频响特点，如旁瓣电平、等效噪声带宽和幅度误差。窗口形状还决定着RBW形状。RBW带宽定义为-3dB带宽，与DFT中采样频率和样点数量的关系如下：

RBW=K*Fs/N

K是与窗口有关的系数，对于Kaiser窗口，K约为2.23。N是DFT计算中使用的时间域样点数，Fs是采样频率。

RBW形状系数定义为-60dB和-3dB频谱幅度之间的频率比，对于Kaiser窗口，约为4:1。

窗口长度可选1024,512,256,128,64，或32个点，以提供可变的RBW带宽。时域窗口越短，RBW越宽。短的窗口和不足的重叠存储可能会产生非实时的Gap。

FFT引擎使用Xilinx公司的FFT IP处理核，这个处理核可以连续运行在300MHz，每秒做292,968.75次FFT运算，也可作CZT（Chirp-Z）变换。CZT与FFT变换类似，但是可以返回带有任意开始频率和结束频率的M个频率样点，而不会改变DFT的频域输出（只会提取与FFT不同的一套频域样点）。

4.密度统计存储

这是实时频谱分析仪实时显示处理的关键点。首先，必须使用两个缓存，当数据写入一个缓存时，同时读出另一个缓存数据。当写操作时，每次接入都是“read-modify-write”过程，以增加一个空间；当读操作时，每次接入都是“read-modify-write”过程，以清除缓存。

为了达到255MHz带宽和300MSa/s采样率，必须保留来自FFT运算的1024个频率点中间的871个点。对于871个频率点，需要足够的存储空间存储每个频率点的225个垂直电平，以达到每个电平0.045dB精度，确保100dB的显示效果。缓存中的每个871x225空间是5位，以使得这个空间能够允许高达31次的数据进出。

屏幕的刷新速率是每秒30屏，意味着每个空间高达9668次的数据进出，意味着每个空间需要至少14位数据容量。

当一个空间“read-modify-write”检测到从31到0的翻滚动作，一个溢出“read-modify-write”被移动到SDRAM中匹配的统计内存中，那个空间有32位。这使得我们可以组合超过40亿个FFT数据，可用于任何空间一次或两次的数据进出操作。

实时频谱分析仪典型特征

1.频率模板触发

频率模板触发是把频谱形状与用户定义的模板进行对比以产生触发条件捕获感兴趣的信号。即使在存在电平高得多的其他信号时，频率模板触发仍可以可靠的检测弱信号。这种存在强信号时触发弱信号的能力，对检测间歇性信号、是否存在互调产物、瞬时频谱包容违规等至关重要。

比较信号与模板要求全面的DFT，要求一个完整的帧。频率模板触发的时间分辨率大约是一个DFT帧。它使用FPGA的频率模板触发IP核在时域中确定触发事件。

与其他形式的模板测试一样，频率模板触发先要定义个屏幕模板。这种定义通过一个频点和幅度集合完成。

模板定义方式：

• 可以通过编辑表格定义；
• 可以通过修改已有的模板产生；
• 可以使用鼠标以图形方式选点产生；
• 可以根据出现的迹线自动产生；
• 自动产生的模板还可以按需要增加偏置产生新的模板。

模板可以保存和调用。

模板触发的方式：进入模板，离开模板，模板内部，模板外部，进入->离开，离开->进入。

可以定义上部的模板或下部的模板，或同时定义上部和下部的模板。

图5频率模板定义及触发

如果组合矢量信号分析仪软件VSA，频率模板触发可用于捕获和记录复杂的信号。捕获和记录后可用VSA软件进行频域/时域/解调域等多域分析。频率模板触发可用于作为数据记录的触发点，以充分利用2G的IQ存储空间，去进行长时间的数据记录工作，记录后的数据可以用VSA进行重放、截取、导出文件（给Matlab进一步分析）、或下载到任意波形发生器等。

此时，才真正使用IQ的存储空间。

频率模板触发不仅仅可以用于捕获触发后的信号，也可以用于捕获触发前的数据。组合89601B VSA软件的复杂分析和记录框图如图6所示。

图6实时频谱仪结合VSA软件的处理框图

2.密度余晖

使用两维存储空间（871x225），X轴是FFT频率点，Y轴是幅度。每秒292969次FFT运算，每个频率点的相应的幅度值被逐渐存储。数据的显示是用颜色表示的（使得有三维的效果），通常最低的密度用蓝紫色表示，最高的密度用红色表示。屏幕大约每30ms刷新一次，余晖时间可设置。密度余晖也依赖于扫宽的设置，FFT处理通常最大化重叠时间。

图7密度余晖显示

3.实时频谱

使用一维存储空间，一个频率点一个空间，每个空间存储选定片段时间内的检波结果。检波器可以是：平均（average），峰值（peak），采样点（sample）等。每个实时频谱相应的时间片段可以成为频谱图的时间要素。实时频谱效果可以添加在密度余晖图上（用于光标测量），或在一个单独的窗口内显示。片段时间最低可达100us。

图8实时频谱图

4.频谱图
频谱图是两维的频率对时间显示结果。X轴是FFT频率点，Y轴是时间。显示是三维颜色效果，蓝紫色表示最低的幅度值，红色表示最高幅度值。使用者能按时间滚动浏览存储的频谱。实时频谱分析仪能够存储高达10000个片段的频谱信息。

图9频谱图

5.功率随时间变化

功率随时间变化图显示了信号功率怎样逐个样点变化。这一显示与示波器时域波形图的类似之处在于其横轴也表示时间，但是竖轴显示了对数标度的功率，而不是线性标度的电压。竖轴的功率是频宽内部检测到的总功率。实时频谱分析仪运行使用者选择滤波器及全频带带宽。功率恒定的信号将产生平坦的轨迹图，因为每个周期中没有任何平均功率的变化。

6.功率图

这是来自功率对时间处理片段的两维的时间对时间图形显示，X轴代表一个处理片段内的时间，Y轴代表一个处理片段到下一个处理片段的时间。用三维颜色效果显示，蓝紫色表示最低幅度的频谱，红色表示最高幅度的频谱。使用者能够滚动浏览存储的信息。频谱图和功率图都打开时，最大的存储量高达5000个时间片段。

实时频谱分析仪技术规范

实时频谱分析仪给出了很多的技术规范参数，结合实时频谱分析仪的工作原理，不难理解这些参数，下面是N9030A-RT2的技术参数。