實時頻譜分析儀基礎(chǔ)

鑒于鑒定當(dāng)前射頻微波器件和系統(tǒng)行為特點的挑戰(zhàn)，必需了解頻率、幅度和調(diào)制參數(shù)在短期和長期內(nèi)的行為方式。在這些情況下，使用傳統(tǒng)工具如掃頻分析儀(SA)和矢量信號分析儀(VSA)可能會在頻域和調(diào)制域內(nèi)提供信號概況，但其通常不能提供足夠的信息，讓工程師滿懷信心地描述器件或系統(tǒng)生成的動態(tài)射頻微波信號。
考慮一下下面挑戰(zhàn)性的測量任務(wù)：

• 發(fā)現(xiàn)罕見的短時間周期事件
• 查看較強的信號掩蓋的較弱信號
• 觀察噪聲掩蓋的信號
• 查找和分析瞬態(tài)信號和動態(tài)信號
• 捕獲突發(fā)傳輸、毛刺、開關(guān)瞬態(tài)事件
• 檢定PLL 穩(wěn)定時間、頻率漂移、微音擴大
• 捕獲擴頻信號和跳頻信號
• 監(jiān)測頻譜使用情況，檢測游蕩傳輸
• 測試和診斷瞬態(tài)EMI 效應(yīng)
• 檢定隨時間變化的調(diào)制方案
• 隔離軟件和硬件交互

每種測量都涉及隨時間變化的射頻微波信號，這些信號通常是不可預(yù)測的。為有效檢定這些信號的特點，工程師需要一種工具，這種工具要能夠發(fā)現(xiàn)難檢事件，有效觸發(fā)這些事件，把事件隔離到存儲器中，以便能夠在頻域、時域、調(diào)制域、統(tǒng)計域和碼域中分析信號行為。

實時頻譜分析儀硬件架構(gòu)

安捷倫實時頻譜分析儀是在PXA的B1X選件基礎(chǔ)上，用Xilinx的FPGA做實時信號處理所產(chǎn)生的新產(chǎn)品。如圖1所示，圖中是一個26.5GHz的PXA頻譜分析儀，模擬變頻部分與傳統(tǒng)頻譜分析儀一致，只是在B1X選件即160MHz分析帶寬選件里，用一塊包括實時處理引擎的FPGA做實時信號處理，形成實時頻譜分析儀。這個FPGA所做的事情，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖1PXA頻譜分析儀結(jié)構(gòu)框圖

圖2FPGA實時處理引擎結(jié)構(gòu)框圖

FPGA內(nèi)的實時處理引擎功能框圖如圖2所示。14位、400MHz的ADC采集的中頻數(shù)據(jù)輸入到FPGA,FPGA各種內(nèi)核關(guān)鍵處理的內(nèi)容如下：

1.幅度和相位校正，下變頻和壓縮處理

幅度和相位校正用于校正信號路徑的幅度平坦度和相位線性度及其它不理想內(nèi)容。

下變頻是把采集的中頻信號用數(shù)字信號處理DSP下變頻的方式轉(zhuǎn)化為I和Q基帶成分。ADC在高中頻IF上進行模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換而不是在DC或基帶上進行模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，具有信號處理的優(yōu)勢，如提升雜散性能、DC抑制、動態(tài)范圍等。下變頻是通用的DDC原理，包含一個數(shù)字振蕩器，其在關(guān)心的中心頻段上生成數(shù)字正弦和數(shù)字余弦信號。數(shù)字正弦和數(shù)字余弦信號乘以數(shù)字IF，生成I和Q基帶數(shù)字信號。DDC不僅用來把數(shù)字IF信號轉(zhuǎn)換成基帶信號，還用來進行實時頻譜分析儀中的頻率微調(diào)。

壓縮處理是通過降低采樣率，平衡頻寬、處理時間、記錄長度和存儲器使用量。奈奎斯特定理指出，對于基帶信號，只需以等于關(guān)心的最高頻率兩倍的速率采樣即可恢復(fù)信號；對于通帶信號，采樣率至少是帶寬的兩倍。400MHz的ADC數(shù)字化信號通過DDC后，對于160MHz帶寬，I和Q采樣率只要一半即200MSa/s。樣點總數(shù)未變，但得到了兩個樣點集，每個樣點集的有效采樣率是200MSa/s，而不是速率為400MSa/s的單集。對于更窄的頻寬，將進行進一步壓縮，使得對相同數(shù)量的樣點得到更長的時間記錄長度。壓縮的缺點是降低了時間分辨率，優(yōu)點是在時間記錄長度一定時減少了計算工作，降低了存儲器的使用量。

在壓縮時也必須遵守奈奎斯特定理，如果數(shù)據(jù)速率下降兩倍，那么數(shù)字信號的帶寬也必須下降兩倍。在降低采樣率前，需要使用數(shù)字濾波器完成這一點，以防止出現(xiàn)假信號。壓縮和濾波的另一個優(yōu)勢是在帶寬下降時降低噪聲。

2.實時處理和重疊存儲（Overlap Memory）

先看一下實時處理的概念，如圖3所示。T是存儲器里存儲的數(shù)據(jù)，CALC是每幀數(shù)據(jù)處理的時間。CALC時間包括FFT或功率譜，平均處理，顯示刷新時間等。如果CALC時間大于每幀的時間，則是非實時處理，傳統(tǒng)的頻譜分析儀即是非實時處理。CALC時間等于或小于每幀時間，則是實時處理。如果僅僅是等于每幀時間，也可能會丟掉一些數(shù)據(jù)，所以需要小于每幀的時間。

圖3實時處理的概念

因為進行FFT運算時需要加窗函數(shù)，這時如果要避免由于窗口導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，和要保持幅度精度，需要重疊存儲，如圖4所示。比較理想的狀況是重疊50%，這需要CALC的時間等于或小于每處理幀時間的50%。