矢量信號(hào)分析儀原理

矢量信號(hào)分析儀是常用的進(jìn)行雷達(dá)和無線通訊信號(hào)分析的儀器。

模擬掃描調(diào)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(shù)字信號(hào)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(diào)制 ( 又稱為復(fù)調(diào)制或數(shù)字調(diào)制 ) 的時(shí)變信號(hào)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(cè)量、解調(diào)以及高級(jí)時(shí)域分析功能，特別適用于表征復(fù)雜信號(hào)，如通信、視頻、廣播、雷達(dá)和軟件無線電應(yīng)用中的脈沖、瞬時(shí)或調(diào)制信號(hào)。

圖 1 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的 VSA 方框圖。VSA 采用了與傳統(tǒng)掃描分析截然不同的測(cè)量方法 ; 融入 FFT 和數(shù)字信號(hào)處理算法的數(shù)字中頻部分替代了模擬中頻部分。傳統(tǒng)的掃描調(diào)諧式頻譜分析是一個(gè)模擬系統(tǒng) ; 而 VSA 基本上是一個(gè)使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和數(shù)學(xué)算法來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的數(shù)字系統(tǒng)。VSA 軟件可以接收并分析來自許多測(cè)量前端的數(shù)字化數(shù)據(jù)，使您的故障診斷可以貫穿整個(gè)系統(tǒng)框圖。

圖 1. 矢量信號(hào)分析過程要求輸入信號(hào)是一個(gè)被數(shù)字化的模擬信號(hào)，然后使用 DSP 技術(shù)處理并提供數(shù)據(jù)輸出 ; FFT 算法計(jì)算出頻域結(jié)果，解調(diào)算法計(jì)算出調(diào)制和碼域結(jié)果。

VSA 的一個(gè)重要特性是它能夠測(cè)量和處理復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，即幅度和相位信息。實(shí)際上，它之所以被稱為“矢量信號(hào)分析”正是因?yàn)樗杉瘡?fù)數(shù)輸入數(shù)據(jù)，分析復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，并輸出包含幅度和相位信息的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果。矢量調(diào)制分析執(zhí)行測(cè)量接收機(jī)的基本功能。在下一篇“矢量調(diào)制分析基礎(chǔ)”中，您將了解到矢量調(diào)制與檢波的概念。

在使用適當(dāng)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(diào)制域分析能力。這些改進(jìn)可以通過數(shù)字技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，例如模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換，以及包含數(shù)字中頻 (IF) 技術(shù)和快速傅立葉變換 (FFT) 分析的 DSP。

因?yàn)橐治龅男盘?hào)變得越來越復(fù)雜，最新一代的信號(hào)分析儀已經(jīng)過渡到數(shù)字架構(gòu)，并且往往具有許多矢量信號(hào)分析和調(diào)制分析的能力。有些分析儀在對(duì)信號(hào)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(shù)字化信號(hào)。在大部分現(xiàn)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(cè)量。另一方面，其它的前端如示波器和邏輯分析儀等對(duì)整個(gè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，同時(shí)也保留了相位和幅度信息。VSA 無論作為合成的測(cè)量前端的一部分，還是單獨(dú)在內(nèi)部運(yùn)行或在與前端相連的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的軟件，它的分析能力都依賴于前端的處理能力，無論前端是綜合測(cè)量專用軟件，還是矢量分析測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)并產(chǎn)生復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果。

VSA 相比模擬掃描調(diào)諧分析有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)是它能夠更好地測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)。動(dòng)態(tài)信號(hào)通常分為兩大類 : 時(shí)變信號(hào)或復(fù)數(shù)調(diào)制信號(hào)。時(shí)變信號(hào)是指在單次測(cè)量掃描過程中，被測(cè)特性發(fā)生變化的信號(hào) ( 例如突發(fā)、門限、脈沖或瞬時(shí)信號(hào) )。復(fù)數(shù)調(diào)制信號(hào)不能用簡(jiǎn)單的 AM、FM 或 PM 調(diào)制單獨(dú)描述，包含了數(shù)字通信中大多數(shù)調(diào)制方案，例如正交幅度調(diào)制 (QAM)。

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

傳統(tǒng)的掃描頻譜分析實(shí)際上是讓一個(gè)窄帶濾波器掃過一系列頻率，按順序每次測(cè)量一個(gè)頻率。對(duì)于穩(wěn)定或重復(fù)信號(hào)，這種掃描輸入的方法是可行的，然而對(duì)掃描期間發(fā)生變化的信號(hào)，掃描結(jié)果就不能精確地代表信號(hào)了。

還有，這種技術(shù)只能提供標(biāo)量 ( 僅有幅度 ) 信息，不過有些信號(hào)特征可以通過進(jìn)一步分析頻譜測(cè)量結(jié)果推導(dǎo)得出。

VSA 測(cè)量過程通過信號(hào)“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(hào)，那么整個(gè)信號(hào)事件被捕獲 ( 意味著該時(shí)刻信號(hào)的所有信息都被捕獲和數(shù)字化 ); 然后經(jīng)過 FFT 運(yùn)算，得出“瞬時(shí)”復(fù)數(shù)頻譜對(duì)頻率的關(guān)系。這一過程是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，所以就不會(huì)丟失輸入信號(hào)的任何部分?；谶@些，VSA 有時(shí)又稱為“動(dòng)態(tài)信號(hào)分析”或“實(shí)時(shí)信號(hào)分析”。不過， VSA 跟蹤快速變化的信號(hào)的能力并不是無限制的。它取決于 VSA 所具有的計(jì)算能力。

并行處理為高分辨率 ( 窄分辨率帶寬 ) 測(cè)量帶來另一個(gè)潛在的優(yōu)勢(shì)：那就是更短的測(cè)量時(shí)間。如果你曾經(jīng)使用過掃描調(diào)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(cè)量可能非常耗時(shí)。掃描調(diào)諧分析儀對(duì)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(cè)量整個(gè)頻率掃寬。不過，由于數(shù)字濾波器和 DSP 的影響，VSA 也有類似的建立時(shí)間。與模擬濾波器相比，VSA 的掃描速度主要受限于數(shù)據(jù)采集和數(shù)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(jì)的。對(duì)于某些窄帶測(cè)量，VSA 的測(cè)量速度可以比傳統(tǒng)的掃描調(diào)諧分析快 1000 倍。

在掃描調(diào)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 沒有這一限制。VSA 能夠分辨間隔小于 100 μHz 的信號(hào)。VSA 的分辨率通常受限于信號(hào)和測(cè)量前端的頻率穩(wěn)定度，以及在測(cè)量上希望花費(fèi)的時(shí)間的限制。分辨率越高，測(cè)量信號(hào)所需要的時(shí)間 ( 獲得要求的時(shí)間記錄長(zhǎng)度 ) 就越長(zhǎng)。

另一個(gè)極為有用的特性是時(shí)間捕獲能力。它使你可以完整無缺地記錄下實(shí)際信號(hào)并在以后重放，以便進(jìn)行各種數(shù)據(jù)分析。捕獲的信號(hào)可用于各種測(cè)量。例如，捕捉一個(gè)數(shù)字通信的發(fā)射信號(hào)，然后既進(jìn)行頻譜分析也進(jìn)行矢量調(diào)制分析，以測(cè)量信號(hào)質(zhì)量或識(shí)別信號(hào)缺損。

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

很明顯 VSA 提供了許多重要的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)配合使用合適的前端時(shí)，還可以提供更多、更大的優(yōu)勢(shì)。例如，當(dāng) VSA 與傳統(tǒng)的模擬掃描調(diào)諧分析儀結(jié)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(cè)量能力 ; 與示波器結(jié)合使用時(shí)，可提供寬帶分析 ; 與邏輯分析儀結(jié)合使用時(shí)，可探測(cè)無線系統(tǒng)中的FPGA 和其它數(shù)字基帶模塊。

如前所述，VSA 本質(zhì)上是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，它使用 DSP 進(jìn)行 FFT 頻譜分析，使用解調(diào)算法進(jìn)行矢量調(diào)制分析。FFT 是一種數(shù)學(xué)算法，它對(duì)時(shí)間采樣數(shù)據(jù)提供時(shí)域-頻域的轉(zhuǎn)換。模擬信號(hào)必須在時(shí)域中被數(shù)字化，再執(zhí)行 FFT 算法計(jì)算出頻譜。從概念上說，VSA 的實(shí)施是非常簡(jiǎn)單直接的 : 捕獲數(shù)字化的輸入信號(hào)，再計(jì)算測(cè)量結(jié)果。參見圖 3。不過在實(shí)際中，必須考慮許多因素，才能獲得有意義和精確的測(cè)量結(jié)果。

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

如果你熟悉 FFT 分析，就知道 FFT 算法針對(duì)所處理的信號(hào)有幾點(diǎn)假設(shè)條件。算法不校驗(yàn)對(duì)于所給輸入這些假設(shè)是否成立，這就有可能產(chǎn)生無效的結(jié)果，除非用戶或儀器可以驗(yàn)證這些假設(shè)。

圖 1 為一般的 VSA 系統(tǒng)方框圖。在 DSP 過程中，不同的環(huán)節(jié)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(cè)量過程包括這些基本階段:

測(cè)量前端

1. 包括頻率轉(zhuǎn)換的信號(hào)調(diào)整?；谒褂玫那岸擞布赡苄枰?/ 或可以使用不同的信號(hào)調(diào)整步驟。

2. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

3. 正交檢波

VSA 軟件

4. 數(shù)字濾波和重采樣

5. 數(shù)據(jù)窗口

6. FFT 分析 ( 對(duì)于矢量調(diào)制，由解調(diào)模塊替代模塊 5 和 6)

測(cè)量過程的第一個(gè)階段稱為信號(hào)調(diào)整。這個(gè)階段包括幾個(gè)重要的功能，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以便于模擬- 數(shù)字轉(zhuǎn)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(cè)量裝置中無用的 DC 偏置，就必須使用這一項(xiàng)。接下來信號(hào)被放大或衰減，以達(dá)到混頻器輸入的最佳信號(hào)電平?；祛l器階段提供信號(hào)頻率的轉(zhuǎn)換或射頻到中頻的下變頻，并將信號(hào)最后混頻為中頻。

這一操作與掃描調(diào)諧分析中的超外差功能相同，將 FFT 分析能力擴(kuò)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)過多個(gè)下變頻階段。有些信號(hào)分析儀提供外部 IF 輸入能力 ; 你可以通過提供自己的 IF，延展 VSA 的頻率上限范圍，從而與自己提供的接收機(jī)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(hào)分析軟件。

信號(hào)調(diào)整過程的最后階段是預(yù)防信號(hào)混疊，它對(duì)于采樣系統(tǒng)和 FFT 分析極為重要?？够殳B濾波執(zhí)行這一功能。如果 VSA 測(cè)量沒有對(duì)混疊做出足夠的預(yù)防，那么它可能會(huì)顯示不屬于原始信號(hào)的頻率分量。采樣定律告訴我們，如果信號(hào)采樣速率大于信號(hào)中最高頻率分量的兩倍，被采樣的信號(hào)就可以被準(zhǔn)確重建。最低的可接受的采樣率稱為奈奎斯特 (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(cuò)誤分量。因此，為了預(yù)防所給最大頻率出現(xiàn)混疊結(jié)果，在 1/2 采樣率以上不能有太大的信號(hào)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(shù)字處理時(shí)將會(huì)混淆。為了預(yù)防混疊，必須滿足兩個(gè)條件 ：

1、進(jìn)入數(shù)字轉(zhuǎn)換器 / 采樣器的輸入信號(hào)必須是帶限的。換句話說，必須存在一個(gè)最大頻率 (?max)，沒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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。

解決混疊問題的方案看起來很簡(jiǎn)單。首先選擇前端硬件將要測(cè)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)步驟滿足了條件 2，并確保 SA 軟件能夠?qū)Ω信d趣的頻率進(jìn)行精確分析。接下來插入低通濾波器 ( 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(cè)量以為，其它頻率都被排除。這個(gè)步驟滿足條件 1，并確保對(duì)信號(hào)的帶寬進(jìn)行了限制。

圖 5. 混疊分量出現(xiàn)在信號(hào)進(jìn)行欠采樣時(shí)。無用的頻率出現(xiàn)在其它 ( 基帶 ) 頻率的混疊下。

有兩個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致簡(jiǎn)單的抗混疊方法復(fù)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)過渡帶。這個(gè)過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)問題的簡(jiǎn)單辦法是使用過采樣 ( 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)際開始頻率的兩倍，而不是要測(cè)量的頻率的兩倍。許多 VSA 的實(shí)現(xiàn)都使用保護(hù)帶以防止顯示混疊的頻率分量。FFT 計(jì)算超出 50% ?s ( 相當(dāng)于 ƒs/2) 的頻譜分量。保護(hù)帶大約在ƒs的40% 至 50% ( 或 ƒs/2.56 至 ƒs/2) 之間并且沒有顯示，因?yàn)樗赡鼙换殳B分量破壞。不過當(dāng) VSA 軟件進(jìn)行逆 FFT 運(yùn)算時(shí)，在保護(hù)帶中的信號(hào)用于提供最精確的時(shí)域結(jié)果。高滾降率濾波器再結(jié)合保護(hù)帶，會(huì)抑制潛在的混疊分量，并將它們衰減到遠(yuǎn)低于測(cè)量前端的底噪。

另一個(gè)致使混疊預(yù)防 ( 有限的頻率分辨率 ) 復(fù)雜化的因素解決起來難得多。首先，為寬頻掃寬 ( 高采樣率 ) 設(shè)計(jì)的抗混疊濾波器不適用于測(cè)量小分辨率帶寬，原因有二個(gè) : 一是需要極大的樣本數(shù)量 ( 內(nèi)存分 )，二是需要驚人的 FFT 計(jì)算量 ( 長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間 )。例如，當(dāng)采樣率為 10 MHz 時(shí)，一個(gè) 10 Hz 分辨率帶寬的測(cè)量將需要超過 100 萬點(diǎn)的 FFT，也就是需要使用巨大容量的存儲(chǔ)器和極長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間。這是不可接受的，因?yàn)樾》直媛蕩挼臏y(cè)量能力是 VSA 的一大優(yōu)勢(shì)。

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，這仍不失為一個(gè)好方法，因?yàn)樗试S你控制測(cè)量分辨率和頻率范圍。當(dāng)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(duì)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(xiàn)這種方案的困難很多，而且成本高昂，但是有可能通過 DSP 以數(shù)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(hào)。屏幕上不顯示介于 40% 至 50% ƒs 之間的保護(hù)帶。

數(shù)字抽取濾波器和重采樣算法提供了頻率分辨率受限制問題的解決方法。 Agilent VSA 軟件中就使用了這種方法。數(shù)字抽取濾波器和重采樣執(zhí)行必要的操作以允許改變掃寬和分辨率帶寬。數(shù)字抽取濾波器同時(shí)降低采樣率并限制信號(hào)的帶寬 ( 提供混疊預(yù)防 )。輸入數(shù)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(shù)值。類似的，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(xiàn)過程執(zhí)行二進(jìn)制抽取 ( 采樣率按 1/2 的速度降低 )，這意味著采樣率按 2 的整數(shù)冪改變，即步進(jìn)值為 1/(2n) (1/2、1/4、1/8......)。通過“除以 2n”得出的頻率掃寬稱為基數(shù)掃寬。由于減少了 DSP 操作，通常在基數(shù)掃寬上進(jìn)行的測(cè)量比在任意掃寬上進(jìn)行的測(cè)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，采樣率必須是無限可調(diào)的。這由抽取濾波器之后的重采樣或插值濾波器來完成。

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

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

下一個(gè)限制小分辨率帶寬分析的復(fù)雜因素來源于 FFT 算法自身的本質(zhì)特性 ; FFT 實(shí)質(zhì)上是一個(gè)基帶轉(zhuǎn)換。這意味著 FFT 頻率范圍從 0 Hz ( 或 DC) 開始，一直到某個(gè)最大頻率 (?s/2) 結(jié)束。在小頻段需要被分析的測(cè)量情況中，這可能是一個(gè)重大限制。例如，如果測(cè)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(shù)量 (N) 為 1024，那么頻率分辨率將為 9.8 kHz (?s/N)。這意味著接近 9.8 kHz 的頻率可能無法分辨。