掃頻頻譜分析儀、矢量信號分析儀及實(shí)時(shí)頻譜分析儀的工作原理及差異

01

掃頻頻譜分析儀

掃頻式頻譜分析儀是傳統(tǒng)頻域測量儀器，是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的掃描調(diào)諧超外差頻譜分析儀，掃頻頻譜分析儀的出現(xiàn)使得工程師在幾十年前就能夠進(jìn)行頻域測量。

掃頻頻譜分析儀通過把感興趣的信號下變頻，并將下變頻后的信號掃描通過RBW濾波器來測量功率隨頻率變化。RBW濾波器后面為檢波器，檢波器計(jì)算所選擇的掃頻寬度內(nèi)每個(gè)頻率點(diǎn)的幅度。盡管這種方法可以提供很高的動(dòng)態(tài)范圍，但其缺點(diǎn)在于它一次只能計(jì)算一個(gè)頻率點(diǎn)的幅度數(shù)據(jù)，導(dǎo)致頻譜分析儀在掃頻寬度很寬時(shí)掃描需要很長的時(shí)間，在某些情況下要達(dá)到幾十秒。

因此，這種方法基于這樣一個(gè)假設(shè)，頻譜分析儀多次掃描期間被測信號沒有明顯變化，即這種方法要求輸入信號相對穩(wěn)定或者不發(fā)生變化。掃頻頻譜分析儀最初由模擬器件構(gòu)成，然后隨著其應(yīng)用不斷的發(fā)展的而不斷發(fā)展。當(dāng)前的掃頻頻譜分析儀已經(jīng)包含了各種數(shù)字單元，例如ADC、DSP和微處理器，但是，其掃描方法基本保持不變，本質(zhì)上仍然是掃頻式頻譜分析儀。鑒于此原因掃頻頻譜分析儀最適合觀測受控的靜態(tài)信號。

假如信號迅速變化，那么掃頻頻譜分析儀可能會(huì)漏掉信號的變化部分。如圖1.1所示，掃描查看頻段Fa時(shí)，在Fb(左圖)上發(fā)生了一個(gè)瞬時(shí)頻譜事件。而當(dāng)掃描到達(dá)頻段Fb時(shí)，事件已經(jīng)消失，掃頻頻譜分析儀沒有檢測到事件(右圖)。

圖1.1掃頻式頻譜分析儀測試原理

02

矢量信號分析儀

傳統(tǒng)的掃頻分析只能進(jìn)行標(biāo)量測量，只提供與輸入信號的頻率和幅度有關(guān)的信息。數(shù)字調(diào)制信號的分析就是同時(shí)能夠提供信號的頻率信息、幅度信息和相位信息；與傳統(tǒng)的掃頻分析相比，增加了相位信息，這就使得矢量信號分析是為進(jìn)行數(shù)字調(diào)制分析專門設(shè)計(jì)的工具。圖1.2是簡化的典型矢量信號分析儀的結(jié)構(gòu)圖。

圖1.2.1典型的矢量信號分析儀結(jié)構(gòu)框圖

矢量信號分析儀是對被測信號通過變頻處理再進(jìn)行數(shù)字化采集，通過計(jì)算得到信號的幅度信息和相位信息。但是，大多數(shù)的矢量信號分析儀的信號處理是由軟件來完成的，軟件的處理速度和能力與高速的信號ADC采集相比，其處理速度很慢，這勢必導(dǎo)致很多信號數(shù)據(jù)需要被舍棄，造成信號處理的死區(qū)(Gap)，從而帶來變化信號在時(shí)域上特性的不完整描述，如圖1.2.2所示。

圖1.2.2矢量信號分析儀的頻譜測試原理

矢量信號分析儀主要用于測量穩(wěn)定調(diào)制信號的誤差參數(shù)，比如數(shù)字調(diào)制信號的誤差矢量幅度(EVM)，相位誤差或頻率誤差等，提供星座圖等其他顯示。

03

實(shí)時(shí)頻譜分析儀

實(shí)時(shí)頻譜分析儀用于解決時(shí)變信號的參數(shù)測量，實(shí)時(shí)頻譜分析的基本概念是能夠快速采集和捕捉各種瞬變信號，把信號無縫地捕獲到內(nèi)存中，并在多個(gè)域中分析信號。圖1.3.1是典型的實(shí)時(shí)頻譜分析儀結(jié)構(gòu)框圖，可以看到，實(shí)時(shí)頻譜分析儀和矢量信號分析儀的基本結(jié)構(gòu)類似，都是基于信號變頻和ADC采樣，然后通過數(shù)字信號處理DSP來獲取信號參數(shù)。大多數(shù)的矢量信號分析儀的信號處理是由軟件來完成的，軟件的處理速度和能力與高速的信號ADC采集相比，其處理速度是很慢的。而實(shí)時(shí)頻譜分析儀的技術(shù)關(guān)鍵——信號處理部分是靠硬件方式的FPGA來完成，從而大大提升處理的速度并降低處理延遲。節(jié)省的時(shí)間可以用于完成多信號的判斷，觸發(fā)等處理功能。可以把實(shí)時(shí)頻譜分析儀理解為“硬件化高速處理版本的矢量信號分析儀”。

圖1.3.1典型的實(shí)時(shí)頻譜分析儀結(jié)構(gòu)框圖

圖1.3.1說明了實(shí)時(shí)頻譜分析儀的結(jié)構(gòu)框圖，由輸入衰減器、低通濾波器、本振、下變頻器構(gòu)成的可調(diào)諧RF前端，把輸入信號下變頻到固定中頻(IF),固定中頻的頻率與儀表的最大實(shí)時(shí)帶寬有關(guān)。中頻信號通過ADC對信號進(jìn)行數(shù)字化，然后傳送到DSP進(jìn)行處理，對于信號的處理的時(shí)間長度小于信號的采集長度時(shí)，就能完成對信號的連續(xù)采集和連續(xù)處理和顯示，這就是所謂的實(shí)時(shí)處理。實(shí)時(shí)頻譜分析儀提高了處理速度并增加了實(shí)時(shí)觸發(fā)、無縫信號捕獲和時(shí)間相關(guān)多域分析功能。

圖1.3.2是對實(shí)時(shí)頻譜分析儀完成頻譜處理過程的直觀說明，實(shí)時(shí)頻譜分析儀采用FFT完成頻譜測試，所以實(shí)時(shí)頻譜分析或處理都是在一定的頻率帶寬內(nèi)來完成的，實(shí)時(shí)分析帶寬是實(shí)時(shí)頻譜分析儀重要的技術(shù)指標(biāo)。

(a) 實(shí)時(shí)頻譜分析儀處理過程說明

(b) 實(shí)時(shí)處理

(c) 非實(shí)時(shí)處理

圖1.3.2實(shí)時(shí)處理和非實(shí)時(shí)處理

實(shí)時(shí)頻譜分析儀處理被測信號時(shí)，通過數(shù)字化采集實(shí)時(shí)傳輸，很容易將時(shí)間連續(xù)的樣點(diǎn)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，實(shí)時(shí)頻譜分析儀的結(jié)構(gòu)能夠無縫地捕獲沒有時(shí)間間隔的輸入信號，這是傳統(tǒng)掃頻頻譜分析儀不具備的技術(shù)功能。

在實(shí)際的應(yīng)用領(lǐng)域，技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了這幾種頻譜處理技術(shù)的融合。現(xiàn)在先進(jìn)的信號分析儀同時(shí)具備這幾種信號處理功能，即會(huì)同時(shí)包含掃頻頻譜分析功能、矢量信號分析功能和實(shí)時(shí)頻譜分析功能，通過不同的選件或者應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)這幾種信號處理功能。需要根據(jù)需求，價(jià)格等因素進(jìn)行儀表配置。在應(yīng)用時(shí)，根據(jù)不同的被測信號，來選擇不同的信號處理方法，表1列出了各種信號頻譜測試技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)和適用對象。

表1 各種信號頻譜測試技術(shù)的說明

04

實(shí)時(shí)頻譜分析儀的工作原理

普尚SP900系列信號分析儀，不僅支持常規(guī)的頻譜測量功能，還支持矢量信號分析；尤其是實(shí)時(shí)頻譜分析功能，最大支持510MHz帶寬，POI最短3.51us。實(shí)時(shí)頻譜測試圖如下：

同時(shí)SP900信號分析儀現(xiàn)有的測量程序庫支持超過25種測量應(yīng)用軟件，覆蓋各種復(fù)雜調(diào)制信號：2G、3G、4G、5G NR、蜂窩通信.ZigBee、Pulse和EMI等。搭配定制選件滿足您的測試需求。

審核編輯：劉清