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。快速傅立葉變換 (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。基于這些，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。