实时频谱分析仪的工作原理及应用

1）定义

传统上一般将频谱仪分为三类：扫频式频谱仪、矢量信号分析仪和实时频谱分析仪。实时频谱分析仪（Real Time Spectrum Analyzer，RTSA）是随着现代FPGA技术发展起来的一种新式频谱分析仪，与传统频谱仪相比，它的最大特点是在信号处理过程中能够完全利用所采集的时域采样点，从而实现无缝的频谱测量及触发。由于实时频谱分析仪具备无缝处理能力，使得它在频谱监测、研发诊断以及雷达系统设计中有着广泛的应用。

对于工程师而言，因频域内的杂散和短时事件造成的干扰频率切换过程中信号源的频谱表现造成的干扰或者因数字电路对射频信号的影响造成的干扰非常常见，而寻找此类问题的原因通常非常困难，需要花费很长时间。此时，独特的实时射频频谱的捕捉和显示功能，能够帮助快捷、轻松地分析故障和确定信号特征。它能够无缝化实时地测量信号频谱，甚至能够以时间重叠的形式进行测量，为便于可视化分析，它除了提供实时化的瞬间频谱外，还提供频谱图；在驻留测量模式下，它利用不同颜色实现了实时频谱的可视化，以指示信号发生的时间间隔。频谱事件的触发由与频率有关的模板提供支持，从而有助于可靠地检测频谱中的杂散信号并进行相关调查。

实时触发、无缝捕获和多域分析是实时频谱分析仪的几个主要特点，也是其实现的关键技术。利用实时频谱分析仪独创的频率模板触发技术设定频率和功率两维信息，可将感兴趣的脉冲信号捕获下来。实时频谱分析仪独有的数字荧光显示技术（DPX），可以让你在复杂的环境中发现感兴趣的信号，即使是同频干扰的信号也可以轻松地分辨出来。实时频谱分析仪还可以在时域、频域、调制域进行相关的多域分析和时间关联分析。

2）结构

图4-76是实时频谱分析仪的简化结构框图。实时频谱分析仪可在仪器的整个频率范围内调谐RF前端，把输入信号下变频到固定中频，固定中频与实时频谱分析仪的最大实时带宽有关。ADC对信号进行滤波、数字化，然后传到DSP引擎上，DSP引擎负责管理仪器的触发、存储和分析功能。实时频谱分析仪把良好的动态范围和高实时捕获带宽合理结合起来，增加了频域事件触发电路，提供了独一无二的频率模板触发、无缝信号捕获和时间相关多域分析功能。此外，ADC的技术进步可以实现高动态范围和低噪声转换，使实时频谱分析仪的性能相当于或超过许多扫频频谱分析仪的性能。

图4-76　实时频谱分析仪简化结构框图

3）特性

实时频谱分析仪普遍采用快速傅里叶变换（FFT）来实现频谱测量。FFT技术并不是实时频谱分析仪的专利，其在传统的扫频式频谱分析仪上亦有所应用。但是实时频谱分析仪所采用的FFT技术与扫频式频谱分析仪相比有着许多不同之处，其测量方式和显示结果也有所不同。

（1）高速测量：频谱分析仪的信号处理过程主要包括两步，即数据采样和信号处理。实时频谱仪为了保证信号不丢失，其信号处理速度需要高于采样速度。

（2）恒定的处理速度：为了保证信号处理的连续性和实时性，实时频谱分析仪的处理速度必须保持恒定。传统频谱分析仪的FFT计算在CPU中进行，容易受到计算机中其他程序和任务的干扰。实时频谱分析仪普遍采用专用FPGA进行FFT计算，这样的硬件实现既可以保证高速性，又可以保证速度的稳定性。

（3）频率模板触发（Frequency Mask Trigger，FMT）：FMT是实时频谱分析仪的主要特性之一。它能够根据特定频谱分量大小设置触发条件，从而帮助工程师捕获特定时刻的信号。而传统的扫频式频谱分析仪和矢量信号分析仪一般只具备功率或者电平触发，不能根据特定频谱的出现情况触发测量，因此对转瞬即逝的偶发信号无能为力。

（4）丰富的显示功能：传统频谱分析仪的显示专注在频率和幅度的二维显示，只能观察到测量时刻的频谱曲线。而实时频谱分析仪普遍具备时间、频率、幅度的三维显示，甚至支持数字余辉和频谱密度显示，从而帮助测试者观测到信号的前后变化及长时间统计结果。

4）关键指标

实时频谱分析仪和传统频谱分析仪有共同的指标，例如频率、分析带宽、动态范围等；同时也有自己独特的指标，例如FFT速度、最短截获时间等。其关键指标包含：

（1）频率：频谱分析仪能检测的最高频率值，一般无线通信要求的频率上限在十几吉赫兹，军用、航天类型的应用要求在50 GHz以上，甚至达到100 GHz以上。

（2）分析带宽：频谱分析仪能够同时分析的最大信号频率范围，一般取决于其中频ADC的最高带宽。随着微电子技术的发展，现在频谱分析仪的分析带宽已经从最初的几十兆赫兹增加到几百兆赫兹。对于实时频谱分析仪而言，分析带宽越宽，其ADC的采样率就越高，实时FFT计算的要求也越高。

（3）无杂散动态范围（SFDR）：衡量频谱分析仪同时观测大小信号的能力，该参数一般取决于频谱分析仪的本底噪声、ADC位数等。

（4）100%截获信号持续时间：实时频谱分析仪虽然适合观测瞬态信号，但是对信号的持续时间也有特定要求。高于一定持续时间的信号能够被百分之百地准确测量到；低于该时间的信号可能会被捕获，但是幅度精度不能保证。

（5）FFT计算速度：频谱分析仪里面的FPGA硬件进行FFT计算的速度。

5）主要概念

（1）样点、帧和块

要了解实时频谱分析仪如何在时域、频域和调制域中分析信号，首先需要知道仪器是怎样采集和存储信号的。在ADC数字化转换信号之后，信号使用时域数据表示，然后可以使用DSP计算所有频率和调制参数。实时频谱仪在采集捕获信号时，存储的数据层包括三级——样点、帧和块，如图4-77所示。

图4-77　实时频谱仪的数据层级：样点、帧、块结构

数据层级的最底层是样点，它代表着离散的时域数据点。这种结构在其他数字取样应用中也很常见，如实时示波器和基于PC的数字转换器。决定相邻样点之间时间间隔的有效取样速率取决于选择的跨度。在实时频谱分析仪中，每个样点作为包含幅度和相位信息的I/Q都存储在内存中。

上一层是帧，帧由整数个连续样点组成，是可以应用快速傅里叶变换（FFT）把时域数据转换到频域中的基本单位。在这一过程中，每个帧产生一个频域频谱。采集层级的最高层是块，它由不同时间内无缝捕获的许多相邻帧组成。块长度（也称为采集长度）是一个连续采集的总时间。

在实时频谱分析仪实时测量模式下（图4-78），它无缝捕获每个块并存储在内存中，然后使用DSP技术进行后期处理，分析信号的频率、时间和调制特点。

图4-79是块采集模式，可以实现实时无缝捕获。对块内部的所有帧，每个采集在时间上都是无缝的，但是在块与块之间不是无缝的。在一个采集块中的信号处理完成后，才开始采集下一个块。一旦块存储在内存中，就可以应用任何实时测量。例如，实时频谱模式下捕获的信号可以在解调模式和时间模式下分析。

图4-78　实时频谱分析仪技术引入

图4-79　块采集模式

（2）频率模板触发

图4-80　采用频率模板的实时频域触发

有效触发一直是大多数频谱分析工具中所缺乏的。实时频谱分析仪除了简单的IP电平和外部触发功能外，还提供了实时频域触发模式。传统的扫频频谱分析仪不太适合实时触发，其原因在于它的触发方式只是一维的电平触发，而实时频谱分析仪则提供给用户功率与频率的两维触发定义信息，也就是说它能够在频谱图上按照不同的频率与功率“任意”画出模板，并以信号超过或退出模板作为触发条件。如图4-80所示，实时频谱分析仪画出一个模板，当频谱中某段频率的功率超过了模板，就产生了触发。利用频率模板触发捕获多载波信号中的跳频干扰信号。

频率模板触发为检测和分析动态射频信号提供了一个强大的工具。它可以用来进行传统频谱分析仪不可能完成的测量，如：捕获强大的射频信号下面的小电平瞬时事件；在拥挤的频谱范围内检测特定频率上的间歇性信号。图4-81为AV4051对突发干扰信号的测量。频谱图功能能够在时域内无遗漏地进行频谱显示“频率模板触发”（FMT）功能能触发对频谱中发生的某个杂散事件的测量，驻留测量模式能够形象地显示信号发生的时间间隔，对于较长的射频序列，可采用实时的I/Q数据流进行记录。

频率模板触发是有力的频率跳变监测和发射机特性监测工具，按此方法采集到的信息可用于有选择地进行频率触发，以准确地记录和分析某一特定频率跳变或干扰信号的相关数据集，这样就大大加快和方便了发射机的故障检测工作。备有各种显示选件，使其操作更为方便，例如，仪器针对特定的测量任务提供了预定义和自定义的色标。

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图4-81　突发干扰信号的测量

（3）无缝捕获和三维频谱图

定义了触发条件后，实时频谱分析仪会连续检查输入信号，考察指定的触发事件。在等待这个事件发生时，信号会不断数字化，时域数据循环通过先进先出捕获缓冲器，累积新数据时不断丢弃最老的数据。这一过程可以无缝采集指定的块，其中信号用连续的时域样点表示。一旦这些数据存储在内存中，它可以使用不同的显示画面进行处理和分析，如功率与频率关系、频谱图和多域图。

图4-82　传统频谱和三维频谱同时显示

三维频谱图是一个重要的测量项目，它直观地显示了频率和幅度怎样随时间变化。横轴表示传统频谱分析仪在功率与频率关系图上显示的相同的频率范围，竖轴表示时间，幅度则用轨迹颜色表示。每“片”频谱图与从一个时域数据帧中计算得出的一个频谱相对应。图4-82就是动态信号三维频谱图。在三维频谱图上，最老的帧显示在图的顶部，最新的帧显示在图的底部。

图4-82同时显示了功率与频率关系的传统频谱与三维频谱图。这一测量显示了频率随时间变化的射频信号，由于数据存储在内存中，可以使用标尺在三维频谱图的时间轴上向回滚动，以进行存储频谱信息的逐帧回放。除了瞬态频谱以外，实时频谱分析仪具有另外两种重要的频谱表现方式：数字（余辉）全息频谱和实时频谱瀑布图。图4-83为数字（余辉）全息频谱和实时频谱瀑布图。

频谱图功能能够在时域内无遗漏地进行频谱显示。频谱图功能允许以无缝化方式显示频谱—时间关系图，此时仪器会为信号电平分配一种颜色，使一条水平线就足以显示出频谱，以此生成连续的谱线（频谱图），从而得到完整的频谱—时间关系图。在显示频谱图时，可保存100 000条迹线，因而根据设置的更新速度，最多可记录长达5个小时的频谱图。

图4-83　数字（余辉）全息频谱和实时频谱瀑布图

利用频谱图中的标记可以确保对信号频谱中发生的事件进行准确测量，例如测量其发生的时间间隔和持续时间以及发生的频率，从而使用户能够不间断地监测频谱波段，其优势在于不仅能够监测频谱，而且能够跟踪杂散干扰，以防对有用射频信号造成严重的问题。可应用于对于频率经常变化的无线传输，例如RFID、Bluetooth®应用。

（4）时间相关多域分析

对于存储在内存中的信号，实时频谱分析仪提供了各种时间相关的信号分析，这对设备调试和信号检定特别有用。与传统射频仪表不同的是，所有这些测量都基于同一底层的时域样点数据，突出表现为两大结构优势：

·在频域、时域和调制域中，通过一次采集进行全方位信号分析；

图4-84　多域关联分析分析信号多域参数特征回放

·多域时间相关，可了解频域、时域和调制域中的特定事件怎样在公共时间参考点上相关。图4-84是使用实时频谱分析仪的时间相关多域分析功能，AV4051可提供最大200 MHz带宽下最长可达数小时的宽带信号无缝捕获记录，并具备选时回放分析和信号样本处理的能力。

从中我们可以看到“时间相关”的重要性，如果使用矢量信号分析仪分析瞬时信号的状态改变，由于它不能提供统一的时间参考点，频谱测试图与调制域分析图的测试时间是错开的，当矢量信号分析仪进行调制域分析时，蓝牙干扰可能已经消失。

连续波（CW）信号和可预测的重复信号对于经验丰富的射频工程师来讲不是难题，但是目前的复杂捷变信号以及多信号环境则是一项巨大挑战。为了与不断变化的分析需求保持同步，近年来业内出现了一些新型的信号分析仪和应用软件。信号分析仪在单一仪器中提供了扫描频谱、实时分析与矢量信号分析功能组合。捷变信号的设计和故障诊断任务是很难完成的，特别是这些信号处在混杂其他捷变信号的环境中，任务变得难上加难。即便是对一个非常灵活或复杂的信号进行分析也会比较困难。使用实时频谱分析功能可以实现真正无间隙的频谱分析，捕获动态和罕见信号的特性。

列举一个复杂信号的实例，比如S频段捷变雷达信号。接收机上的信号的幅度在几秒钟内变化非常明显，相对于信号的脉冲长度和重复间隔（由此产生的短占空比）等短期特征，信号幅度这种长期特征会使信号变得非常灵活且难以测量。通过用扫频分析仪对该信号进行基本频谱分析，就能显示出其中的测量困难。即便经过多次扫描且应用了最大保持函数，这个信号也无法清晰显示。PXA实时频谱分析仪的屏幕（图4-85）借助密度或直方图能够轻松地显示该信号的主要特征，比起扫频分析仪更加简单。这个密度或直方图采集了大量的实时频谱数据，并在单个显示屏上显示，可以看到以相对出现频率为指标的罕见和常见事件。

图4-85　实时捕获的S频段雷达信号

PXA的实时分析仪模式以及密度显示提供一种快速、深入的表示方法，可以显示这种宽带、动态、捷变信号。除了本底噪声以外的所有蓝色轨迹表示的都是脉冲，具有极低的出现频率。这就是用扫频分析仪难以测量捷变信号（或快速、可靠地找到信号）的主要原因。

图4-86　从三个不同角度显示的测试信号：时域（上）、瀑布图（中）和频域（下）

除当前频谱外，瀑布图还可显示出频谱随时间的变化趋势。为便于观察，频谱幅度带有色温显示。由于FFT速率很高，即使是快速的频谱变化也能够实时显示。与历史和分段存储选件结合使用时，瀑布图标记可显示出采集时间，从而使用户能够将相应的时间和频谱波形加载到屏幕上。所有工具都可用来分析加载的波形。标记精确至微秒级，可以将标记自动定位在频谱峰值上以便快速分析。可使用一个可调整的门限值对峰值进行定义。为了进行深入分析，可对偏移和最大峰宽等参数进行调整。可以在表中对结果进行编辑（绝对值和相对于特定参考标记的相对值）。借助于差值测量功能，可方便地调整信号峰值之间的距离。图4-86为从三个不同角度显示的测试信号：时域（上）、瀑布图（中）和频域（下）。

（5）DPX数字荧光技术

DPX是指泰克公司用于实时频谱仪的并行处理和显示压缩技术。传统扫频分析仪每秒最多可以处理50个频谱，采用DPX技术的实时频谱分析仪的测量速率提高了上千倍，大大增强了查看频域中发生瞬变的能力。DPX技术通过把时域信号连续转换到频域中，以远远高于人眼能够感受到的帧速率提取和实时计算离散傅里叶变换（DFT），并把它们转换成直观的活动的画面。DPX采用“色温”显示，用颜色的深浅表示信号发生的概率。使用可变颜色等级余辉来保持异常信号并不断累计，直到能够看到这些信号。在每次更新时，都将记录捕获带宽中每个频率上的功率电平值，并通过在显示屏上改变颜色来显示每个频率上入射功率随时间变化的情况。因此，DPX技术可以显示以前看不到的射频信号实况，有助于揭示毛刺和其他瞬时事件。

6）实时频谱分析仪的应用

实时频谱分析仪由于其技术上的优势，在无线电监测等领域里有一些独到的应用。

（1）发现同频干扰

如何有效发现同频信号或干扰一直是困扰RF测试领域的难题，目前所有的手段只能显示两个或多个同频或相近频率信号的功率叠加包络，这对分辨同频干扰毫无意义。实时频谱仪独有的DPX数字荧光技术将同频的WLAN和蓝牙信号按照出现的概率“实时”显示出来，就可以实时发现同频干扰。

（2）发现大信号下面的小信号

与同频干扰类似，发现“淹没”在宽带大信号包络下面的微小信号对于扫频仪来说如同大海捞针。而实时频谱仪具有较宽的实时分析带宽和DPX数字荧光技术，同样的宽带雷达信号下淹没的微小扫频信号在实时频谱仪上显示无遗。DPX数字荧光技术能把不同的信号按出现的频次分别独立显示出来，而不是传统扫频仪的“同频功率累加”显示。图4-87为用于深入分析骚扰细节的实时频谱分析。

图4-87　用于深入分析骚扰细节的实时频谱分析

（3）发现微秒级甚至纳秒级瞬态信号

与传统射频测试仪器相比，采用了DPX技术的实时频谱分析仪使我们可以清晰明确地发现跳频信号的变化规律，甚至可以看到微秒级、纳秒级瞬态信号的变化。

（4）捕获瞬态干扰信号

捕获瞬态信号的一个重要手段是实时频率模板触发，它超越了传统射频测试工具单一的功率触发模式，允许用户根据频域中的特定事件自定义模板触发采集（具有定频率、定功率、定时间的特点），是触发干扰信号（小于正常信号电平）的唯一手段，克服了传统扫频仪和矢量分析仪无法有效触发的弱点。