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实时频谱分析仪

频谱分析仪是射频微波设计和测试工作中的常用仪器,它能够帮助电子工程师完成频谱观测、功率测量以及复杂信号解调分析等工作。
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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,它的最大特点在于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。
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仪的专利,其在传统的扫频式频谱仪上亦有所应用。但是实时频谱仪所采用的FFT技术与之相比有着许多不同之处,同时其测量方式和显示结果也有所不同:
  1. 高速测量:频谱仪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,实时频谱仪的处理速度必须保持恒定。传统频谱仪的FFT计算在CPU中进行,容易受到计算机中其它程序和任务的干扰。实时频谱仪普遍采用专用FPGA进行FFT计算,这样的硬件实现既可以保证高速性,又可以保证速度稳定性。
  3. 频率模板触发(Frequency Mask Trigger):FMT是实时频谱仪的主要特性之一,它能够根据特定频谱分量大小作为触发条件,从而帮助工程师观察特定时刻的信号形态。传统的扫频式频谱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。因此传统扫频频谱仪和实时频谱分析仪各自有着自己的应用场景。
  4. 丰富的显示功能:传统频谱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,从而帮助测试者观察到信号的前后变化及长时间统计结果。
关键指标
当前的实时频谱仪部分是专用的仪表,部分可通过传统的频谱仪升级实现。实时频谱仪和传统频谱仪有共同的指标,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,其主要指标包含: 频率:频谱仪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个GHz,军用,航天类型的应用要求在50GHz以上,甚至达到100GHz以上。 分析带宽:频谱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的带宽最高,随着微电子技术的发展,现在频谱仪的分析带宽已经从最初的几十MHz增加到一百MHz以上。对于实时频谱仪而言,分析带宽越宽,其ADC的采样率越高,实时FFT计算的要求也越高。 无杂散动态范围(SFDR):衡量频谱仪同时观察大小信号的能力,该参数一般取决于频谱仪的底噪,ADC位数等。 100%截获信号持续时间:实时频谱仪虽然适合观察瞬态信号,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100%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。 FFT计算速度:频谱仪里面的FPGA硬件进行FFT计算的速度。
主要应用
实时频谱分析仪能够在实时分析带宽之内无缝地进行FFT计算和频谱触发,因此十分有利于瞬态信号的捕获和分析,在频谱监测,雷达系统设计,跳频电台测试,振荡器研发等领域有着广泛的应用。以下是几种典型应用场景下的测试效果: 图2. 跳频雷达信号检测 图3. 脉冲信号时域频域分析 图4. 振荡器锁定过程分析