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1、 1实时频谱分析基础知识入门手册 5实时频谱分析基础知识入门手册2 1 章: 简介和概述3-8 RF信号的演变3 现代RF测量挑战4 简单考察仪器结构5 扫频分析仪5 矢量信号分析仪7 实时频谱分析仪7第2章: 实时频谱分析仪的工作方式9-37 RF/IF信号调节9 输入切换和发送段10 RF段和微波段10 频率变换 /IF 段11 数字信号处理(DSP)概念12 实时频谱分析仪中的数字信号处理路径12 IF数字转换器13 校正13 数字下变频器(DDC)14 IQ基带信号14 压缩15 压缩滤波15 把时域波形变换到频域中16 实时频谱分析17 发现和捕获瞬态事件17 RSA与扫频分析仪比
2、较18 实时频谱分析仪上的RBW18 窗口19 实时频谱分析仪中的离散傅立叶变换(DFT)20 数字滤波22 有限脉冲响应(FIR)滤波器22 频响与脉冲响应22 数值卷积23 DPX技术：革命性的信号发现工具25数字荧光显示26 DPX显示引擎27 DPX变换引擎29 DPX密度测量29 定时和触发30 实时触发和采集31 系统触发和数字采集32 触发模式和功能32 RSA触发源33 建立频率模板34 解调35 幅度调制、 频率调制和相位调制35 数字调制36 功率测量和统计37第3 章: 实时频谱分析仪测量38-46 实时频谱分析仪测量类型38 频域测量38 DPX频谱39 时域测量39
3、调制域测量42 码域测量44 统计域测量45第 4 章: 实时频谱分析仪的应用47-49 脉冲测量47 雷达47 RFID47 频谱管理/监控48 无线电通信48 功率放大器测试49 频噪效应和相位触发分析49 EMI/EMC49第 5 章: 术语表50-51 词汇表50 参考缩略语51目录 3实时频谱分析基础知识入门手册第 1 章：简介和概述RF信号的演变早在19世纪60年代，James Clerk Maxwell通过数学 运算， 预测出存在着能够通过空白空间传输能量的电磁 波， 此后， 工程师和科学家一直在寻求创新方法利用RF 技术。在 Heinrich Hertz在 1886 年物理演示
4、了“无线 电波”之后，Nikola Tesla、Gugliemo Marconi等人开 创了利用这些波实现长途通信的方式。一个世纪以后， 无线电已经成为RF信号第一个实际应用。过去三十年 中已经启动了多个研究项目，考察信号发送和接收方 法， 检测和定位远距离内的目标。 到第二次世界大战开 始时， 无线电检测和量程(也称为雷达)已经成为又一个 盛行的 RF 应用。在很大程度上， 由于军事和通信领域的持续增长， RF技 术创新在20世纪其余时间内都一直稳定加速增长，直 到今天这种增长仍在继续。 为防止干扰、 避免检测及改 善容量， 现代雷达系统和商用通信网络已经变得非常复 杂，这两种系统一般都采用
5、全面组合的RF技术，如复 杂的自适应调制、 突发和跳频。 设计这些高级RF器件， 并把它们成功地集成到工作系统中，是非常复杂的任 务。同时，越来越广泛的蜂窝技术和无线数据网络的成功， 导致了基本RF元器件的成本大幅度下降。这使得传统 军事和通信领域之外的制造商能够把相对简单的RF器 件嵌入到各类商用产品中。 RF发射机已经深入生活， 几 乎在任何想得到的位置都可以发现它们的身影， 如家中 的消费电子，医院中的医疗器械，工厂中的工控系统， 甚至植入家畜、宠物和人体皮肤下的跟踪设备。随着RF信号在现代世界中变得无所不在， 生成RF信号 的器件之间的干扰问题也随之增长。 在需要牌照的频谱 中工作的移
6、动电话等产品，在设计时必须不会把RF 能 量发送到相邻频率信道中，对在不同传输模式之间切 换、保持到不同网元的同步链路的复杂多标准设备来 说，这一点尤其具有挑战性。在没有牌照的频段中工作 的比较简单的器件， 也必须设计成在存在干扰信号时能 够正确运行，政府法规通常规定，这些器件只允许以低 功率在短突发中传输信号。这些新的数字RF 技术需要 结合使用计算机和RF， 包括无线局域网、 手机、 数字电 视、RFID、等等。这些技术与软件定义的无线电(SDR) 和认知无线电(CR)最新技术相结合， 提供了新的发展道 路，将从根本上改变频谱分析方法，提高最稀缺的商品 之一 RF频谱的利用效率。为克服这些
7、不断演变的挑战， 当前工程师和科学家能够 可靠地检测和检定随时间变化的 RF 信号非常关键，而 使用传统测量工具并不能简便地实现这一点。 为解决这 些问题，泰克研制了实时频谱分析仪(RSA)，这种仪器 可以发现 RF 信号中的难检效应，触发这些效应，把它 们无缝捕获到存储器中，并在频域、时域、调制域、统 计域和码域中分析这些效应。本文介绍了RSA的工作方式， 您可以基本了解怎样使用 RSA，解决与捕获和分析现代 RF信号有关的许多测量 问题。4 RF测量挑战鉴于检定当前RF器件行为特点的挑战， 必需了解频率、 幅度和调制参数在短期和长期内的行为方式。在这些 情况下， 使用传统工具如扫频分析仪
8、(SA)和矢量信号分 析仪(VSA)可能会在频域和调制域内提供信号概况， 但 其通常不能提供足够的信息，让用户满怀信心地描述 器件生成的动态RF 信号。考虑一下下面挑战性的测量任务：发现罕见的短时间周期事件查看较强的信号掩盖的较弱信号观察噪声掩盖的信号查找和分析瞬态信号和动态信号捕获突发传输、毛刺、开关瞬态事件检定 PLL稳定时间、频率漂移、微音扩大捕获扩频信号和跳频信号监测频谱使用情况，检测游荡传输测试和诊断瞬态 EMI效应检定随时间变化的调制方案隔离软件和硬件交互每种测量都涉及随时间变化的RF信号，这些信号通常 是不可预测的。 为有效检定这些信号的特点， 工程师需 要一种工具， 这种工具要
9、能够发现难检事件， 有效触发 这些事件，把事件隔离到存储器中，以便能够在频域、 时域、调制域、统计域和码域中分析信号行为。 5实时频谱分析基础知识入门手册简单考察仪器结构为了解 RSA的工作方式及理解其提供的测量价值，有 必要先考察两类其它的传统RF信号分析仪：扫频分析 仪(SA)和矢量信号分析仪(VSA)。扫频分析仪 扫描调试的超外差是几十年前第一个使工程师能够进行 频域测量的传统结构。 扫频分析仪最初是使用纯模拟器件构建的， 之后一直随着其服务的应用不断发展。 当前 一代扫频分析仪包括各种数字单元，如ADC、DSP和 微处理器。但是，基本扫描方法在很大程度上保持不 变， 其最适合观测受控的
10、静态信号。 扫频分析仪通过把 关心的信号向下变频， 并扫描通过解析带宽(RBW)滤波 器的传输频带，来测量功率随频率变化。RBW滤波器 后面跟有一个检测器， 检测器计算选择的频宽内每个频图1-1. 扫频分析仪步进通过一系列频段， 通常会漏掉当前扫描频段之外发生的重要瞬态事件， 如右面突出显示的棕褐色段Fb。率点的幅度。尽管这种方法可以提供很高的动态范围， 但其缺点在于，它一次只能计算一个频率点的幅度数 据。这种方法基于这样一个假设，即分析仪能够完成多 次扫描，而被测信号没有明显变化。结果，这种方法要 求输入信号相对稳定及不变。如果信号迅速变化，那么 在统计上可能会漏掉变化。如图1-1所示，扫描
11、查看频 段 Fa，而在Fb (左图)上发生了一个瞬时频谱事件。在 扫描到达频段 Fb 时，事件已经消失，没有检测到事件 (右图)。扫频分析仪结构没有提供一种可靠的方式，发 现这类瞬态信号的存在，因此调试许多现代 RF 信号要 求非常长的时间和大量的工作。除漏掉瞬时信号外，现 代通信和雷达中使用的脉冲信号的频谱还可能会被错误 地表示。如果不进行重复扫描，那么扫频分析仪结构不 能表示脉冲占用的频谱。 另外还要特别注意扫描速率和 解析带宽。6 a, b, c：扫频分析仪(a)、矢量信号分析仪(b)和实时频谱分析仪(c)简化的方框图。a) 扫频分析仪(SA)输入衰减器低通 RF下变频器解析带宽 滤波
12、器包络 检测器 (SLVA)视频带宽 滤波器显示器YIG 预选器扫描 发生器扫频本振b) 矢量信号分析仪(VSA)采集带宽 捕获后处理输入衰减器低通RF下变频器IF 滤波器数字 滤波器显示器带通 本振存储器微处理器c) 实时频谱分析仪(RSA6000系列 + 选项 110)RF 下变频器实时数字捕获后输入衰减器低通IF滤波器下变频器 和滤波器幅度 / 相位校正DDC/采样存储器显示器带通 本振100或300 Msps自由运行110 MHz 采集带宽实时IQ 输出 (选项 05)实时引擎显示 触发 分析微处理器实时带宽 显示处理实时信号处理基于 FFT 的现代分析仪 7实时频谱分析基础知识入门手册图1-2说明了典型的现代扫频分析仪结构。 尽管现代扫 频分析仪已经用数字信号处理(DSP)代替了模拟功能， 但基础结构和限制保持不变。矢量信号分析仪 分析传送信号的数字调制要求进行矢量测量， 以同时提 供幅度信息和相位信息。 图1-2b是简化的VSA方框图。VSA数字化仪器传输频带内部的所有RF功率，把数字 化的波形放到存储器中。 存储器中的波形同时包含幅度 信息和相位信息， DSP可以使用这些信息进行解调、 测 量或显示处理。 在VSA内部， ADC数字化宽带IF信号， 下变频、 滤波和检测以数字方式完成。 从时域到频域的 变换使用FFT算法完
