實時頻譜分析儀基礎

圖4重疊存儲

3.RBW、窗口函數和FFT處理
頻率分辨率RBW是一個重要的頻譜分析儀指標。對于實時頻譜分析儀，RBW與采集時間成反比。在采樣率相同時，為實現(xiàn)更小的RBW，要求更多的樣點。窗口函數也會影響RBW。

執(zhí)行離散FFT即DFT分析運算時，如果不加窗口函數，會引發(fā)頻譜泄漏。頻譜泄漏不僅會在輸出中出現(xiàn)不存在的信號，在附近存在大信號時，還會降低觀察小信號的能力。所以在執(zhí)行DFT時，DFT幀乘以窗口函數，樣點間的長度相同，減少或消除DFT幀尾的不連續(xù)點。窗口函數的選擇取決于頻響特點，如旁瓣電平、等效噪聲帶寬和幅度誤差。窗口形狀還決定著RBW形狀。RBW帶寬定義為-3dB帶寬，與DFT中采樣頻率和樣點數量的關系如下：

RBW=K*Fs/N

K是與窗口有關的系數，對于Kaiser窗口，K約為2.23。N是DFT計算中使用的時間域樣點數，F(xiàn)s是采樣頻率。

RBW形狀系數定義為-60dB和-3dB頻譜幅度之間的頻率比，對于Kaiser窗口，約為4:1。

窗口長度可選1024,512,256,128,64，或32個點，以提供可變的RBW帶寬。時域窗口越短，RBW越寬。短的窗口和不足的重疊存儲可能會產生非實時的Gap。

FFT引擎使用Xilinx公司的FFT IP處理核，這個處理核可以連續(xù)運行在300MHz，每秒做292,968.75次FFT運算，也可作CZT（Chirp-Z）變換。CZT與FFT變換類似，但是可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻率樣點，而不會改變DFT的頻域輸出（只會提取與FFT不同的一套頻域樣點）。

4.密度統(tǒng)計存儲

這是實時頻譜分析儀實時顯示處理的關鍵點。首先，必須使用兩個緩存，當數據寫入一個緩存時，同時讀出另一個緩存數據。當寫操作時，每次接入都是“read-modify-write”過程，以增加一個空間；當讀操作時，每次接入都是“read-modify-write”過程，以清除緩存。

為了達到255MHz帶寬和300MSa/s采樣率，必須保留來自FFT運算的1024個頻率點中間的871個點。對于871個頻率點，需要足夠的存儲空間存儲每個頻率點的225個垂直電平，以達到每個電平0.045dB精度，確保100dB的顯示效果。緩存中的每個871x225空間是5位，以使得這個空間能夠允許高達31次的數據進出。

屏幕的刷新速率是每秒30屏，意味著每個空間高達9668次的數據進出，意味著每個空間需要至少14位數據容量。

當一個空間“read-modify-write”檢測到從31到0的翻滾動作，一個溢出“read-modify-write”被移動到SDRAM中匹配的統(tǒng)計內存中，那個空間有32位。這使得我們可以組合超過40億個FFT數據，可用于任何空間一次或兩次的數據進出操作。

實時頻譜分析儀典型特征

1.頻率模板觸發(fā)

頻率模板觸發(fā)是把頻譜形狀與用戶定義的模板進行對比以產生觸發(fā)條件捕獲感興趣的信號。即使在存在電平高得多的其他信號時，頻率模板觸發(fā)仍可以可靠的檢測弱信號。這種存在強信號時觸發(fā)弱信號的能力，對檢測間歇性信號、是否存在互調產物、瞬時頻譜包容違規(guī)等至關重要。

比較信號與模板要求全面的DFT，要求一個完整的幀。頻率模板觸發(fā)的時間分辨率大約是一個DFT幀。它使用FPGA的頻率模板觸發(fā)IP核在時域中確定觸發(fā)事件。

與其他形式的模板測試一樣，頻率模板觸發(fā)先要定義個屏幕模板。這種定義通過一個頻點和幅度集合完成。

模板定義方式：

• 可以通過編輯表格定義；
• 可以通過修改已有的模板產生；
• 可以使用鼠標以圖形方式選點產生；
• 可以根據出現(xiàn)的跡線自動產生；
• 自動產生的模板還可以按需要增加偏置產生新的模板。

模板可以保存和調用。

模板觸發(fā)的方式：進入模板，離開模板，模板內部，模板外部，進入->離開，離開->進入。

可以定義上部的模板或下部的模板，或同時定義上部和下部的模板。

圖5頻率模板定義及觸發(fā)

如果組合矢量信號分析儀軟件VSA，頻率模板觸發(fā)可用于捕獲和記錄復雜的信號。捕獲和記錄后可用VSA軟件進行頻域/時域/解調域等多域分析。頻率模板觸發(fā)可用于作為數據記錄的觸發(fā)點，以充分利用2G的IQ存儲空間，去進行長時間的數據記錄工作，記錄后的數據可以用VSA進行重放、截取、導出文件（給Matlab進一步分析）、或下載到任意波形發(fā)生器等。

此時，才真正使用IQ的存儲空間。

頻率模板觸發(fā)不僅僅可以用于捕獲觸發(fā)后的信號，也可以用于捕獲觸發(fā)前的數據。組合89601B VSA軟件的復雜分析和記錄框圖如圖6所示。

圖6實時頻譜儀結合VSA軟件的處理框圖

2.密度余暉

使用兩維存儲空間（871x225），X軸是FFT頻率點，Y軸是幅度。每秒292969次FFT運算，每個頻率點的相應的幅度值被逐漸存儲。數據的顯示是用顏色表示的（使得有三維的效果），通常最低的密度用藍紫色表示，最高的密度用紅色表示。屏幕大約每30ms刷新一次，余暉時間可設置。密度余暉也依賴于掃寬的設置，F(xiàn)FT處理通常最大化重疊時間。

圖7密度余暉顯示

3.實時頻譜

使用一維存儲空間，一個頻率點一個空間，每個空間存儲選定片段時間內的檢波結果。檢波器可以是：平均（average），峰值（peak），采樣點（sample）等。每個實時頻譜相應的時間片段可以成為頻譜圖的時間要素。實時頻譜效果可以添加在密度余暉圖上（用于光標測量），或在一個單獨的窗口內顯示。片段時間最低可達100us。

圖8實時頻譜圖

4.頻譜圖
頻譜圖是兩維的頻率對時間顯示結果。X軸是FFT頻率點，Y軸是時間。顯示是三維顏色效果，藍紫色表示最低的幅度值，紅色表示最高幅度值。使用者能按時間滾動瀏覽存儲的頻譜。實時頻譜分析儀能夠存儲高達10000個片段的頻譜信息。

圖9頻譜圖

5.功率隨時間變化

功率隨時間變化圖顯示了信號功率怎樣逐個樣點變化。這一顯示與示波器時域波形圖的類似之處在于其橫軸也表示時間，但是豎軸顯示了對數標度的功率，而不是線性標度的電壓。豎軸的功率是頻寬內部檢測到的總功率。實時頻譜分析儀運行使用者選擇濾波器及全頻帶帶寬。功率恒定的信號將產生平坦的軌跡圖，因為每個周期中沒有任何平均功率的變化。

6.功率圖

這是來自功率對時間處理片段的兩維的時間對時間圖形顯示，X軸代表一個處理片段內的時間，Y軸代表一個處理片段到下一個處理片段的時間。用三維顏色效果顯示，藍紫色表示最低幅度的頻譜，紅色表示最高幅度的頻譜。使用者能夠滾動瀏覽存儲的信息。頻譜圖和功率圖都打開時，最大的存儲量高達5000個時間片段。

實時頻譜分析儀技術規(guī)范

實時頻譜分析儀給出了很多的技術規(guī)范參數，結合實時頻譜分析儀的工作原理，不難理解這些參數，下面是N9030A-RT2的技術參數。