矢量信號分析儀原理

矢量信號分析儀是常用的進行雷達和無線通訊信號分析的儀器。

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 ) 的時變信號從 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量、解調(diào)以及高級時域分析功能，特別適用于表征復(fù)雜信號，如通信、視頻、廣播、雷達和軟件無線電應(yīng)用中的脈沖、瞬時或調(diào)制信號。

圖 1 顯示了一個簡化的 VSA 方框圖。VSA 采用了與傳統(tǒng)掃描分析截然不同的測量方法 ; 融入 FFT 和數(shù)字信號處理算法的數(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模擬系統(tǒng) ; 而 VSA 基本上是一個使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和數(shù)學(xué)算法來進行數(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系統(tǒng)框圖。

圖 1. 矢量信號分析過程要求輸入信號是一個被數(shù)字化的模擬信號，然后使用 DSP 技術(shù)處理并提供數(shù)據(jù)輸出 ; FFT 算法計算出頻域結(jié)果，解調(diào)算法計算出調(diào)制和碼域結(jié)果。

VSA 的一個重要特性是它能夠測量和處理復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，即幅度和相位信息。實際上，它之所以被稱為“矢量信號分析”正是因為它采集復(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)行測量接收機的基本功能。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。這些改進可以通過數(shù)字技術(shù)來實現(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。

因為要分析的信號變得越來越復(fù)雜，最新一代的信號分析儀已經(jīng)過渡到數(shù)字架構(gòu)，并且往往具有許多矢量信號分析和調(diào)制分析的能力。有些分析儀在對信號進行放大，或進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。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行真正的矢量測量。另一方面，其它的前端如示波器和邏輯分析儀等對整個信號進行數(shù)字化，同時也保留了相位和幅度信息。VSA 無論作為合成的測量前端的一部分，還是單獨在內(nèi)部運行或在與前端相連的計算機上運行的軟件，它的分析能力都依賴于前端的處理能力，無論前端是綜合測量專用軟件，還是矢量分析測量動態(tài)信號并產(chǎn)生復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果。

VSA 相比模擬掃描調(diào)諧分析有著獨特的優(yōu)勢。一個主要的優(yōu)勢是它能夠更好地測量動態(tài)信號。動態(tài)信號通常分為兩大類 : 時變信號或復(fù)數(shù)調(diào)制信號。時變信號是指在單次測量掃描過程中，被測特性發(fā)生變化的信號 ( 例如突發(fā)、門限、脈沖或瞬時信號 )。復(fù)數(shù)調(diào)制信號不能用簡單的 AM、FM 或 PM 調(diào)制單獨描述，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)諧分析顯示了一個窄帶 IF 濾波器對輸入信號的瞬時響應(yīng)。矢量分析使用 FFT 將大量時域采樣轉(zhuǎn)換到頻域頻譜。

傳統(tǒng)的掃描頻譜分析實際上是讓一個窄帶濾波器掃過一系列頻率，按順序每次測量一個頻率。對于穩(wěn)定或重復(fù)信號，這種掃描輸入的方法是可行的，然而對掃描期間發(fā)生變化的信號，掃描結(jié)果就不能精確地代表信號了。

還有，這種技術(shù)只能提供標(biāo)量 ( 僅有幅度 ) 信息，不過有些信號特征可以通過進一步分析頻譜測量結(jié)果推導(dǎo)得出。

VSA 測量過程通過信號“快照”或時間記錄，然后同時處理所有頻率，以仿真一系列并聯(lián)濾波器從而克服了掃描局限。例如，如果輸入的是瞬時信號，那么整個信號事件被捕獲 ( 意味著該時刻信號的所有信息都被捕獲和數(shù)字化 ); 然后經(jīng)過 FFT 運算，得出“瞬時”復(fù)數(shù)頻譜對頻率的關(guān)系。這一過程是實時進行的，所以就不會丟失輸入信號的任何部分?；谶@些，VSA 有時又稱為“動態(tài)信號分析”或“實時信號分析”。不過， VSA 跟蹤快速變化的信號的能力并不是無限制的。它取決于 VSA 所具有的計算能力。

并行處理為高分辨率 ( 窄分辨率帶寬 ) 測量帶來另一個潛在的優(yōu)勢：那就是更短的測量時間。如果你曾經(jīng)使用過掃描調(diào)諧頻譜分析儀，就會知道在較小小頻率掃寬下的窄分辨率帶寬 (RBW) 測量可能非常耗時。掃描調(diào)諧分析儀對逐點頻率進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間。與之相反，VSA 可以一次性測量整個頻率掃寬。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)字處理的時間。但是，VSA 的建立時間與模擬濾波器的建立時間相比通常是可以忽略不計的。對于某些窄帶測量，VSA 的測量速度可以比傳統(tǒng)的掃描調(diào)諧分析快 1000 倍。

在掃描調(diào)諧頻譜分析中，掃描濾波器的物理帶寬限制了頻率分辨率。VSA 沒有這一限制。VSA 能夠分辨間隔小于 100 μHz 的信號。VSA 的分辨率通常受限于信號和測量前端的頻率穩(wěn)定度，以及在測量上希望花費的時間的限制。分辨率越高，測量信號所需要的時間 ( 獲得要求的時間記錄長度 ) 就越長。

另一個極為有用的特性是時間捕獲能力。它使你可以完整無缺地記錄下實際信號并在以后重放，以便進行各種數(shù)據(jù)分析。捕獲的信號可用于各種測量。例如，捕捉一個數(shù)字通信的發(fā)射信號，然后既進行頻譜分析也進行矢量調(diào)制分析，以測量信號質(zhì)量或識別信號缺損。

使用數(shù)字信號處理 (DSP) 還帶來其它優(yōu)勢;它可以同時提供時域、頻域、調(diào)制域和碼域的測量分析。集這些能力于一身的儀器更有價值，它可改善測量質(zhì)量。VSA 的 FFT 分析使你可以輕松和準(zhǔn)確地查看時域和頻域數(shù)據(jù)。DSP提供了矢量調(diào)制分析，其中包括模擬和數(shù)字調(diào)制分析。模擬解調(diào)算法可提供與調(diào)制分析儀類似的 AM、FM 和 PM 解調(diào)結(jié)果，使您可以看到幅度、頻率和相位隨時間變化的曲線圖。數(shù)字解調(diào)算法可適用于許多數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn) ( 例如GSM、cdma2000?、WiMAXTM、LTE 等 ) 的廣泛的測量，并獲得許多有用的測量顯示和信號質(zhì)量數(shù)據(jù)。

很明顯 VSA 提供了許多重要的優(yōu)勢，當(dāng)配合使用合適的前端時，還可以提供更多、更大的優(yōu)勢。例如，當(dāng) VSA 與傳統(tǒng)的模擬掃描調(diào)諧分析儀結(jié)合使用時，可提供更高的頻率覆蓋率和更大的動態(tài)范圍測量能力 ; 與示波器結(jié)合使用時，可提供寬帶分析 ; 與邏輯分析儀結(jié)合使用時，可探測無線系統(tǒng)中的FPGA 和其它數(shù)字基帶模塊。

如前所述，VSA 本質(zhì)上是一個數(shù)字系統(tǒng)，它使用 DSP 進行 FFT 頻譜分析，使用解調(diào)算法進行矢量調(diào)制分析。FFT 是一種數(shù)學(xué)算法，它對時間采樣數(shù)據(jù)提供時域-頻域的轉(zhuǎn)換。模擬信號必須在時域中被數(shù)字化，再執(zhí)行 FFT 算法計算出頻譜。從概念上說，VSA 的實施是非常簡單直接的 : 捕獲數(shù)字化的輸入信號，再計算測量結(jié)果。參見圖 3。不過在實際中，必須考慮許多因素，才能獲得有意義和精確的測量結(jié)果。

圖 3. 1 kHz FFT 分析舉例 : 先數(shù)字化時域信號，再使用 FFT 將其轉(zhuǎn)換到頻域

如果你熟悉 FFT 分析，就知道 FFT 算法針對所處理的信號有幾點假設(shè)條件。算法不校驗對于所給輸入這些假設(shè)是否成立，這就有可能產(chǎn)生無效的結(jié)果，除非用戶或儀器可以驗證這些假設(shè)。

圖 1 為一般的 VSA 系統(tǒng)方框圖。在 DSP 過程中，不同的環(huán)節(jié)可能使用不同的功能。圖 4 顯示了安捷倫一般使用的技術(shù)圖。VSA 測量過程包括這些基本階段:

測量前端

1. 包括頻率轉(zhuǎn)換的信號調(diào)整。基于所使用的前端硬件，可能需要和 / 或可以使用不同的信號調(diào)整步驟。

2. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

3. 正交檢波

VSA 軟件

4. 數(shù)字濾波和重采樣

5. 數(shù)據(jù)窗口

6. FFT 分析 ( 對于矢量調(diào)制，由解調(diào)模塊替代模塊 5 和 6)

測量過程的第一個階段稱為信號調(diào)整。這個階段包括幾個重要的功能，對信號進行調(diào)整和優(yōu)化，以便于模擬- 數(shù)字轉(zhuǎn)換和 FFT 分析。第一個功能是AC 和 DC 耦合。如果您需要移除測量裝置中無用的 DC 偏置，就必須使用這一項。接下來信號被放大或衰減，以達到混頻器輸入的最佳信號電平?；祛l器階段提供信號頻率的轉(zhuǎn)換或射頻到中頻的下變頻，并將信號最后混頻為中頻。

這一操作與掃描調(diào)諧分析中的超外差功能相同，將 FFT 分析能力擴展到微波頻段。實際上，要獲得最后的中頻頻率，可能需要經(jīng)過多個下變頻階段。有些信號分析儀提供外部 IF 輸入能力 ; 你可以通過提供自己的 IF，延展 VSA 的頻率上限范圍，從而與自己提供的接收機相匹配。

圖 4. 簡化的方框圖顯示了射頻硬件前端和矢量信號分析軟件。

信號調(diào)整過程的最后階段是預(yù)防信號混疊，它對于采樣系統(tǒng)和 FFT 分析極為重要?？够殳B濾波執(zhí)行這一功能。如果 VSA 測量沒有對混疊做出足夠的預(yù)防，那么它可能會顯示不屬于原始信號的頻率分量。采樣定律告訴我們，如果信號采樣速率大于信號中最高頻率分量的兩倍，被采樣的信號就可以被準(zhǔn)確重建。最低的可接受的采樣率稱為奈奎斯特 (Nyquist) 采樣率。

因此，ƒs > 2 (ƒmax)

其中 ƒs = 采樣率

ƒmax = 最高頻率分量

如果違反了采樣定律，就會得到“混疊的”錯誤分量。因此，為了預(yù)防所給最大頻率出現(xiàn)混疊結(jié)果，在 1/2 采樣率以上不能有太大的信號能量。圖5 顯示了一組采樣點，適合兩種不同的波形。頻率較高的波形違反了采樣定律。

除非使用抗混疊濾波器，否則這兩個頻率在進行數(shù)字處理時將會混淆。為了預(yù)防混疊，必須滿足兩個條件 ：

1、進入數(shù)字轉(zhuǎn)換器 / 采樣器的輸入信號必須是帶限的。換句話說，必須存在一個最大頻率 (?max)，沒有任何頻率分量高于這個頻率。

2、必須以符合采樣定律的速率對輸入信號進行采樣。

解決混疊問題的方案看起來很簡單。首先選擇前端硬件將要測量的最大頻率 (?max)，然后確保采樣頻率 (?s) 是該最大頻率的兩倍。這個步驟滿足了條件 2，并確保 SA 軟件能夠?qū)Ω信d趣的頻率進行精確分析。接下來插入低通濾波器 ( 抗混疊濾波器 )，以去除高于 ?max 的所有頻率，從而確保除了感興趣的頻率進行測量以為，其它頻率都被排除。這個步驟滿足條件 1，并確保對信號的帶寬進行了限制。

圖 5. 混疊分量出現(xiàn)在信號進行欠采樣時。無用的頻率出現(xiàn)在其它 ( 基帶 ) 頻率的混疊下。

有兩個因素會導(dǎo)致簡單的抗混疊方法復(fù)雜化。第一個也是最容易解決的因素是，抗混疊濾波器的滾降 (roll off) 速率是有限的。如圖 6 所示，在實際濾波器的通帶和截止帶之間有一個過渡帶。這個過渡帶中的頻率可能產(chǎn)生混疊。為了避免這些混疊分量，濾波器的截止頻率必須低于理論頻率上限 ƒs/2 。

解決這個問題的簡單辦法是使用過采樣 ( 以高于 Nyquist 采樣率的速率進行采樣 )。使采樣頻率略高于 ?max 的兩倍，也就是截止帶實際開始頻率的兩倍，而不是要測量的頻率的兩倍。許多 VSA 的實現(xiàn)都使用保護帶以防止顯示混疊的頻率分量。FFT 計算超出 50% ?s ( 相當(dāng)于 ƒs/2) 的頻譜分量。保護帶大約在ƒs的40% 至 50% ( 或 ƒs/2.56 至 ƒs/2) 之間并且沒有顯示，因為它可能被混疊分量破壞。不過當(dāng) VSA 軟件進行逆 FFT 運算時，在保護帶中的信號用于提供最精確的時域結(jié)果。高滾降率濾波器再結(jié)合保護帶，會抑制潛在的混疊分量，并將它們衰減到遠低于測量前端的底噪。

另一個致使混疊預(yù)防 ( 有限的頻率分辨率 ) 復(fù)雜化的因素解決起來難得多。首先，為寬頻掃寬 ( 高采樣率 ) 設(shè)計的抗混疊濾波器不適用于測量小分辨率帶寬，原因有二個 : 一是需要極大的樣本數(shù)量 ( 內(nèi)存分 )，二是需要驚人的 FFT 計算量 ( 長測量時間 )。例如，當(dāng)采樣率為 10 MHz 時，一個 10 Hz 分辨率帶寬的測量將需要超過 100 萬點的 FFT，也就是需要使用巨大容量的存儲器和極長的測量時間。這是不可接受的，因為小分辨率帶寬的測量能力是 VSA 的一大優(yōu)勢。

提高頻率分辨率的一個方法是減小ƒs，但代價是降低了 FFT 的頻率上限，也就是最終分析儀的帶寬。不過，這仍不失為一個好方法，因為它允許你控制測量分辨率和頻率范圍。當(dāng)采樣率降低時，抗混疊濾波器的截止頻率也必須降低，否則就會發(fā)生混疊。一種可能的解決方案是對每個掃寬提供一個抗混疊濾波器，或提供一個可選擇截止頻率的濾波器。使用模擬濾波器實現(xiàn)這種方案的困難很多，而且成本高昂，但是有可能通過 DSP 以數(shù)字形式添加額外的抗混疊濾波器。

圖 6. 抗混疊濾波器衰減高于 ƒs/2 的信號。屏幕上不顯示介于 40% 至 50% ƒs 之間的保護帶。

數(shù)字抽取濾波器和重采樣算法提供了頻率分辨率受限制問題的解決方法。 Agilent VSA 軟件中就使用了這種方法。數(shù)字抽取濾波器和重采樣執(zhí)行必要的操作以允許改變掃寬和分辨率帶寬。數(shù)字抽取濾波器同時降低采樣率并限制信號的帶寬 ( 提供混疊預(yù)防 )。輸入數(shù)字濾波器的采樣率為ƒs; 輸出該濾波器的采樣率為 ƒs/n，其中“n”是抽取因子，為整數(shù)值。類似的，輸入濾波器的帶寬為“BW”，輸出濾波器的帶寬為“BW/n”。許多實現(xiàn)過程執(zhí)行二進制抽取 ( 采樣率按 1/2 的速度降低 )，這意味著采樣率按 2 的整數(shù)冪改變，即步進值為 1/(2n) (1/2、1/4、1/8......)。通過“除以 2n”得出的頻率掃寬稱為基數(shù)掃寬。由于減少了 DSP 操作，通常在基數(shù)掃寬上進行的測量比在任意掃寬上進行的測量要快。

抽取濾波器允許采樣率和掃寬以 2 的冪次改變。要獲得任意掃寬，采樣率必須是無限可調(diào)的。這由抽取濾波器之后的重采樣或插值濾波器來完成。

盡管數(shù)字重采樣濾波器在降低采樣率的同時提供了混疊的預(yù)防，模擬抗混疊濾波器仍然是必要的，因為數(shù)字重采樣濾波器本身也是一個被采樣系統(tǒng)，必須被防止出現(xiàn)混疊。模擬抗混疊濾波器運行于 ƒs上，保護最寬頻率掃寬上的分析。在模擬濾波器之后的數(shù)字濾波器，為較窄的、用戶定義的掃寬提供抗混疊能力。

當(dāng)抗混疊涉及帶限信號，并使用示波器作為 VSA 軟件前端時，還必須采取額外的預(yù)防措施。

下一個限制小分辨率帶寬分析的復(fù)雜因素來源于 FFT 算法自身的本質(zhì)特性 ; FFT 實質(zhì)上是一個基帶轉(zhuǎn)換。這意味著 FFT 頻率范圍從 0 Hz ( 或 DC) 開始，一直到某個最大頻率 (?s/2) 結(jié)束。在小頻段需要被分析的測量情況中，這可能是一個重大限制。例如，如果測量前端的采樣率為 10 MHz，頻率范圍將從 0 Hz 到 5 MHz (?s/2)。如果時間樣本數(shù)量 (N) 為 1024，那么頻率分辨率將為 9.8 kHz (?s/N)。這意味著接近 9.8 kHz 的頻率可能無法分辨。