頻譜分析儀的時(shí)域應(yīng)用與分析

頻譜儀一般是一種非時(shí)域工具，主要描述信號(hào)在頻域上的變化(用于信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測(cè)量)，在時(shí)域上使用得并不廣泛。不過(guò)，RIGOL DSA1000系列頻譜儀提供的上位機(jī)應(yīng)用工具Ultra Spectrum可以支持這方面的應(yīng)用。

頻譜儀時(shí)域應(yīng)用與分析是建立在頻譜數(shù)據(jù)在時(shí)間域上存儲(chǔ)(頻譜數(shù)據(jù)+時(shí)間信息)形成的數(shù)據(jù)集基礎(chǔ)之上的，通過(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)集的分析可以得出相關(guān)測(cè)量結(jié)論。下面將結(jié)合這一工具來(lái)解決分析被測(cè)件異常信號(hào)(隱含信號(hào))的問(wèn)題。

頻譜儀時(shí)域應(yīng)用與分析：捕獲隱含信號(hào)

有應(yīng)用價(jià)值的信號(hào)(例如通訊領(lǐng)域使用的信號(hào))一般都是周期性信號(hào)，信號(hào)發(fā)生的過(guò)程攜帶著時(shí)間信息。RIGOL DSA1000系列頻譜儀提供上位機(jī)應(yīng)用工具Ultra Spectrum，該工具就是以記錄頻譜數(shù)據(jù)以及該頻域數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)間數(shù)據(jù)(以瀑布圖形式表現(xiàn))為分析對(duì)象而展開(kāi)分析應(yīng)用。

圖1：可疑信號(hào)D1。

通過(guò)圖1(或圖2)可以清楚地看到頻譜數(shù)據(jù)在不同時(shí)間的變化特點(diǎn)。除了圖像上看到的“視覺(jué)”變化外還可以通過(guò)配合縱軸上的數(shù)據(jù)得出“變化”趨勢(shì)的可計(jì)量值(擬合出的信號(hào)隨時(shí)間變化的曲線，曲線上讀值)。下面開(kāi)始借助這一工具分析異常信號(hào)(隱含信號(hào))。

圖2：可疑信號(hào)D2和D3。

圖1(或圖2)中的瀑布圖橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為采集時(shí)間(這里未顯示)，顏色域表示頻譜強(qiáng)度。中間的橫向紅線為標(biāo)記線(用來(lái)標(biāo)記查看特定時(shí)刻的某一條頻譜軌跡)?？梢钥吹?，該圖顯示的是當(dāng)前從儀器(DSA1020)獲取的一段時(shí)間內(nèi)頻譜數(shù)據(jù)的累加數(shù)據(jù)，紅色區(qū)域(非橫向標(biāo)記線)為主信號(hào)區(qū)域(由于該信號(hào)帶寬很小，因此在瀑布圖中表現(xiàn)為縱向“紅線”)，其左右為兩個(gè)有效信號(hào)。這三個(gè)信號(hào)形成的“田壟”較平坦說(shuō)明該部分信號(hào)穩(wěn)定。而在主信號(hào)左側(cè)隱約出現(xiàn)三個(gè)信號(hào)形成的“田壟”(矩形框標(biāo)記位置)，這些信號(hào)就是可疑信號(hào)(從右向左依次命名為D1-Distrustful1、D2-Distrustful2、D3-Distrustful3)。圖3是通過(guò)示波器采集到的時(shí)域信號(hào)(與頻譜儀測(cè)量的為同一信號(hào))，顯示的是一個(gè)較穩(wěn)定正弦波。通過(guò)觀察圖3很難發(fā)現(xiàn)該信號(hào)出現(xiàn)的問(wèn)題。

將標(biāo)記線移到異常出現(xiàn)位置(選擇該異常數(shù)據(jù))，該譜線如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)在圖1中主信號(hào)的左側(cè)出現(xiàn)一信號(hào)D1。

觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)該信號(hào)“時(shí)隱時(shí)現(xiàn)”有一定規(guī)律性(該規(guī)律性可通過(guò)記錄的時(shí)間推算出)。通過(guò)讀值發(fā)現(xiàn)D1信號(hào)出現(xiàn)規(guī)律為(設(shè)定存儲(chǔ)的第一個(gè)數(shù)據(jù)編號(hào)為0)：

依照上表可以大致地推算出該信號(hào)的出現(xiàn)周期約為38.8s(25.5+13.3)，該被測(cè)件存在一個(gè)周期性疊加信號(hào)，信號(hào)周期約為38.8s(0.0257Hz)。

觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，D2、D3信號(hào)很難在一般的二維頻譜顯示中發(fā)現(xiàn)其特征(圖2下二維坐標(biāo)系中，在該坐標(biāo)系中D2、D3可能被認(rèn)為是底噪部分)，但在瀑布圖中因?yàn)檩^穩(wěn)定會(huì)出現(xiàn)“田壟”所以較明顯，進(jìn)而可以發(fā)現(xiàn)該信號(hào)一些“隱性”特征。

圖1和圖2簡(jiǎn)單介紹了通過(guò)對(duì)圖形的初步分析研究信號(hào)特征的方法(觀察到一個(gè)周期信號(hào)D1，以及兩個(gè)不易察覺(jué)的信號(hào)D2、D3)。下面就可以依據(jù)這里得到的參數(shù)，例如D1的出現(xiàn)周期，D2、D3的頻率值作為線索來(lái)分析被測(cè)件的問(wèn)題。

D1、D2、D3在示波器這種時(shí)域工具上是不可能被發(fā)現(xiàn)的，更不要說(shuō)去分析了。通過(guò)前面的介紹可以發(fā)現(xiàn)，由于引入了頻域數(shù)據(jù)基于時(shí)域存儲(chǔ)的概念可以使我們得到更多的數(shù)據(jù)信息。

圖3：該信號(hào)在在示波器下(RIGOLDS1204B屏幕抓圖)。

Ultra Spectrum通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)DSA1000系列頻譜儀產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理完成了頻譜儀的時(shí)域應(yīng)用與分析，無(wú)需對(duì)原有頻譜儀器做任何修改，僅通過(guò)獲取其產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)稍加變化就增強(qiáng)了原有頻譜儀的功能，本文僅簡(jiǎn)單介紹了發(fā)現(xiàn)捕獲可疑信號(hào)分析可以信號(hào)的例子，如果配合其它儀器數(shù)據(jù)使用還可以廣泛拓展該應(yīng)用(例如，根據(jù)時(shí)域信息進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)即可以時(shí)間信息為“橋梁”建立起頻域與溫度之間的關(guān)系)。RIGOL DSA1000系列是一款低端頻譜儀，它具有低廉的價(jià)格和豐富的本機(jī)功能，Ultra Spectrum作為其上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行了更多功能性的擴(kuò)展，使這一套頻譜測(cè)量工具的功能更加強(qiáng)大易用。

表1：D1信號(hào)出現(xiàn)規(guī)律統(tǒng)計(jì)。

需要說(shuō)明的是，DSA1000系列頻譜分析儀具有完備的開(kāi)放式命令集系統(tǒng)以及豐富的儀器控制接口(LAN USB-TMC)，Ultra Spectrum就是基于此開(kāi)發(fā)的。用戶的各種應(yīng)用是Ultra Spectrum不可能窮舉的，但是以前文提到的DSA1000的本機(jī)性能為基礎(chǔ)，用戶可以依據(jù)自身情況選擇一種編程工具(LabVIEW、MATLAB、C#、Java等)，并根據(jù)自己的需求來(lái)開(kāi)發(fā)自己的工具。