頻譜儀矢量信號(hào)分析的應(yīng)用

引言

　　隨著現(xiàn)代頻譜儀數(shù)字中頻處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使其在通信、航天、計(jì)量以及軍工各個(gè)領(lǐng)域中的使用愈加廣泛。不僅使數(shù)字信號(hào)解調(diào)成為可能，并且為模擬調(diào)制信號(hào)的解調(diào)提供的更優(yōu)秀的方法。同時(shí)，對(duì)于發(fā)射機(jī)和頻綜源的頻率及相位穩(wěn)定時(shí)間，也可以進(jìn)行精確的分析。

信號(hào)的矢量表述方法

　　理解信號(hào)的矢量表達(dá)以及IQ信號(hào)的概念，是現(xiàn)代頻譜分析和信號(hào)分析理解和應(yīng)用的基礎(chǔ)。作為一個(gè)圖解工具，矢量是一個(gè)直角坐標(biāo)系中的旋轉(zhuǎn)的箭頭。箭頭的長(zhǎng)度代表信號(hào)的峰值幅度。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较?。箭頭與橫軸正半軸的夾角為相位。信號(hào)周期對(duì)應(yīng)于箭頭旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間。信號(hào)每秒鐘完成旋轉(zhuǎn)的次數(shù)對(duì)應(yīng)于信號(hào)頻率。
 信號(hào)矢量在縱軸上的投影長(zhǎng)度等于信號(hào)的峰值幅度乘以相位正弦值，因此，如果信號(hào)是一個(gè)正弦波，該投影就對(duì)應(yīng)于信號(hào)的瞬時(shí)幅度（見圖1）。
　
圖1  時(shí)域表述的正弦波與矢量信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系
　
圖2  頻譜儀中頻信號(hào)處理原理圖

　　用矢量表述信號(hào)，可以完整地描述信號(hào)的幅度、頻率和相位。因此，在信號(hào)分析中，我們常把信號(hào)進(jìn)行矢量分解，也就是將信號(hào)分解為頻率相同、峰值幅度相同但相位相差90的兩個(gè)分量。通常，我們采用一個(gè)正弦信號(hào)（Asinwt）和一個(gè)余弦信號(hào)（Acoswt）描述這兩個(gè)分量，其中余弦分量被稱為同相分量，即I分量；正弦分量被稱為正交分量，即Q分量。

頻譜儀數(shù)字中頻處理技術(shù)

　　輸入頻譜儀的射頻信號(hào)經(jīng)過混頻后變?yōu)橹蓄l信號(hào)IF，再經(jīng)過帶通濾波器（中頻濾波器）進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。在數(shù)字處理部分，對(duì)下變頻為基帶的IQ信號(hào)進(jìn)行低通濾波和欠采樣，存儲(chǔ)在內(nèi)存中，準(zhǔn)備進(jìn)一步處理，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)表述IQ信號(hào)的電壓值。

　　在頻譜儀設(shè)置過程中，模擬中頻濾波器帶寬為IFBW，數(shù)字處理部分的低通濾波器帶寬為解調(diào)帶寬。欠采樣使IQ信號(hào)的采樣率除以2的n次方，當(dāng)解調(diào)帶寬較窄時(shí)，過高的采樣速率是毫無意義的。

信號(hào)解調(diào)方法

　　對(duì)應(yīng)內(nèi)存中的IQ信號(hào)，可以采用的處理方法有：幅度分析、頻率分析、相位分析和FFT頻譜分析。在頻譜儀的矢量分析過程中，頻譜儀設(shè)置為零SPAN，也就是在固定輸入頻率處，中頻帶寬之內(nèi)進(jìn)行分析。

1．分析處理
(1)
　　其中，Am為輸入信號(hào)的幅度。根據(jù)IQ信號(hào)的每一個(gè)采樣值，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)采樣時(shí)刻的幅度值，顯示單位可以是線性電壓值 (V), 對(duì)數(shù)電壓 (dBmV) 或功率值（dBm）。在測(cè)量時(shí)間內(nèi)的所有Am數(shù)值構(gòu)成IQ幅度數(shù)組Am-DC。
(2)
　　其中，Φm為輸入信號(hào)的相位。根據(jù)IQ信號(hào)的每一個(gè)采樣值，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)采樣時(shí)刻的相對(duì)相位值。在測(cè)量時(shí)間內(nèi)的所有Φm數(shù)值構(gòu)成IQ幅度數(shù)組Φm-DC。
(3)
　　其中，F(xiàn)m為輸入信號(hào)的頻率。對(duì)相鄰點(diǎn)相位差值對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得出頻率值。在測(cè)量時(shí)間內(nèi)的所有Fm數(shù)值構(gòu)成IQ幅度數(shù)組Fm-DC。
(4)
　　其中，Spec為輸入信號(hào)中頻帶寬內(nèi)的頻譜。