頻譜分析儀是RF工程師用來測量特定頻帶內(nèi)信號的基本儀器，它們捕獲并顯示有用和無關(guān)信號，從而進(jìn)行一系列參數(shù)的測量，包括功率，頻率，調(diào)制方式和失真度等。目前市面上有多種不同類型頻譜分析儀的系統(tǒng)架構(gòu)，本文將著重介紹實(shí)時頻譜分析儀(RTSA)，掃頻式頻譜分析儀和矢量信號分析儀的總體結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)介紹它們的相對優(yōu)缺點(diǎn)。
實(shí)時頻譜分析能夠連續(xù)，無間隙地捕獲和分析時變的瞬態(tài)信號，而常規(guī)的掃頻式頻譜分析儀和矢量信號分析儀由于其設(shè)計原理的差異而無法實(shí)現(xiàn)此項功能。掃頻式頻譜分析儀通過掃描其本振信號(LO)將輸入頻率范圍下變頻為固定的中頻(IF)，然后由分辨率帶寬(RBW)濾波器對其進(jìn)行濾波并檢測。掃描本振時，輸入信號頻率被對應(yīng)地掃過固定頻率的RBW濾波器。實(shí)際上，頻譜分析儀在單個時刻都只能看到一小部分頻率范圍，因此，僅當(dāng)信號在正確的時間和頻率出現(xiàn)在RBW濾波器時，該信號才可見。而瞬態(tài)信號出現(xiàn)的時候，本振頻率未能掃描到對應(yīng)頻率，那瞬態(tài)信號就會被遺漏（如圖1）。
圖1. 經(jīng)典的掃頻式頻譜分析儀示意圖
在現(xiàn)代分析儀中，分辨率帶寬濾波器，包絡(luò)檢波器和顯示都是使用數(shù)字信號處理的方式實(shí)現(xiàn)的。矢量信號分析儀將特定帶寬內(nèi)的對應(yīng)信號下變頻為固定頻率的IF。IF模擬信號由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣，時域采樣數(shù)據(jù)可用于調(diào)制域分析。對于頻譜分析，使用快速傅里葉變換(FFT)將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域頻譜。FFT處理一個采樣塊，稱為采樣幀。在本文中，采樣幀中的采樣數(shù)稱為采樣幀大小或FFT大小。FFT計算完成并將結(jié)果傳輸?shù)斤@示器后，將獲取下一個采樣幀。與掃頻式頻譜分析儀不同的是，這里的本振是固定的，同時矢量信號分析儀對在兩次采樣幀之間時間間隔內(nèi)出現(xiàn)的信號也是忽略的(圖2)。
圖2. 掃頻式頻譜分析儀在掃描過程中對瞬態(tài)信號的響應(yīng)
幾乎所有現(xiàn)代頻譜分析儀都結(jié)合了傳統(tǒng)掃頻式分析儀和矢量信號分析儀的特點(diǎn)。如果跨度大于FFT分析帶寬，則將沿LO步進(jìn)以將多個FFT拼接在一起，以顯示更大跨度的頻譜。但是，使RTSA頻譜分析儀與眾不同的是它能夠連續(xù)對信號采樣并進(jìn)行FFT分析，圖3闡述了其中的差異，使用FFT分析的非RTSA頻譜分析儀或矢量信號分析儀是串行處理流程，可獲取采樣點(diǎn)并FFT處理。RTSA處理流程是并行的(圖4)，因?yàn)樗梢垣@取一個新的采樣幀的同時，對前一個采樣幀進(jìn)行FFT處理，這種并行處理需要快速的數(shù)字處理硬件和大的緩沖存儲。RTSA頻譜分析儀，例如安立的Field Master Pro? MS2090A，能夠針對512點(diǎn)FFT信號每秒執(zhí)行527000 次FFT處理。FFT的點(diǎn)數(shù)是FFT分析帶寬內(nèi)的頻率點(diǎn)數(shù)，它也等于采樣幀中采集的I/Q采樣數(shù)。點(diǎn)數(shù)越多，頻率分辨率越好，但是FFT計算時間也會增加。
圖3. 簡化的矢量信號分析儀和信號處理流程框圖
實(shí)時頻譜儀的關(guān)鍵性能指標(biāo)是捕獲概率(POI)，POI定義為準(zhǔn)確測量一個連續(xù)波(CW)信號的幅度所需的最小信號持續(xù)時間。POI受多個因素影響：FFT處理速度，采樣率，時間窗重疊，RBW和跨度。下一節(jié)將解釋這些因素的相互關(guān)聯(lián)性及其對POI的影響。
圖4. 實(shí)時頻譜分析儀的框圖和信號處理流程
時間窗
當(dāng)對一個采樣塊進(jìn)行FFT分析時，F(xiàn)FT的計算是假設(shè)時域信號是周期性的，其周期等于采樣幀的持續(xù)時間。
圖5描述了在一個時間間隔內(nèi)對簡單正弦波進(jìn)行采樣的過程。當(dāng)對采樣幀進(jìn)行FFT處理時，若將采樣信號視為周期信號，采樣幀則在開始和結(jié)束處產(chǎn)生了不希望的不連續(xù)性。時域上的這種不連續(xù)性導(dǎo)致頻域能量分散，而不是集中在單個頻率的正弦波上。頻譜泄漏在FFT頻譜分析中也是不正確的，因?yàn)檫@會導(dǎo)致無法分辨具有不同幅度水平的臨近頻率分量。此外，頻譜能量的分散，也導(dǎo)致了信號幅度的失真。
圖5. 在沒有加窗的情況下，對采樣幀進(jìn)行FFT處理會導(dǎo)致頻譜泄漏
