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實(shí)時(shí)分析技術(shù)和測(cè)量給無線通信帶來的好處
2015-09-16
實(shí)時(shí)信號(hào)處理定義
"Real time（實(shí)時(shí)）"這個(gè)術(shù)語最早來源于物理系統(tǒng)的數(shù)字仿真系統(tǒng)中，如果仿真系統(tǒng)速度匹配它所仿真的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的速度，我們就認(rèn)為該數(shù)字系統(tǒng)是實(shí)時(shí)的。要實(shí)時(shí)分析信號(hào)，意味著運(yùn)行執(zhí)行速度必須足夠快，可以準(zhǔn)確處理相關(guān)頻段中所有的信號(hào)成分。如果要處理實(shí)時(shí)分量，首先采樣輸入信號(hào)必須足夠快，能夠滿足Nyquist定理。這意味著采樣頻率必須超過信號(hào)帶寬的兩倍。其次，以足夠快的速度連續(xù)執(zhí)行所有計(jì)算，并且使得分析輸出可以跟上輸入信號(hào)中的任何變化。
頻譜分析，也稱為傅立葉分析，是從頻域中分析信號(hào)，當(dāng)使用DSP時(shí)，也就意味著對(duì)時(shí)間采樣數(shù)據(jù)執(zhí)行離散傅立葉變換（DFT）。
使用DSP進(jìn)行傅立葉分析見圖1，輸入模擬信號(hào)經(jīng)過A/D以后，再經(jīng)過DFT引擎，就得到了輸入信號(hào)的FFT頻譜，可以看到在這個(gè)圖中每次FFT采樣之間還有一些時(shí)間間隙。上圖中整個(gè)頻譜分析的過程就等效于下圖中讓信號(hào)首先通過一群帶通濾波器，其中每個(gè)濾波器的帶寬和中心頻率都是按照DFT基本單元來分隔的。對(duì)于每個(gè)頻域單元，I和Q或者幅度和相位復(fù)包絡(luò)被計(jì)算，如果對(duì)該復(fù)包絡(luò)進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣率等于上圖信號(hào)做FFT的速度的時(shí)候，所得到的兩個(gè)結(jié)果是精確相同的。以上展示的是一個(gè)非實(shí)時(shí)的FFT頻譜分析過程。對(duì)于實(shí)時(shí)頻譜分析來說，有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)必須滿足：1. 輸入信號(hào)必須采樣足夠快，能夠滿足Nyquist定理，采樣信號(hào)速度大于信號(hào)帶寬兩倍。2. DFT計(jì)算必須執(zhí)行得足夠快，使得每個(gè)DFT 頻域單元都滿足Nyquist標(biāo)準(zhǔn)。
我們定義100%捕獲一次不重復(fù)事件的最短時(shí)間，就是捕獲一次最窄矩形脈沖的持續(xù)時(shí)間。要實(shí)時(shí)處理所有感興趣的信號(hào)信息，首先要具有足夠的捕獲帶寬來支持感興趣的信號(hào)。第二，足夠高的ADC時(shí)鐘速率超過Nyquist標(biāo)準(zhǔn)。第三，有足夠長(zhǎng)的捕獲間隔支持來分析感興趣信號(hào)的最窄分辨率帶寬（RBW）。第四，足夠高的DFT轉(zhuǎn)換速率超過感興趣信號(hào)的RBW的Nyquist標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)今的通信系統(tǒng)，存在很多窄脈沖通信，為了測(cè)量和排除故障去查找問題，非常重要的是發(fā)現(xiàn)、觸發(fā)并分析這些窄脈沖。
加窗和DFT幀重疊
DFT中窗函數(shù)的作用是用來減小FFT頻譜分析中的頻譜泄漏的，但有時(shí)它也剛好會(huì)把有效的信息屏蔽掉。圖2中，最左邊的圖是DFT處理時(shí)有時(shí)間間隙的情況，中間的圖是DFT緊鄰，沒有時(shí)間縫隙，右圖中采用了幀重疊技術(shù)，即第二幀數(shù)據(jù)會(huì)共享第一幀數(shù)據(jù)。在左圖中可以看到，在時(shí)域中出現(xiàn)了短脈沖信號(hào)，但由于該脈沖信號(hào)在時(shí)域上剛好處于兩次DFT之間，因此在做變換時(shí)，直接就丟失了。從中間的圖中可以看到，由于短脈沖的出現(xiàn)恰好處于相鄰的窗函數(shù)的邊緣，因此也被抑制掉了。也就是說，信號(hào)是被采樣到了，但后來在做數(shù)字處理的時(shí)候卻被最小化了。右圖中采用重疊DFT技術(shù)，由于第一幀和第二幀重疊，重疊計(jì)算FFT，第二幀該脈沖信號(hào)的頻譜很容易就顯示出來了。所以在實(shí)行頻譜分析時(shí)，幀重疊技術(shù)的使用使得信號(hào)瞬態(tài)處理能力大大增強(qiáng)。
信號(hào)處理技術(shù)的演化
從六十年代的常規(guī)的掃頻頻譜分析儀到九十年代推出的矢量信號(hào)分析儀，以及如今泰克推出的頻譜分析儀，信號(hào)處理技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)階段。60年代的頻譜測(cè)試儀主要針對(duì)軍用、通信系統(tǒng)等，測(cè)試的信號(hào)主要為模擬信號(hào)，并且多半為穩(wěn)態(tài)信號(hào)，那時(shí)對(duì)測(cè)試儀器的要求主要是低噪底和比較高的動(dòng)態(tài)范圍。到了90年代，復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制加上通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，測(cè)試信號(hào)主要以數(shù)字調(diào)制信號(hào)為主。到了今天，隨著DSP軟件的無限發(fā)展，自適應(yīng)調(diào)制信號(hào)、瞬態(tài)信號(hào)以及跳頻、節(jié)變頻雷達(dá)通信的大量涌現(xiàn)，使得對(duì)于瞬變信號(hào)的測(cè)試要求越來越高，多余的時(shí)間相關(guān)分析、無縫捕獲，以及頻域事件的任意位置觸發(fā)都是分析此類瞬態(tài)信號(hào)的非常好的工具。
為了更好地理解實(shí)時(shí)頻譜分析儀的工作原理，我們可以大略的查看現(xiàn)在流行的三種類型的分析儀結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單框圖（圖3）。盡管在分析儀中有許多相似之處，例如都有輸入衰減器, 但其中也有許多不同之處。
對(duì)于掃頻分析儀這種最早的分析儀設(shè)計(jì)來說，信號(hào)首先通過一個(gè)相對(duì)窄的可調(diào)諧的預(yù)選濾波器，然后再下變頻，接著通過分辨率帶寬濾波器RBW進(jìn)行檢波，視頻帶寬濾波器濾波后在屏幕上把頻譜顯示出來，相對(duì)應(yīng)的本振變化過程就是在頻率跨度范圍內(nèi)，本振在調(diào)諧狀態(tài)下進(jìn)行一個(gè)連續(xù)掃頻。第二代矢量信號(hào)分析儀（VSA）結(jié)構(gòu)也是把頻譜進(jìn)行下變頻處理,但采用的是本振步進(jìn)的方式。連續(xù)的頻率覆蓋是通過數(shù)字化時(shí)域信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，而信號(hào)的寬度是由每一個(gè)本振步進(jìn)的中頻帶寬決定的， VSA把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，并且通過快速傅立葉變化計(jì)算其頻譜，并在頻譜上顯示出來。盡管實(shí)時(shí)頻譜分析儀（RTSA）的許多結(jié)構(gòu)都和VSA架構(gòu)類似，但最重要的區(qū)別就在于實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的硬件上的不同：即在實(shí)時(shí)頻譜分析儀中，信號(hào)在經(jīng)過ADC數(shù)字化以后，再經(jīng)過DSP做數(shù)字信號(hào)處理，后面還有一個(gè)超快速的實(shí)時(shí)FFT硬件電路進(jìn)行計(jì)算。
眾所周知，F(xiàn)FT過程是需要進(jìn)行大量計(jì)算的，F(xiàn)FT計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短取決于FFT變化所需要的點(diǎn)數(shù)和計(jì)算執(zhí)行的速度。如果一個(gè)FFT計(jì)算執(zhí)行的時(shí)間小于每幀采樣的時(shí)間，這樣的FFT處理我們就認(rèn)為實(shí)時(shí)的。如果FFT處理時(shí)間超過一幀采樣所需要的時(shí)間，我們就認(rèn)為它不是實(shí)時(shí)的。圖4中，上圖的部分由于FFT的計(jì)算是非實(shí)時(shí)的，所以導(dǎo)致時(shí)間信號(hào)中的第二幀信號(hào)丟失，即來不及做FFT處理，因此沒有實(shí)時(shí)地顯示出頻譜，而在下半部分圖中，由于執(zhí)行了超快速的FFT處理，且每次FFT處理的時(shí)間都小于幀采樣的時(shí)間，所以此時(shí)所有信號(hào)的頻譜都會(huì)被實(shí)時(shí)地分析出來。
通常意義的"實(shí)時(shí)"指的是無縫捕獲并連續(xù)實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，即從數(shù)據(jù)輸入到輸出必須是連續(xù)沒有中斷的，不可以是先存儲(chǔ)后處理。實(shí)時(shí)頻譜分析采用的是邊存儲(chǔ)邊處理的方式，而且處理的速度非?？欤ù笥诿恳粠蓸拥乃俣龋?。如調(diào)頻廣播，它把FM信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音，這里聲音信號(hào)也不會(huì)有中斷，所以我們認(rèn)為這是實(shí)時(shí)的。另外，電視機(jī)把射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成為動(dòng)態(tài)的影像，中間沒有中斷，直到我們關(guān)機(jī)，所以我們認(rèn)為這也是實(shí)時(shí)的。實(shí)時(shí)頻譜分析儀把射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率對(duì)功率的軌跡，中間也沒有中斷，或者我們說的死區(qū)時(shí)間。
那么什么是非實(shí)時(shí)呢？比如傳統(tǒng)信號(hào)的掃描分析，或者像矢量信號(hào)分析的單次捕獲后再進(jìn)行處理的方式。不太明顯的非實(shí)時(shí)方式是連續(xù)重新捕獲后進(jìn)行處理，那這樣導(dǎo)致的問題是在兩次連續(xù)捕獲之間會(huì)有死區(qū)時(shí)間。
實(shí)時(shí)信號(hào)處理應(yīng)用
傳統(tǒng)的掃頻頻譜儀都是被動(dòng)的測(cè)試信號(hào)的，被測(cè)信號(hào)的特征是載波不隨時(shí)間變化。而實(shí)時(shí)頻譜分析儀是主動(dòng)發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)信號(hào)，采用DPX數(shù)字熒光技術(shù)，可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)信號(hào)，通過頻率模板觸發(fā)去實(shí)施捕獲分析，最后進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜分析。
泰克專利的DPX數(shù)字熒光技術(shù)
在進(jìn)行頻譜分析時(shí)，當(dāng)射頻信號(hào)進(jìn)入ADC并數(shù)字化后，采樣的點(diǎn)集經(jīng)過DFT引擎，會(huì)生成DFT頻譜。由于現(xiàn)在每秒可以執(zhí)行超過48000次的DFT運(yùn)算，而每個(gè)DFT頻譜會(huì)經(jīng)過像素緩沖內(nèi)存并在像素統(tǒng)計(jì)圖上顯示次數(shù)，如果把這些像素出現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)次數(shù)直接顯示在頻譜上，那就非常不直觀，所以我們用色溫技術(shù)來表示信號(hào)在頻域中出現(xiàn)的頻次，如果頻次高，則暖色調(diào)（紅色），頻次低則為冷色調(diào)（藍(lán)色）?，F(xiàn)在把每1400次的DFT疊加到一張頻譜畫面上，并通過顏色反應(yīng)信號(hào)的頻次。根據(jù)人眼視覺暫留的原理，每秒連續(xù)播放25幀畫面以上時(shí)人眼看到的畫面是連續(xù)的，所以通過每秒播放33幀的頻譜畫面，而每張頻譜畫面都是由1400多次的DFT疊加而成的，這樣1秒鐘48000次生動(dòng)實(shí)時(shí)的視頻信號(hào)就很容易地顯示出來了。
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