瞬態信號的捕獲和分析

摘要：本文首先歸納了瞬態信號對測試技術的要求，然后介紹作為第三代無線信號分析儀的實時頻譜分析儀，并闡述了泰克公司專門為瞬態信號的捕獲和分析提供的四合一解決方案。

關鍵詞：DPX(數字熒光技術)；FMT(頻率模板觸發)；實時捕獲帶寬；動態范圍

前 言

由于軍事和通信領域的持續發展，RF技術創新一直穩定加速增長，直到今天這種增長仍在繼續。隨著RF信號在現代世界中變得無所不在，產生RF信號的設備之問的干擾問題也隨之增長。無線信號已經從以前的穩定、有規律、可以預知，向著無法預知，瞬變和越來越復雜的方向發展，這就對我們的測試提出了一個新的挑戰。如何捕獲、分析這些瞬變的復雜無線信號變得越來越重要。

瞬態信號對測試技術的要求

瞬態信號特性概述

對于瞬態信號我們一般需要測試的參數包括：瞬態速度，即跳頻信號的速率或者是脈沖信號的寬度；瞬態方式，即瞬態信號是頻率瞬變還是幅度瞬變；瞬變規律，即跳頻的頻點、順序、駐留時間、或者瞬態信號的間隔、每秒鐘出現的次數等。

瞬態信號測試的技術基礎

·實時捕獲能力

傳統的掃頻式(超外差式)頻譜分析儀以一定步長掃描整個頻段，由于掃描整個頻段需要一段時間，通常會漏掉在當前掃描頻段之外發生的重要瞬態事件。對于瞬態信號來說，必須具備實時捕獲能力，即能在所關心的頻段內一次性的捕獲頻段內的所有信號。

·實時帶寬

針對實時捕獲能力提出了一個實時帶寬的問題，即一次性捕獲的帶寬。由于各種技術的限制，任何一種儀器都不可能在無限的寬帶內實時捕獲信號，總是有一個帶寬限制，即實時帶寬。

·動態范圍

動態范圍指在儀表中同時顯示大信號和小信號的能力。如在無線電監測中，往往存在一個強的正常的信號，而干擾信號往往是比較弱的，這就要求儀表有比較大的動態范圍才能同時觀察大的正常信號和小的干擾信號。動態范圍和實時帶寬是一對互相制約的因素。

·時間分辨率

由于瞬態信號是隨時間變化的信號，變化往往非常快，這就要求測試儀表能夠提供高的時間分辨率，捕獲信號所有的變化，實時測試信號的變化情況。

·高速采樣速率

決定儀表時間分辨率的關鍵因素是儀表的采樣速率。當我們測試一個脈沖信號時，脈沖信號出現的時間(脈寬)是非常短的，一般是微秒級，有時甚至是納秒級，假設是10μs，那么儀表的采樣率至少是1／10μs=0.1MSample／s。一般儀表在計算時往往要取一組采樣點來計算，考慮到頻率精度，假如取1000個點，則0.1M×1000=lOOMSample，即儀表的采樣速率至少要100MSample／s才能滿足要求。

·新的2D觸發技術

由于在測試中無法預知瞬態信號何時出現，所以往往需要借助于觸發技術來幫助我們捕獲信號，即當瞬態信號出現時，儀表自動捕獲信號并把數據存儲下來，然后進行后期分析。傳統的儀表提供的一維觸發方式，在瞬態信號測試中往往很難滿足要求，如圖1所示。

在測試頻段內中心頻點上有一個穩定的大信號，在旁邊有一個瞬態干擾信號。我們希望在瞬態干擾信號出現時引起觸發，捕獲這個干擾信號。現有的觸發方式顯然無法滿足這個要求，所以我們采用頻率和幅度的二維觸發方式。在儀表上自定義一個模板，中間穩定的正常大信號由于在自定義的模板以內，不引起觸發，而當旁邊的弱的瞬態信號出現時才引起觸發，從而捕獲該干擾信號，并存儲下來。

瞬態信號分析儀的發展

針對瞬態信號的特殊性，產生了瞬態信號分析儀即實時頻譜儀。實時頻譜儀是第三代無線信號分析儀，可以做頻譜分析、數字解調分析，同時還具備了瞬態信號捕獲和分析所需的一切功能。圖2是簡化的RSA(實時頻譜儀)框圖。

其中關鍵的是紅色圓圈部分，在實時頻譜儀中增加了實時FFT的硬件設備，它提供實時FFT處理和頻域模板觸發功能。硬件處理能力遠遠高于軟件FFT處理，能夠實時地處理采集到的數據，如圖3所示。

時域采集的信號通過FFT變換轉變到頻域，當處理速度足夠快時就可以做到實時處理。實時頻譜儀采用了新的觸發技術，除了普通的IF電平觸發和外部觸發，還有頻率模板觸發(FMT)。即直接在頻域上出現瞬態信號然后觸發，這樣在沒有瞬態信號時可能會丟失一些幀的數據，但當瞬態信號出現時就可以觸發捕獲，保證了百分百的捕獲率，如圖4所示。

在圖4中是調頻電臺信號，我們可以畫一個模板(如圖中所示)把所有正常的信號框在模板內，一旦出現了異常瞬態信號超出了模板就引起觸發，就可以把信號捕獲下來。實時頻譜儀具備所有瞬態信號分析功能，如數據存儲和回放、觸發時刻前后頻譜對比、時間相關多域分析及幀重疊處理技術。

信號的采集和處理

信號采集部分主要是ADC(模數轉換器)，ADC的采樣速率直接決定了最大實時帶寬的大小。根據采樣定律，采樣速率至少是帶寬的兩倍，考慮到一些采樣點的有效性，在儀器中采樣速率一般是帶寬的2.5-3倍。同時我們需要考慮儀表的動態范圍，其中很關鍵的一個影響因素是ADC的位數，一般來說，ADC的位數越多則可能實現的動態范圍越大，我們可以通過以下公式估算：

SNR(dBFS)=6.02dB×Num_bits+1.76其中SNR(dBFS)指從儀器的參考電平到噪聲之間的信噪比。泰克公司實時頻譜儀RSA3408A，其ADC采樣率是102.4MSamples／s，位數14bit，SFDR(無雜散動態范圍)是78dB。ADC采樣率和位數往往很難兼顧，在示波器中我們可以采用很高采樣率的ADC，達到10GSamples／s以上，但其位數在8bit以下。如果位數提高到14bit，則采樣率只有100MSamples／s左右。為了解決這個問題，泰克最新的一款實時頻譜儀RSA6100系列采用兩個ADC并行的方法來突破這個瓶頸，如圖5所示。

圖中RSA6100采用了兩個150MSamples／s和12bit的ADC，它們的相位偏差180度，合成后采樣率變成300MSamples／s。在合成兩個ADC時碰到的問題就是同步和幅頻響應等原因，兩個ADC出來的信號在幅度和相位上有偏差，從而造成了雜散信號，影響了儀表的SFDR(無雜散動態范圍)。

由于雜散信號的存在，SFDR一般只有50dB左右，為了解決這個問題，必須作校正，對兩路ADC信號作幅度和相位的校正，這也是RSA6000的一個核心技術。經校正后，SFDR(無雜散動態范圍)達到73dB。RSA6000實現了110MHz實時帶寬和73dB無雜散動態范圍的良好特性。

實時頻譜的時間分辨率也取決于采樣率，如RSA6000系列，其采樣率是300MSamples／s，因為分成IQ兩路，每路是150MSamples／s，則每個采樣點間隔為1／150M=6.7ns。儀表至少要采集6個樣點才能計算其頻譜，相當6.7×8=50ns。所以當我們測試一個瞬態脈沖信號，當脈寬大于50ns時就可以百分百捕獲信號。

DPX(數字熒光)技術

一般儀表每秒最多可以處理50個頻譜，當瞬態信號出現的時間短于1／50=20ms時，由于儀表的顯示刷新速率不夠往往就會丟失數據，無法顯示信號的變化。泰克研制的DPX技術采用顯示處理專利技術，仿真可變余輝的CRT，把專用顯示處理技術與專用DSP硬件結合在一起。采用DFT變換技術，其執行頻率變換的速度較傳統頻譜分析儀提高了幾個量級，達到48，000個頻譜測量，這意味著對持續時間超過241xs(1／48000)的信號捕獲率為100％。由于人眼的視覺暫留現象，無法觀察如此變化快速的屏幕，DPX采用顏色等級畫面，即“色溫”顯示，用顏色的深淺表明異常事件發生的概率。圖6是捕獲一段時間后累積的信號顯示畫面。

圖6中左邊是傳統掃頻儀的最大保持顯示畫面，由于跳頻駐留時間只有100gs，左圖中無法看到右邊的跳頻信號。右圖中采用了DPX技術，我們可以清楚看到中間兩個跳頻點信號。由于跳頻出現概率及噪聲信號出現的概率大，用藍色表示，兩邊是跳頻時的頻率振蕩，出現的概率較低，用紅色表示。DPX每秒48000次的頻譜速率可以幫助我們發現瞬態信號，然后借助于觸發，實時捕獲瞬態信號進行分析。同時，DPX技術還可以幫助我們發現同頻干擾問題。如何有效地發現同頻信號或干擾一直是困擾RF測試領域的難題，目前所有的手段只能顯示兩個或多個同頻信號的功率疊加包絡，顯然這對分辨同頻干擾毫無意義。

圖7是2.4GHz頻段的WLAN和藍牙信號互相干擾的測試，左圖中傳統掃頻儀最大保持只能顯示兩個信號疊加的包絡，而右圖中DPX技術的色溫顯示，信號的干擾情況一目了然。

結 語

數字射頻技術的發展，要求我們必須捕獲并存儲一段時間的信號，分析信號隨時問的變化達到“實況直播”和“實況重播”的效果。實時頻譜測試技術的迅速發展，使得工程師得以對各種瞬態信號的突發、跳頻及調制自適應等特性進行全面的測試。無線信號日益突出的瞬態特性，使得我們進入了實時頻譜測試的時代。