實時頻譜分析儀

頻譜分析儀是射頻微波設計和測試工作中的常用儀器，它能夠幫助電子工程師完成頻譜觀測、功率測量以及複雜信號解調分析等工作。

基本介紹

• 中文名：實時頻譜分析儀
• 外文名：Real-time spectrum analyzer
• 設備：工作中的常用儀器
• 實質：電子工程師完成頻譜觀測

定義

傳統上一般將頻譜儀分為三類：掃頻式頻譜儀，矢量信號分析儀和實時頻譜分析儀。實時頻譜分析儀是隨著現代FPGA技術發展起來的一種新式頻譜分析儀，與傳統頻譜儀相比，它的最大特點在於在信號處理過程中能夠完全利用所採集的時域採樣點，從而實現無縫的頻譜測量及觸發。由於實時頻譜儀具備無縫處理能力，使得它在頻譜監測，研發診斷以及雷達系統設計中有著廣泛的套用。

特性

實時頻譜分析儀普遍採用快速傅立葉變換（FFT）來實現頻譜測量。FFT技術並不是實時頻譜儀的專利，其在傳統的掃頻式頻譜儀上亦有所套用。但是實時頻譜儀所採用的FFT技術與之相比有著許多不同之處，同時其測量方式和顯示結果也有所不同：

1. 高速測量：頻譜儀分析儀的信號處理過程主要包括兩步，即數據採樣和信號處理。實時頻譜儀為了保證信號不丟失，其信號處理速度需要高於採樣速度。
2. 恆定的處理速度：為了保證信號處理的連續性和實時性，實時頻譜儀的處理速度必須保持恆定。傳統頻譜儀的FFT計算在CPU中進行，容易受到計算機中其它程式和任務的干擾。實時頻譜儀普遍採用專用FPGA進行FFT計算，這樣的硬體實現既可以保證高速性，又可以保證速度穩定性。
3. 頻率模板觸發（Frequency Mask Trigger）：FMT是實時頻譜儀的主要特性之一，它能夠根據特定頻譜分量大小作為觸發條件，從而幫助工程師觀察特定時刻的信號形態。傳統的掃頻式頻譜儀和矢量信號分析儀一般只具備功率或者電平觸發，不能根據特定頻譜的出現情況觸發測量，因此對轉瞬即逝的偶發信號無能為力。因此傳統掃頻頻譜儀和實時頻譜分析儀各自有著自己的套用場景。
4. 豐富的顯示功能：傳統頻譜儀的顯示專注在頻率和幅度的二維顯示，只能觀察到測量時刻的頻譜曲線。而實時頻譜儀普遍具備時間，頻率，幅度的三維顯示，甚至支持數字餘輝和頻譜密度顯示，從而幫助測試者觀察到信號的前後變化及長時間統計結果。

關鍵指標

當前的實時頻譜儀部分是專用的儀表，部分可通過傳統的頻譜儀升級實現。實時頻譜儀和傳統頻譜儀有共同的指標，例如頻率，分析頻寬，動態範圍等；同時也有自己獨特的指標，例如FFT速度，最短截獲時間等，其主要指標包含：

頻率：頻譜儀分析儀能檢測的最高頻率值，一般無線通信要求的頻率上限在十幾個GHz，軍用，航天類型的套用要求在50GHz以上，甚至達到100GHz以上。

分析頻寬：頻譜儀能夠同時分析的最大信號頻率範圍，一般取決於其中頻ADC的頻寬最高，隨著微電子技術的發展，現在頻譜儀的分析頻寬已經從最初的幾十MHz增加到一百MHz以上。對於實時頻譜儀而言，分析頻寬越寬，其ADC的採樣率越高，實時FFT計算的要求也越高。

無雜散動態範圍（SFDR）：衡量頻譜儀同時觀察大小信號的能力，該參數一般取決於頻譜儀的底噪，ADC位數等。

100%截獲信號持續時間：實時頻譜儀雖然適合觀察瞬態信號，但是對信號的持續時間也有特定要求，高於一定持續時間的信號能夠被100%地準確測量到；低於該時間的信號可能會被捕獲，但是幅度精度不能保證。

FFT計算速度：頻譜儀裡面的FPGA硬體進行FFT計算的速度。

主要套用

實時頻譜分析儀能夠在實時分析頻寬之內無縫地進行FFT計算和頻譜觸發，因此十分有利於瞬態信號的捕獲和分析，在頻譜監測，雷達系統設計，跳頻電台測試，振盪器研發等領域有著廣泛的套用。以下是幾種典型套用場景下的測試效果：

圖2. 跳頻雷達信號檢測

圖3. 脈衝信號時域頻域分析

圖4. 振盪器鎖定過程分析