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PXA信號(hào)分析儀的實(shí)時(shí)頻譜分析功能闡釋
2015-10-13
在航空航天、國(guó)防和無線通信等領(lǐng)域中，不斷涌現(xiàn)出來的諸多挑戰(zhàn)致使系統(tǒng)表征和故障診斷變得更加困難。以雷達(dá)和電子戰(zhàn)（EW）系統(tǒng)為例，這些系統(tǒng)正變得動(dòng)態(tài)范圍更大，運(yùn)動(dòng)速度更快，覆蓋戰(zhàn)場(chǎng)上的更大空間。這種多制式、高速率通信系統(tǒng)的擴(kuò)展提升了互操作性問題的出現(xiàn)概率。
隨著信號(hào)變得更加復(fù)雜和靈敏，無間隙測(cè)量技術(shù)——實(shí)時(shí)頻譜分析和時(shí)間捕獲——逐步獲得主流應(yīng)用的認(rèn)可。AgilentPXA信號(hào)分析儀更進(jìn)一步將這些新增功能集成到傳統(tǒng)信號(hào)分析儀，使用戶不必購買專用或單用途儀器。（圖1）
安捷倫實(shí)時(shí)頻譜分析（RTSA）作為新型和現(xiàn)有PXA的升級(jí)選件，使得PXA成為業(yè)界首款支持在購買后添加實(shí)時(shí)分析功能的傳統(tǒng)信號(hào)分析儀。使得用戶可以新實(shí)時(shí)頻譜儀十分之一的價(jià)格用用實(shí)時(shí)功能。
RTSA支持用戶在實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)或現(xiàn)場(chǎng)中查看、捕獲和認(rèn)知難以捕捉的信號(hào)。為進(jìn)行更深入的分析，用戶可以搭配使用實(shí)時(shí)PXA與Agilent89600VSA軟件，對(duì)復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行全面表征。
圖1.實(shí)時(shí)PXA是一款經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，可以借助傳統(tǒng)的掃描分析來識(shí)別雜散信號(hào)，切換至實(shí)時(shí)模式以觀測(cè)脈沖雜散信號(hào)。實(shí)時(shí)分析定義
盡管不同用戶對(duì)“實(shí)時(shí)分析”的理解不同，但它包含一個(gè)一致的核心概念：對(duì)于擁有數(shù)字中頻（IF）部分的頻譜或信號(hào)分析儀，針對(duì)某個(gè)測(cè)量結(jié)果或觸發(fā)操作而言，實(shí)時(shí)操作將對(duì)全部信號(hào)的采樣進(jìn)行處理。（圖2）多數(shù)情況下，相對(duì)于傳統(tǒng)的頻譜測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果屬于標(biāo)量（例如功率或幅度）。
圖2：實(shí)時(shí)操作存在于當(dāng)計(jì)算速度足夠快且能夠?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行無間隙分析時(shí)。在本例中，CALC操作包括快速傅立葉變換（FFT）計(jì)算或功率譜計(jì)算，以及平均值計(jì)算、顯示更新等。Notreal-timeoperation:Gapsbetweentimeacquisitions非實(shí)時(shí)操作：采集時(shí)間存在間隙
Real-timeoperation:Nogapsbetweentimeacquisitions實(shí)時(shí)操作：采集時(shí)間無間隙
除了無間隙分析之外，實(shí)時(shí)射頻分析儀還具備四個(gè)關(guān)鍵屬性：高速測(cè)量、穩(wěn)定的測(cè)量速度、先進(jìn)的復(fù)合顯示和頻率模板觸發(fā)（FMT）。
通常，實(shí)時(shí)處理過程中的頻譜流被用于下述兩種用途：頻譜可與復(fù)合頻譜顯示結(jié)合，或與一個(gè)限制模板進(jìn)行比較，以實(shí)施頻率模板測(cè)試FMT。配有選件RTSA的實(shí)時(shí)PXA同時(shí)支持這兩種功能。
使用PXA執(zhí)行實(shí)時(shí)頻譜分析
和專用實(shí)時(shí)頻譜分析儀一樣，實(shí)時(shí)PXA使用ASIC和FPGA將采樣信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信號(hào)頻譜，速度接近300,000頻譜/秒。頻譜數(shù)據(jù)被整合用于構(gòu)建信息詳盡的顯示，例如密度或直方圖?；蛘撸鶕?jù)限制條件和邏輯標(biāo)準(zhǔn)對(duì)頻譜流依次順數(shù)進(jìn)行測(cè)試，以生成針對(duì)特定頻譜和特定行為的頻率模板觸發(fā)。
為增強(qiáng)實(shí)時(shí)頻譜分析的性能，安捷倫設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)專注于四個(gè)關(guān)鍵方面：帶寬、動(dòng)態(tài)范圍、截獲概率（POI）和集成分析能力。
帶寬
因?yàn)楸环治龅男盘?hào)帶寬和頻帶寬度越來越高，用戶有必要使用更高的帶寬。配有RTSA的PXA可為實(shí)時(shí)測(cè)量提供高達(dá)160MHz的分析帶寬，足以應(yīng)對(duì)當(dāng)前的寬帶信號(hào)和信號(hào)環(huán)境。無間隙帶寬不僅適用于實(shí)時(shí)頻譜分析，而且還適用于FMT、無間隙時(shí)間捕捉以及中頻觸發(fā)的實(shí)時(shí)幅度計(jì)算。
另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是：實(shí)時(shí)PXA不同于部分類似產(chǎn)品，它始終能夠在高達(dá)160MHz的帶寬范圍內(nèi)收集無間隙數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)模式始終可以捕獲間歇信號(hào)或快速變化的信號(hào)的細(xì)節(jié)，用戶對(duì)這一點(diǎn)充滿信心。
動(dòng)態(tài)范圍
實(shí)時(shí)PXA可在160MHz帶寬范圍內(nèi)提供高達(dá)-75dB的無雜散動(dòng)態(tài)范圍，當(dāng)存在大信號(hào)時(shí)，支持用戶對(duì)小型的快速偶發(fā)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。動(dòng)態(tài)范圍通過PXA的低本底噪聲而得到增強(qiáng)，在處理極小信號(hào)時(shí)，還可通過添加“低噪聲路徑”選件（在處理高電平信號(hào)的同時(shí)還能改進(jìn)靈敏度）得到進(jìn)一步加強(qiáng)。在所有情況下，PXA的低本底噪聲會(huì)增強(qiáng)區(qū)分小信號(hào)和噪聲的能力。
截獲概率
POI是實(shí)時(shí)頻譜分析的關(guān)鍵基準(zhǔn)。實(shí)時(shí)PXA能夠檢測(cè)低至5.0ns的信號(hào)，保證100%截獲概率時(shí)（全幅度精度）可檢測(cè)低至3.57μs的信號(hào)。無間隙分析只是POI的其中一部分，影響儀器分析性能的其它因素包括分析儀和處理器動(dòng)態(tài)范圍（包含靈敏度）、采樣帶寬、處理的連續(xù)性和FFT重疊處理（用于窗功能形狀補(bǔ)償）。
集成分析能力
在某些情況下，只需找出偶發(fā)信號(hào)就夠了：例如只需知道某個(gè)信號(hào)存在，或者只需找到大致頻譜形狀，就足夠解答某些疑問、確認(rèn)問題或建議解決方案了。在其它情況下，找出偶發(fā)信號(hào)只是解決系統(tǒng)或信號(hào)環(huán)境中問題的第一步。
結(jié)合使用VSA軟件和實(shí)時(shí)PXA，可對(duì)在實(shí)時(shí)模式中采集的信號(hào)進(jìn)行全面分析與解調(diào)。此外，實(shí)時(shí)FMT可將VSA全部的測(cè)量功能——包括解調(diào)和時(shí)間捕獲（圖3）聚焦于難以捕捉的信號(hào)上。在對(duì)信號(hào)源（例如壓控振蕩器VCO）當(dāng)中的調(diào)制瞬態(tài)信號(hào)、跳頻信號(hào)、頻率穩(wěn)定過程、無意瞬態(tài)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，上述功能尤為適用。
圖3.FMT可用于實(shí)時(shí)捕獲瞬時(shí)事件。矢量信號(hào)分析提供多種視圖，顯示時(shí)間選通頻譜（頂部）等細(xì)節(jié)，并同時(shí)顯示功率包絡(luò)（藍(lán)色）和時(shí)間波形（綠色）。充分利用在實(shí)時(shí)模式中采集的信號(hào)
您需要額外關(guān)注兩個(gè)功能：直方圖/密度顯示和頻率模板觸發(fā)。
直方圖或密度顯示
實(shí)時(shí)頻譜分析儀每秒鐘可以生成數(shù)千個(gè)頻譜，以便捕獲捷變頻信號(hào)或轉(zhuǎn)瞬即逝的信號(hào)的動(dòng)態(tài)。這種高速信號(hào)超出了人眼的分辨能力范圍，因而有必要通過單個(gè)顯示軌跡來顯示海量的測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)PXA每秒鐘可生成將近300,000個(gè)頻譜。然而，大多數(shù)人只能看到30個(gè)頻譜。為了更好地觀察實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果，每種顯示更新都應(yīng)當(dāng)顯示大約10,000個(gè)結(jié)果。
通過編譯統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并顯示特定測(cè)量值的出現(xiàn)頻率（例如在特定頻率上的特定幅度），實(shí)時(shí)分析儀將會(huì)構(gòu)建信息豐富的顯示圖。測(cè)量結(jié)果直方圖屬于增強(qiáng)的頻譜測(cè)量特性，用以顯示測(cè)量值的出現(xiàn)頻率。有些人可能將其視為概率的一種原始表達(dá)方式。
顯示結(jié)果以彩色或強(qiáng)度編碼顯示。隨著舊數(shù)據(jù)的消失，可通過添加持久函數(shù)來重點(diǎn)觀測(cè)近期事件。軌跡數(shù)據(jù)（最近次顯示更新或平均值）被加以覆蓋產(chǎn)生軌跡，看起來類似于傳統(tǒng)頻譜測(cè)量。
這種方法幫助工程師能夠查看并關(guān)注偶發(fā)事件或瞬時(shí)事件，并把它們和其它事件區(qū)分開來。通過改變余輝和加權(quán)值或方案，特定事件將被突出顯示。實(shí)時(shí)PXA為余輝顯示提供完整的軌跡游標(biāo)功能，支持用戶對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行解釋和分析。
FMT技術(shù)與應(yīng)用
在查看特定信號(hào)時(shí)，F(xiàn)MT可對(duì)高速數(shù)據(jù)流與用戶定義的頻譜模板進(jìn)行比較。模板范圍被超出或信號(hào)進(jìn)入模板區(qū)域內(nèi)，就會(huì)生成一個(gè)觸發(fā)。當(dāng)信號(hào)進(jìn)入或重新進(jìn)入模板區(qū)域時(shí)，可對(duì)其進(jìn)行條件觸發(fā)。這個(gè)功能在信號(hào)離開模板或重新進(jìn)入模板等情況下的條件觸發(fā)時(shí)尤其有用。
在實(shí)時(shí)PXA中，模板由上限和下限構(gòu)成，能以數(shù)字或圖形方式輸入。分析儀利用測(cè)量信號(hào)環(huán)境自動(dòng)生成一個(gè)模板，允許用戶根據(jù)需求修改，從而節(jié)省測(cè)量時(shí)間。為了簡(jiǎn)化這一過程，模板與實(shí)時(shí)測(cè)量軌跡同時(shí)顯示。
FMT能夠用來生成相對(duì)頻繁的連續(xù)觸發(fā)。與此相比，F(xiàn)MT的一個(gè)最強(qiáng)大的用處在于測(cè)量那些被測(cè)行為非常偶現(xiàn)，間隔長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘乃至數(shù)小時(shí)的行為事件。借助VSA軟件，預(yù)觸發(fā)和后觸發(fā)時(shí)延功能可以捕獲事件的起始和結(jié)束，或是兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的任意信號(hào)。
提升常見工具的利用率
目前的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)使得大多數(shù)企業(yè)面臨更大的壓力，它們必須充分發(fā)揮傳統(tǒng)信號(hào)分析儀等現(xiàn)有設(shè)備的效用。另一方面，嚴(yán)格的支出控制使得調(diào)整更換單用途工具（例如專用實(shí)時(shí)分析儀）的變得更加困看。
這正是安捷倫致力于開發(fā)RTSA升級(jí)選件的主要原因之一，該選件可添加至新型或現(xiàn)有PXA信號(hào)分析儀。同時(shí)也是PXA在設(shè)計(jì)之初就支持后續(xù)功能添加（例如RTSA）的原因所在。由此，安捷倫為用戶交付集傳統(tǒng)功能和實(shí)時(shí)分析功能于一體的綜合型儀器，無論采用哪一種模式，均可提供始終如一的性能。
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