标签: 实时频谱分析软件

    之前的博文里，我们介绍过低占空比的脉冲信号测量和分析工具。在目前的电子设计中，还有一种重要的脉冲信号需要精密分析，这就是脉冲调制信号。       早期的射频信号，通常使用连续波调制。而今天的大多数射频体制都使用了突发的方式，如我们熟悉的 GSM 信号，就是一种突发跳频脉冲形式的信号；另外一个例子就是雷达，雷达信号通常都是脉冲形式，并且脉冲内部会使用相位编码、捷变频或扫频等脉压方式，而脉冲之间也可能有频率捷变、参差 PRI 等变化。对这些脉冲调制信号，需要测试的项目包括脉冲时域参数测量、功率测量、脉内调制分析、脉间分析（如脉冲到脉冲频率变化、脉冲到脉冲相位变化、脉冲到脉冲功率变化等）。传统手段中，这些参数测量可能需要峰值功率计、信号源分析仪、频谱分析仪、矢量信号分析仪等多种仪器，并配合被测件工作模式控制，才能获得部分参数；而被测件实际工作状态下的测试一直是个耗时费力花钱的工作。      近几年来，射频信号带宽越来高，出现了很多超宽带（调制带宽超过 500MHz 或相对带宽超过 20% ）的应用，而其时变特性对传统频域分析仪器也提出了很高的挑战。这些宽带和时变挑战让我们很容易联想到一种宽带的、特别适用于时间测量的通用仪器——示波器：它的低通模型让其可以采集带宽范围以内的所有频谱成分；而其高采样率也提供了较高的时间测试精度，这两大特点让其成为一种较为理想的宽带、超宽带脉冲调制信号分析平台。相比频谱分析仪或矢量信号分析仪来说，示波器平台的主要劣势在于动态范围，但对于宽带、超宽带信号来说，示波器的动态范围通常也可以满足测试需求的。       在基于示波器的宽带、超宽带脉冲调制信号分析平台中，示波器硬件提供了采集引擎。采集下来的波形数据可以通过多种手段分析，工作中 MATLAB 、 LabViEW 等分析平台都是用户常用的。下面简单介绍泰克的信号分析工具—— SignalVu 矢量信号分析软件。       SignalVu 是泰克公司将实时频谱分析仪的应用软件移植到示波器平台的产物。除了一些和实时频谱分析仪硬件相关的功能外， SignalVu 完整继承了实时频谱分析的理念和功能，能将时域、频域和调制域结合起来联合分析。进一步的，由于示波器是多通道的仪器，所以一些频谱仪无法完成的功能，在示波器上也可以实现：比如差分基带信号的分析，就可以利 用示波器的四条通道完成（见图 9 左下角蓝框内）。       对于脉冲调制信号， SignalVu 有两大主要的特点，能简便快速地分析：第一是独一无二的跳频测试能力，第二是完备的脉冲分析能力。       跳频测试能力（是指跳频图案观测，换频时间测量，跳频点解调），跳频点的解调与传统矢量信号分析设备不同， SignalVu 解调功能无需仪器中心频率对准信号载波，它能自动锁定信号载波，并告知信号载波相对于仪器中心频率的偏移。       下面是一个跳频通信信号的示例，图 1 是信号的时域波形，示波器捕获了信号中的八个脉冲：   图 1. 脉冲信号时域信号       从时域上，很难看出信号频率变化情况，虽然可以用数学功能中的 FFT 对每个脉冲分析，但是操作比较繁琐。现在打开 SignalVu ，观察信号的频率和功率随时间变化的情况，如图 2 。其中右图是时间概览，是脉冲时域包络；左边的三维频谱图（瀑布图），横轴是频率，纵轴是时间，颜色代表功率。通过三维频谱图，我们可以观测短时间内信号的跳频图案。   图 2. SignalVu 的三维频谱图和时间概览       下一步就是对信号的调制情况进行分析。在图 2 中，我们发现至少有六个跳频点，只有左图中从上往下数的第六个脉冲的载波对准了仪器中心频率，我们对这个脉冲分析——如图 3 所示，打开数字解调功能，在右下的时间概览图中将分析范围设定至第六个脉冲：   图 3. 对准中心频率的信号解调       图 3 中，我们添加了几个分析窗口，分别是星座图、眼图和解调以后的 IQ 时域图，输入正确的调制参数后即正常解调。       那么接下来，对载波不在中心频率的信号是否能够解调呢？是否需要特殊的设置呢？完全不用，测试人员只用将分析窗口（时间概览图中的明亮部分）拖至需要分析的位置，再点击左上角的蓝色圆形图标即可（注意：无需改变中心频率或重新采集）。图 4 是对第二个脉冲解调的结果，可以看到，解调正确，没有出现无法锁定的的现象。进一步地，分析软件直接告知用户该脉冲的载波频偏为 -20MHz （即低于仪器中心频率 20MHz ，红圈中所示）。     图 4 对于载波偏移中心频率的信号解调       同样，我们可以一个一个地分析所有采集的脉冲。通过这种方式，测试人员可以先把被测设备的真实工作环境捕获下来，再逐个分析脉冲，从而得到设备的实际运行状态，而非定频测试情况下的状态。       另外一些信号，特别是雷达脉冲，需要测试的项目很多，包括时域的上升 / 下降时间、脉冲宽度、脉冲重频、过冲、纹波、跌落等；频域的功率、频率、相位等；同时还需要测试脉冲到脉冲的参数变化，以确定脉冲一致性、相参性等指标。       对于这类测试要求，泰克的 SignalVu 内建的全脉冲测量套件提供较为完整的自动化测试方案。下面是一个宽带雷达脉冲信号的分析示例，被测信号是脉冲线性调频，扫频宽度约 990MHz ，脉冲宽度（ 50%~50% ）为 9.9us ，上升 / 下降时间为约 50ns 。图 5 是时域信号采集结果：   图 5 雷达脉冲时域采集       在 SignalVu 中，打开雷达（脉冲）测试套件，如图 6 ，添加脉冲参数窗口（右上）、参数趋势窗口（左下）和参数统计窗口（左上），结果立刻给出：     图 6 脉冲分析套件 下一篇： “示波器采集平台+实时频谱分析软件”=脉冲调制信号强大解决方案 (二)