PXA信號分析儀的實時頻譜分析功能闡釋
2015-10-13
在航空航天、國防和無線通信等領域中，不斷涌現出來的諸多挑戰致使系統表征和故障診斷變得更加困難。以雷達和電子戰（EW）系統為例，這些系統正變得動態范圍更大，運動速度更快，覆蓋戰場上的更大空間。這種多制式、高速率通信系統的擴展提升了互操作性問題的出現概率。
隨著信號變得更加復雜和靈敏，無間隙測量技術——實時頻譜分析和時間捕獲——逐步獲得主流應用的認可。AgilentPXA信號分析儀更進一步將這些新增功能集成到傳統信號分析儀，使用戶不必購買專用或單用途儀器。（圖1）
安捷倫實時頻譜分析（RTSA）作為新型和現有PXA的升級選件，使得PXA成為業界首款支持在購買后添加實時分析功能的傳統信號分析儀。使得用戶可以新實時頻譜儀十分之一的價格用用實時功能。
RTSA支持用戶在實驗室工作臺或現場中查看、捕獲和認知難以捕捉的信號。為進行更深入的分析，用戶可以搭配使用實時PXA與Agilent89600VSA軟件，對復雜的調制信號進行全面表征。
圖1.實時PXA是一款經濟高效的解決方案，可以借助傳統的掃描分析來識別雜散信號，切換至實時模式以觀測脈沖雜散信號。實時分析定義
盡管不同用戶對“實時分析”的理解不同，但它包含一個一致的核心概念：對于擁有數字中頻（IF）部分的頻譜或信號分析儀，針對某個測量結果或觸發操作而言，實時操作將對全部信號的采樣進行處理。（圖2）多數情況下，相對于傳統的頻譜測量結果，測量結果屬于標量（例如功率或幅度）。
圖2：實時操作存在于當計算速度足夠快且能夠對采樣數據進行無間隙分析時。在本例中，CALC操作包括快速傅立葉變換（FFT）計算或功率譜計算，以及平均值計算、顯示更新等。Notreal-timeoperation:Gapsbetweentimeacquisitions非實時操作：采集時間存在間隙
Real-timeoperation:Nogapsbetweentimeacquisitions實時操作：采集時間無間隙
除了無間隙分析之外，實時射頻分析儀還具備四個關鍵屬性：高速測量、穩定的測量速度、先進的復合顯示和頻率模板觸發（FMT）。
通常，實時處理過程中的頻譜流被用于下述兩種用途：頻譜可與復合頻譜顯示結合，或與一個限制模板進行比較，以實施頻率模板測試FMT。配有選件RTSA的實時PXA同時支持這兩種功能。
使用PXA執行實時頻譜分析
和專用實時頻譜分析儀一樣，實時PXA使用ASIC和FPGA將采樣信號數據轉換為信號頻譜，速度接近300,000頻譜/秒。頻譜數據被整合用于構建信息詳盡的顯示，例如密度或直方圖。或者，根據限制條件和邏輯標準對頻譜流依次順數進行測試，以生成針對特定頻譜和特定行為的頻率模板觸發。
為增強實時頻譜分析的性能，安捷倫設計團隊專注于四個關鍵方面：帶寬、動態范圍、截獲概率（POI）和集成分析能力。
帶寬
因為被分析的信號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可為實時測量提供高達160MHz的分析帶寬，足以應對當前的寬帶信號和信號環境。無間隙帶寬不僅適用于實時頻譜分析，而且還適用于FMT、無間隙時間捕捉以及中頻觸發的實時幅度計算。
另一個關鍵點是：實時PXA不同于部分類似產品，它始終能夠在高達160MHz的帶寬范圍內收集無間隙數據。實時模式始終可以捕獲間歇信號或快速變化的信號的細節，用戶對這一點充滿信心。
動態范圍
實時PXA可在160MHz帶寬范圍內提供高達-75dB的無雜散動態范圍，當存在大信號時，支持用戶對小型的快速偶發信號進行檢測。動態范圍通過PXA的低本底噪聲而得到增強，在處理極小信號時，還可通過添加“低噪聲路徑”選件（在處理高電平信號的同時還能改進靈敏度）得到進一步加強。在所有情況下，PXA的低本底噪聲會增強區分小信號和噪聲的能力。
截獲概率
POI是實時頻譜分析的關鍵基準。實時PXA能夠檢測低至5.0ns的信號，保證100%截獲概率時（全幅度精度）可檢測低至3.57μs的信號。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態范圍（包含靈敏度）、采樣帶寬、處理的連續性和FFT重疊處理（用于窗功能形狀補償）。
集成分析能力
在某些情況下，只需找出偶發信號就夠了：例如只需知道某個信號存在，或者只需找到大致頻譜形狀，就足夠解答某些疑問、確認問題或建議解決方案了。在其它情況下，找出偶發信號只是解決系統或信號環境中問題的第一步。
結合使用VSA軟件和實時PXA，可對在實時模式中采集的信號進行全面分析與解調。此外，實時FMT可將VSA全部的測量功能——包括解調和時間捕獲（圖3）聚焦于難以捕捉的信號上。在對信號源（例如壓控振蕩器VCO）當中的調制瞬態信號、跳頻信號、頻率穩定過程、無意瞬態信號進行測量時，上述功能尤為適用。
圖3.FMT可用于實時捕獲瞬時事件。矢量信號分析提供多種視圖，顯示時間選通頻譜（頂部）等細節，并同時顯示功率包絡（藍色）和時間波形（綠色）。充分利用在實時模式中采集的信號
您需要額外關注兩個功能：直方圖/密度顯示和頻率模板觸發。
直方圖或密度顯示
實時頻譜分析儀每秒鐘可以生成數千個頻譜，以便捕獲捷變頻信號或轉瞬即逝的信號的動態。這種高速信號超出了人眼的分辨能力范圍，因而有必要通過單個顯示軌跡來顯示海量的測量數據。實時PXA每秒鐘可生成將近300,000個頻譜。然而，大多數人只能看到30個頻譜。為了更好地觀察實時測量結果，每種顯示更新都應當顯示大約10,000個結果。
通過編譯統計數據并顯示特定測量值的出現頻率（例如在特定頻率上的特定幅度），實時分析儀將會構建信息豐富的顯示圖。測量結果直方圖屬于增強的頻譜測量特性，用以顯示測量值的出現頻率。有些人可能將其視為概率的一種原始表達方式。
顯示結果以彩色或強度編碼顯示。隨著舊數據的消失，可通過添加持久函數來重點觀測近期事件。軌跡數據（最近次顯示更新或平均值）被加以覆蓋產生軌跡，看起來類似于傳統頻譜測量。
這種方法幫助工程師能夠查看并關注偶發事件或瞬時事件，并把它們和其它事件區分開來。通過改變余輝和加權值或方案，特定事件將被突出顯示。實時PXA為余輝顯示提供完整的軌跡游標功能，支持用戶對測量結果進行解釋和分析。
FMT技術與應用
在查看特定信號時，FMT可對高速數據流與用戶定義的頻譜模板進行比較。模板范圍被超出或信號進入模板區域內，就會生成一個觸發。當信號進入或重新進入模板區域時，可對其進行條件觸發。這個功能在信號離開模板或重新進入模板等情況下的條件觸發時尤其有用。
在實時PXA中，模板由上限和下限構成，能以數字或圖形方式輸入。分析儀利用測量信號環境自動生成一個模板，允許用戶根據需求修改，從而節省測量時間。為了簡化這一過程，模板與實時測量軌跡同時顯示。
FMT能夠用來生成相對頻繁的連續觸發。與此相比，FMT的一個最強大的用處在于測量那些被測行為非常偶現，間隔長達數分鐘乃至數小時的行為事件。借助VSA軟件，預觸發和后觸發時延功能可以捕獲事件的起始和結束，或是兩個時間點之間的任意信號。
提升常見工具的利用率
目前的經濟形勢使得大多數企業面臨更大的壓力，它們必須充分發揮傳統信號分析儀等現有設備的效用。另一方面，嚴格的支出控制使得調整更換單用途工具（例如專用實時分析儀）的變得更加困看。
這正是安捷倫致力于開發RTSA升級選件的主要原因之一，該選件可添加至新型或現有PXA信號分析儀。同時也是PXA在設計之初就支持后續功能添加（例如RTSA）的原因所在。由此，安捷倫為用戶交付集傳統功能和實時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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