实时频谱分析技术的两个主要功能

什么是实时分析

“实时分析”的定义并没有统一的说法，但在无线测量领域，可以定义一个通用方法来进行实时分析。在具有数字中频（IF）部分的频谱或信号分析仪中，实时操作是一种状态，分析仪在该状态下能够对全部信号样本进行处理，得到某种测量结果或进行某项触发操作。在大多数情况下，测量结果与传统频谱测量结果是一样的，都是标量值 — 功率或幅度。

实时处理的定义在几种类型的测量和至少两个不同的分析仪平台中是一致的。本应用指南将对此进行讨论。某些类型的实时处理可连续执行，没有时间限制（实时频谱分析仪），而其他类型的实时处理可无间隙进行，但会受到时间长度或存储器深度的限制 （矢量信号分析仪）。

非实时操作：时间记录之间存在间隙

实时操作：时间记录之间无间隙

当计算速度非常快而能够对采样数据进行无间隙分析时，仪器支持实时操作。在此情况下， 每个 CALC 都包括 FFT 或功率谱计算，以及平均值计算和显示界面更新等。

概述

Keysight 信号分析仪提供实时功能，可以连续处理 40 至 160 MHz 射频带宽内的所有样本。因此，它们可以无间隙地进行分析和触发，不会错过信号特性。实时分析作为信号分析仪的选件或更新提供。

本应用指南介绍了实时频谱分析仪的两个主要功能，以及当与 Keysight 89600 VSA 软件搭配使用时，信号分析仪如何利用这个功能进行无间隙捕获。这些功能相辅相成， 可以加快无线系统设计和故障诊断。

第一种实时分析主要提供一种或多种高级显示 — 例如密度或频谱图，以显示捷变信号或难以捕获的信号，以及无线通信波段等复杂信号环境的特性。

第二种分析采用实时频谱处理功能评测单独的频谱，通过这个途径触发对特定信号或信号特性的测量。两种功能都适合当前瞬息万变、日渐复杂、要求苛刻的无线环境。

由于这些实时分析功能能够找到难以捕获的信号，并根据信号特性的多种要素进行触发，所以非常适合揭示问题或异常现象（即便是不易察觉的问题）。这些工具及相关的分析方法能够增强无线工程师的信心，更快完成可靠设计。

不过，在许多情况下，发现问题只是完善无线设计的第一步。通常还需要采取额外的措施来隔离异常的信号或问题，对它们进行量化评测，从而确定其根源和影响。在完成上述操作后，工程师可以对设计进行快速优化，获得理想的成本、性能、功耗或其他特性，并投入有效生产。

在无线应用中进行实时测量

无线应用中最常见的实时（无间隙）分析类型是连续的功率频谱测量和时间捕获，并可在回放捕获结果时进行灵活的后期处理。连续频谱测量是实时频谱分析仪（RTSA）的特殊功能，而捕获/回放操作通常是由 矢量信号分析仪（VSA）完成。RTSA 的连续功率频谱测量一般有两种方式：

• 生成密度或频谱图等频谱显示

• 根据模板测试频谱结果，生成频率模板触发

另外一种非常重要但较不起眼的测量是实时标量测量，它测量的是瞬时通道振幅或幅度，其中的“通道”由分析仪的数字化扫宽定义。幅度测量以两种方式提供。Keysight RTSA 提供功率与时间（PVT）测量，而 Keysight VSA 提供基于幅度的无间隙触发功能，并以幅度迹线显示测量结果。

如前所述，Keysight 信号分析仪使用相同的硬件平台，能够执行 RTSA、矢量信号分析和传统的扫描频谱分析。

所有这些测量在无线应用中是非常有用的，我们将会在接下来的章节中说明。表 1 汇总介绍了各种类型的工具，以及它们在无线应用中进行实时分析的优势和限制。

表 1. 在无线应用中执行实时分析的优势及信号分析工具的比较

显示捷变信号和复杂的信号环境

随着信号越来越捷变、信号环境日益复杂，在单个屏幕上显示大量测量数据也变得越来越实用。在现代射频应用中，最常见的实时测量结果可以用密度、直方图或累积的历史迹线或频谱图描述。

新的显示充分利用了 RTSA 的高速数字信号处理能力，每秒钟生成数千个频谱 — 远远超过了肉眼所能分辨的数目。在此情况下，可通过收集统计数据和显示特殊测量值（例如在特定频率上的特定幅度）出现的频次，得到信息量最大的显示界面。图 1 显示了一个结果实例。

图 1. 这个实时密度或直方图显示使用不同的颜色表示特定频率和幅度值在 2.4 GHz ISM 频段内出现的频次。蓝色表示偶发信号或低占空比信号。白线是峰值检测迹线，表示在显示更新之间计算出的所有频谱。在这个测量示例中，ISM 频段主要由 WLAN 和蓝牙® 信号占用。

测量结果直方图（图 1）是经过强化的频谱测量结果，可显示发生频次。它不只是一个可视化工具，还可量化测量发生频次（通常用 % 表示），并通过游标读取在任意频率/ 幅度点上发生的频次。这些显示界面使用颜色或迹线亮度进行编码，并可添加余辉功能，使显示的旧数据逐渐变暗，让用户集中注意力查看较新的事件。工程师能够查看并关注偶发事件或瞬态，并把它们与其他特性区分开来。通过改变余辉和颜色加权值或方案，可以将特定特性突出显示出来，从而快速和全面地评测频段的频谱占用率。

借助 RTSA 的快速、无间隙处理能力，从密度或直方图显示界面也能轻松地找出罕见或意外的信号或信号特性。尽管单个显示界面能够揭示具有超低占空比的信号，但它无法揭示信号计时或特定的信号特性。当信号计时十分重要时，密度显示界面的频率（颜色）编码可以转换为频谱图显示界面的时间编码（Y 轴）。在 RTSA 中，频谱图显示界面由垂直层叠的迹线组成，每个迹线都是一条直线，表示一次频谱显示更新。每个迹线或频谱显示更新线的信号功率与频率关系都已编码或映射到颜色。图 2 清晰地显示了信号功率谱与时间的关系。

图 2. 这个频谱图显示界面（图 1 中的 ISM 频段）揭示了频谱占用率随时间的变化。图中显示了 WLAN 猝发与蓝牙信号的跳频码型。底部的白线是切片（slice）游标，选择一个谱线并在顶部显示。

清晰了解信号特性和信号环境，对许多无线应用都有好处。密度和频谱图测量组合可提供完整的视图。大多数频谱图可与直线或“切片”游标功能搭配使用，该游标功能通过水平显示线来选择频谱图缓冲区内的单个迹线，并显示特定时间点的频谱。注意：每个谱线通常表示多个乃至成千上万个频谱结果。在 Keysight 信号分析仪中， 默认设置是大约 300,000 个频谱/秒除以 30 ms 显示更新速率，即每个谱线上产生大约10,000 个频谱。根据分析仪的显示检波器设置（一般是峰值或平均值），把单个频谱编译到一个显示更新或谱线中。

VSA 中创建频谱图显示界面的方式略有不同，特别是在时间捕获/回放操作方面。本文稍后将举例进行对比。

通过触发查找特定信号或信号特性

经过 RTSA 处理得到的高速无间隙频谱结果还有另一个用途，即基于频谱的触发或频率

模板触发。具有 RTSA 功能的 信号分析仪拥有大约 300,000 个频谱/秒的显示更新速率，并将计算出的频谱结果与上限、下限或上/下限模板进行比较，根据结果触发一次测量结果显示。频谱测试还受到逻辑条件的影响，例如要求信号离开并重新进入模板，以产生一次触发。

频率模板触发的直接用途是在频谱环境中重点对特定信号进行测量。相比之下，射频幅度触发可在多种情况下应用，用于测量脉冲或猝发信号（稍后阐述）；不过，幅度法仅对总体射频测量功率有响应，对单个信号没有响应。如果指定的触发信号不是最大信号，或者与最大信号没有时间关联（允许幅度触发使用时延），那么幅度触发可能不适用。图 3 中，我们隔离出了特定频率的蓝牙猝发，并在包含更宽、更大的无线 LAN 信号的环境中进行测量。

图 3. 频率模板触发提供了频率和幅度可选触发，以进行无线测量。在本例中，模板上限（深绿色）被配置为仅在出现特定的蓝牙跳频时才执行触发测量。

频率模板触发特别适用于拥挤和动态变化的频谱环境，尤其是有问题的信号或信号特性非常罕见和难以预测的情况。在这些情况下，使用 VSA 时间捕获和后期处理等方法并不实用，因为 VSA 很难通过一次特殊捕获便捕获到指定信号，并且审查大量捕获数据需要耗费很长时间。

频率模板触发功能充分利用 RTSA 的处理能力，可以查看特定信号或频谱特征，连续数分钟、数小时或更长时间地评测信号。在无线应用中，这种功能有助于检测问题，例如瞬态干扰、合成器稳定性或锁定问题、频率转换误差和幅度不稳定性。例如，您可以轻松配置频率模板触发，以检测发射机、接收机或其元器件和子系统中的颤噪效应。

89600 VSA 软件也充分利用了 RTSA 的频率模板触发功能，启动各种单次采集测量或时间捕获操作。频率模板触发可通过 VSA 软件来配置，包括触发前时延和触发后时延。使用触发前时延，可以在触发事件之前用户选定的时间内获得数据和测量结果。这样有助于在无线应用中了解信号或系统问题以及异常特性的根源。

让测量结果与猝发保持一致

信号分析仪有时还可以与 89600 VSA 软件结合使用，提供一种更简单的实时模式（不依赖 RTSA 功能）：中频幅度触发。信号分析仪平台中的专用硬件和固化软件可以实时计算每个 I/Q 样本的信号幅度（即测量扫宽内的总信号）。触发电平和极性是可调的， 而且触发释抑功能十分灵活，触发前和触发后时延也是可调的。这为无线工程师提供了一个强大的触发功能，它不仅非常适合常见的脉冲信号和猝发信号，还可用于故障诊断任务，确保分析仪正常工作。

由于幅度触发是逐个样本进行评测的，而频率模板触发是对每个时间记录或 FFT 频谱计算结果进行一次性评测，两者相比，中频幅度触发更具优势。幅度触发在时间上可以精准地与脉冲、猝发或电平变化保持一致，从而更轻松地进行矢量或解调测量，避免在某些解调操作中进行脉冲或同步搜索。

中频幅度触发的时间校准还允许使用时域或矢量平均方法。在时间平均法中，在执行频谱、矢量或解调分析之前，需要采集信号的连续样本块（时间记录）并求平均值。这样可以显著降低噪声对任何测量类型的影响，而频率模板触发无法做到这一点。

与频率模板触发一样，中频幅度触发可用于触发单独测量，或启动时间捕获，然后进行后期处理（本文稍后说明）。触发前/触发后时延和释抑功能以相同方式执行，无论采集是单次进行、多次进行还是时间捕获的。

支持灵活的矢量分析和解调

RTSA 功能提供无间隙、连续的数据处理，且处理时间不受限制。不过，连续实时处理仅限于标量频谱和幅度结果（例如，功率与时间）。另一种实时方法是对中频信号的矢量 I/Q 样本进行无间隙时间捕获，并执行灵活的后期处理。许多是德科技信号分析仪以及其他基带和射频平台通过 89600 VSA 软件提供时间捕获功能。

在捕获过程中，可无间隙地执行时间捕获操作，最大长度仅受捕获存储器容量的限制 — 通常是几百 Msa 或更多。如前所述，时间捕获可由用户启动，也可通过频率模板或中频幅度触发启动。

对于无线信号的时间捕获操作来说，其最大优势也许是能够提供完整的矢量分析结果 — 包括时间和模拟或数字解调 — 允许用户针对任意测量类型重新配置后期处理， 无需捕获新的数据。

重叠处理可以提高无间隙捕获数据的用处。在 VSA 软件中，重叠范围可在 0 与 99.99% 之间选择。通过指定重叠处理的数量，可以调节回放速度，消除（当脉冲或猝发接近单独时间记录的边缘时，由开窗引起的）幅度精度问题。由于在后期处理期间，分析会“滚动查看”捕获缓冲区，这样可以了解所捕获信号的特性，而不受特定时间记录开窗效应的影响。

对已捕获数据还可应用时间选通功能，从而利用专为问题信号优化的窗口来分析捕获缓冲区的指定部分，确保幅度精度和频率分辨率的最佳组合。

如前所述，RTSA 频谱显示界面更新通常包含许多单独的频谱计算结果。这使得用户可以分析和查看连续的无间隙结果流，但却可能会限制其专门分析窄时间段采样数据的能力。当射频结果分析需要非常精细或特殊的时间分辨率时，无论采用矢量分析还是解调，时间捕获都是实时分析的理想选择。图 4 比较了 RTSA 和 VSA 工具所得到的频谱图结果。

RTSA 频谱图

VSA 频谱图

图 4. 使用 89600 VSA 软件分析 1900 MHz 无线频段时得到的 RTSA 频谱图（顶部）与时间捕获/回放频谱图（ 中部）比较。在 RTSA 频谱图中，每个谱线均代表多个频谱，捕获/回放频谱图利用可调节重叠处理和时间选通功能，分离每个发射机的猝发和显示频段内的信号计时。底部迹线显示了测量扫宽的射频功率包络，以及 VSA 软件的选通游标（定义用于频谱计算的样本）。

在 VSA 软件中，在回放所记录的信号时应用可调节重叠处理功能，可精准地逐步调整每个谱线的时间间隔，使后续的谱线可以显示极小的时间增量。这样可以为分离频段内的信号提供出色的时间分辨率，再结合使用时间选通测量（如图 4 所示），可以将测量结果隔离到时间捕获缓冲区中的精确部分。

89600 VSA 软件的捕获/回放测量方法还有另一个优势：无需执行新的捕获，即可更改分析中心频率和扫宽（即“调谐和缩放”）。灵活的后期处理能力，以及允许选择并分析部分捕获缓冲区的功能，使无线工程师能够在时域和频域中对所捕获信号的任意部分进行分析。在这个模式中，可以使用所有类型的分析，包括模拟和数字解调。

重复利用捕获到的信号

无线系统利用信号的方式有很多，包括模拟和采样数字格式。因此，保存和重复利用捕获到的真实信号非常有用。在 89600 VSA 软件中，从测量或时间捕获获得的采样数据可按原样保存或以修改的格式保存。例如，数据可以按更改后的中心频率和扫宽保存，反映出VSA 后期处理过程中的频率转换、重采样和滤波操作的结果。在 89600 VSA 软件中，可选择保存特定时间段的采样数据，并对数据进行变频操作。

如图 5 所示，捕获到的信号可以馈送给其他工具，例如信号发生器（具备捕获/重播功能）；实际数据能够馈送给仿真工具，例如 Keysight SystemVue 或 MATLAB 软件。

图 5. 使用信号分析仪和 89600 VSA 软件，可将采样信号发送到无线设计流程所用的其他工具中。样本包括数字和模拟（射频和基带）两种形式，可以更改后的中心频率和扫宽设置或不同的采样率导出。

89600 VSA 软件的回放和后期处理功能也适用于其他信号源生成的采样信号。各种数字形式的信号 — 例如逻辑分析仪或示波器捕获的信号、算术运算/仿真程序提供的信号，或使用无线接收机的 FPGA 捕获的信号 — 可以像 VSA 捕获到的信号一样，采用相同的方式进行分析。这包括前文提到的中心频率和扫宽修改。

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