Embed Size (px)
Citation preview
即時頻譜分析基礎知識 入門手冊
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 2
目錄
第 1 章介紹和概述3 射頻訊號的演變3 現代射頻量測挑戰 4 儀器架構概述 5 掃頻頻譜分析儀 5 向量訊號分析儀 7 即時頻譜分析儀 7
第 2 章即時頻譜分析儀如何運作 9 射頻中頻訊號調節 9 輸入切換和發送區段10 射頻和微波區段 10 頻率轉換IF 區段 11
數位訊號處理 (DSP) 概念12 即時頻譜分析儀中的數位訊號處理路徑12 中頻數位化器13 校正 13 數位降頻轉換器 (DDC)13 IQ 基頻訊號 14 抽取 15 抽取濾波 15
將時域波形轉換為頻域波形16 即時頻譜分析17 RSA306 和即時分析 17 將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯 18 即時頻譜分析儀上的 RBW 18 視窗化19 即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT) 20
數位濾波 22 有限脈衝響應 (FIR) 濾波器 22 頻率響應與脈衝響應22 數值迴旋 23
DPX 技術用於訊號探索的革命性工具 25 數位螢光顯示器 26 DPX 顯示引擎27 DPX 轉換引擎29
時序和觸發 30 即時觸發和擷取 31 系統中的觸發與數位擷取32 觸發模式和功能 32 即時頻譜分析儀觸發源 33 構建頻率遮罩34
調變分析35 振幅頻率和相位調變 35 數位調變 36 功率量測及統計 37
第 3 章時域和頻域量測間的相關性38 頻譜圖 38 掃頻 FFT 分析 40 擷取和分析的時間控制 41 時域量測42 脈衝量測42
第 4 章即時頻譜分析儀應用 43 即時分析儀實驗室到現場43 資料通訊WLAN44 資料通訊WPAN 46 語音和資料通訊蜂巢式無線電 48 無線電通訊 48 視訊應用50 頻譜管理和幹擾搜尋51 裝置測試51 雷達 51
第 5 章術語 52 詞彙表 52 縮寫參考53
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 3
第 1 章介紹和概述
射頻訊號的演變
早在1960年代James Clerk Maxwell利用數學運算
預測出存在著能夠透過空白空間傳輸能量的電磁波此
後工程師和科學家一直在尋求創新方法利用射頻技
術在Heinrich Hertz 在1886年實際展示了「無線電波」
之後Nikola TeslaGugliemo Marconi等人開創了利
用這些波實現長途通訊的方式一個世紀以後無線電
已經成為射頻訊號第一個實際應用過去三十年中已經
啟動了多個研究專案考察訊號發送和接收方法偵測
和定位遠距離內的目標到第二次世界大戰開始時無
線電偵測和測距 (也稱為雷達) 已經成為又一個盛行的
射頻應用
在很大程度上由於軍事和通訊領域持續增長射頻技
術創新在20世紀其餘時間內都一直穩定加速增長直到
今天這種增長仍在繼續為防止幹擾避免偵測及改善
容量現代雷達系統和商用通訊網路已變得非常複雜
這兩種系統一般都採用全面組合的射頻技術如複雜的
自適應調變脈衝和跳頻設計這些進階的射頻裝置
並將其成功地整合至工作系統中是非常複雜的任務
同時越來越廣泛的蜂巢式技術和無線資料網路的成
功導致了基本射頻元件的成本大振幅下降這使得傳
統軍事和通訊領域之外的製造商能夠將相對簡單的射
頻裝置嵌入到各類商用產品中射頻發射器已經深入生
活幾乎在任何想得到的位置都可以發現其身影如家
中的消費電子醫院中的醫療器械工廠中的工控系
統甚至是植入家畜寵物和人體皮膚下的追蹤設備
隨著射頻訊號在現代世界中變得無所不在產生射頻訊
號的裝置之間的幹擾問題也隨之增長在需要牌照的頻
譜中工作的行動電話等產品在設計時必須不會將射頻
能量發送到相鄰頻率通道中對在不同傳輸模式之間切
換保持到不同網路元件的同步鏈路的複雜多標準設備
而言這一點尤其具有挑戰性在沒有牌照的頻段中工
作的比較簡單的裝置也必須設計成在存在幹擾訊號時
能夠正確運行政府法規通常規定這些裝置只允許以
低功率在短脈衝中傳輸訊號這些新的數位元射頻技術
需要結合使用電腦和射頻包括WLAN手機數位電
視RFID等等這些技術與軟體定義的無線電 (SDR) 和認知無線電 (CR) 最新技術相結合提供了新的發展
道路將從根本上改變頻譜分析方法提高最稀有的商
品之一「射頻頻譜」的利用效率
為克服這些不斷演變的挑戰當前工程師和科學家能夠
可靠地偵測和檢定隨時間變化的射頻訊號非常關鍵而
使用傳統量測工具並不能簡便地實現這一點為解決這
些問題Tektronix研製了即時頻譜分析儀 (RSA)這
種儀器可以發現射頻訊號中的難檢效應觸發這些效
應將其無縫擷取至記憶體並在頻域時域調變域
統計域和碼域中分析這些效應
本文介紹了RSA的運作方式並提供如何使用RSA來解
決與現代射頻訊號有關的許多量測問題基本瞭解
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 4
現代射頻量測挑戰
鑑於分析當今射頻裝置行為特性所面臨的挑戰使用者
必須瞭解頻率振幅和調變參數在長短時間間隔內是
如何表現如掃頻頻譜分析儀 (SA) 和向量訊號分析儀 (VSA) 等傳統工具提供了訊號在頻域或調變域中的快
照但此資訊往往不足以放心地形容現代射頻訊號的動
態性質
考慮下列具有挑戰性的量測任務 探索罕見短暫的事件 查看被較強訊號遮罩的較弱訊號 觀察被雜訊遮罩的訊號 查找和分析暫態和動態訊號
擷取脈衝傳輸突波切換暫態 分析特性 PLL 安時序間頻率漂移微音效應 擷取展頻和跳頻訊號 監測頻譜使用情況偵測惡意傳輸 測試和診斷暫態 EMI 效應 分析時變調變方案的特性 隔離軟體和硬體的相互作用
通常每個量測所包含的射頻訊號皆無法如預期地隨時
間改變為了有效地分析這些訊號工程師需要一些工
具來探索難以捉摸的事件有效地觸發這些事件並將
其隔離至記憶體使得訊號行為可以進行分析
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 5
儀器架構概述
若要瞭解 RTSA 如何運作並瞭解其所提供的量測
值請先檢查其他兩個類型傳統射頻訊號分析儀掃頻
頻譜分析儀 (SA) 和向量訊號分析儀 (VSA)
掃頻頻譜分析儀
掃頻超外差式頻譜分析儀是幾十年前第一次使得工程
師能夠進行頻域量測的傳統架構頻譜分析儀最初是使
用純類比裝置構建的之後與所應對的應用一起不斷演
變現今一代頻譜分析儀包括各種數位元件如 ADCDSP 和微處理器但是基本掃描方法仍大體相同
最適合觀察受控的靜態訊號掃頻式頻譜分析儀透過降
頻器所輸入的射頻訊號在解析度頻寬 (RBW) 濾波器
的通帶範圍內掃描來量測功率隨頻率的變化RBW 濾波器後面有一個偵測器偵測器計算選定頻距中每個
頻率點上的振幅儘管這種方法可以提供高動態範圍
但它的缺點是每一次只能計算一個頻率點的振幅資
料這種方法基於的假設是分析儀在完成至少一次掃
描的時間內待測訊號在此其間沒有明顯的變化結
果量測只對相對穩定不變的輸入訊號有效如果訊號
快速變化那麼在統計概率上說部分變化極可能會被
遺漏如圖 1-1 所示當瞬間頻譜事件發生在 Fb 段時
SA 正在查看 Fa 頻率段 (左圖)在掃頻到達 Fb 段之
前事件已經消失且未偵測到 (右圖)SA 架構並未
提供能探索這種暫態訊號存在的可靠方法進而導致在
疑難排解許多現代射頻訊號時會耗費時間和精力除了
會遺失瞬間的訊號脈衝訊號 (如在現代通訊和雷達中
所使用) 頻譜可能也無法如實呈現SA 架構無法表現
不具重複掃頻的脈衝的佔用頻譜使用者亦需要特別注
意掃頻速率和解析度頻寬
圖 1-1 掃頻頻譜分析儀涵跨一系列頻段的掃頻分析儀調整通常會錯過發生於目前掃頻外的重要暫態事件 (右側棕色頻段
Fb 中強調顯示)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 6
圖 1-2 abc 簡化掃頻頻譜分析儀 (a) 向量訊號分析儀 (b) 和即時頻譜分析儀 (c) 方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 7
圖 1-2a 說明瞭典型的現代掃頻分析儀結構儘管現代
掃頻分析儀已經用數位訊號處理 (DSP) 取代了類比功
能但基礎結構和限制保持不變
向量訊號分析儀
分析傳送訊號的數位調變要求進行向量量測以同時提
供振幅資訊和相位資訊圖1-2b是簡化的VSA方框圖
VSA 數位化儀器傳輸頻帶內部的所有射頻功率將數
位化的波形放入記憶體記憶體中的波形同時包含振幅
資訊和相位資訊DSP可以使用這些資訊進行解調量
測或顯示處理在VSA內部ADC數位化寬頻IF訊號
降頻轉換濾波和偵測以數位元方式完成從時域到頻
域的變換使用FFT演算法完成VSA量測調變參數如
FM偏差碼域功率和誤差向量振幅 (EVM和星座圖)還提供其他顯示畫面如通道功率功率隨時間變化和
頻譜圖
儘管VSA增加了在記憶體中儲存波形的功能但其分析
暫態事件的能力有限在典型的VSA 自由運行模式
下擷取的訊號必須儲存在記憶體中然後才能進行處
理使用者看不見這種批次處理的串列特點意味著儀器
對擷取之間發生的事件無法可靠地發現單次事件或偶
發事件使用者可以使用偶發事件觸發功能在記憶體
中隔離這些事件遺憾的是VSA的觸發功能有限外
部觸發要求事先瞭解有問題的事件這可能是不現實
的IF 位準觸發要求總IF功率必須出現可度量的變
化而在存在大的訊號或訊號頻率變化但振幅不變
時則不能隔離微弱的訊號而在當前的動態射頻環境
中經常會發生這兩種情況
即時頻譜分析儀
「即時」一詞源於早期的實體系統數位模擬工作如果
其工作速度與被模擬的實際系統一致數位系統模擬即
是即時工作
即時分析訊號意味著必須以足夠快的速度執行分析操
作以準確地處理感興趣的頻段中的所有訊號分量此
定義表明我們必須 以足夠快的速度對輸入訊號取樣以滿足Nyquist標準這意味著取樣頻率必須超過感興趣頻寬的兩倍
連續地足夠快地執行所有計算以便分析輸出跟上輸
入訊號的變化
探索觸發擷取分析
即時頻譜分析儀 (RSA) 旨在解決與上一節仲介紹的暫
態動態射頻訊號有關的量測挑戰RSA使用即時數位訊
號處理 (DSP) 執行訊號分析DSP在記憶體儲存之前
完成而VSA結構則通常採用擷取後處理即時處理允
許使用者發現其他結構看不到的事件並觸發這些事
件可以選擇性將事件擷取至記憶體然後可以使用批
次處理在多個域中全面分析記憶體內的資料另外還可
以使用即時DSP引擎執行訊號調節校準和某些類型
的分析
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 8
RSA 的核心是即時處理模組如圖 1-2c 所示 (第 6頁)與 VSA 類似寬擷取頻寬已進行數位化處理與
VSA 不同的是即時引擎工作速度足夠快可以處理
每個取樣點而不會有空白如圖 1-3 所示可以連續
應用振幅和相位校正補償模擬中頻和射頻回應不僅
可以全面校正記憶體中儲存的資料還可以執行所有後
續即時處理在校正的數據上操作即時引擎支援下述
功能滿足了現代射頻分析的需求 即時校正改善類比訊號路徑中的不完整性 DPXreg即時射頻顯示可以探索掃頻分析儀和VSA遺漏的事件
訊號發生的持續性確定的DPX DensityTM量測和觸發 進階時間判定觸發如矮波脈衝觸發通常在高效能
示波器中提供
頻域觸發支援頻率遮罩觸發 (FMT) 觸發使用者指定頻寬支援濾波功率觸發 即時解調變可讓使用者「監聽」繁忙頻段中的特定
訊號 數位化資料的數位IQ串流允許不間斷地輸出訊號
進行外部儲存和處理
即時引擎不僅可以發現和觸發訊號還可以執行許多重
複的訊號處理任務釋放以軟體為基礎的寶貴資源與
VSA一樣RSA可以使用DSP進行擷取後分析使用者
可以在時間相關的多個域中執行量測並可以同時顯示
這些量測
圖 1-3 VSA 處理 vs 即時頻譜分析儀即時引擎處理比較
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 9
第 2 章即時頻譜分析儀如何運作
本章提供了Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 的多個
主要擷取結構圖和分析方框圖為便於討論其中省去
了部分輔助功能
現代即時頻譜分析儀可以擷取分析儀輸入頻率範圍內
任何地方的傳輸頻帶或頻寬此功能的核心是射頻降頻
轉換器後接有一個寬頻中頻 (IF) 段ADC數位化IF訊號系統以數位元方式執行所有進一步的步驟DSP演算法執行所有訊號調節和分析功能
使用者可透過數個關鍵特點來區分即時結構是否成功 射頻訊號調節提供寬頻寬中頻路徑和高動態範圍 使用帶通濾波器而不是YIG預選濾波器在每種產
品的整個輸入頻率上同時實現無像頻幹擾頻率轉換
和寬頻量測 ADC系統能夠數位化整個即時頻寬並具有足夠的完
整性支援所需的量測
即時數位訊號處理 (DSP) 引擎啟用無間隙處理 足夠的擷取記憶體和DSP能力在所需的時間量測週
期上執行連續即時擷取 整合式訊號分析系統對待測訊號提供多個分析視
圖並在時間上相關
射頻中頻訊號調節
圖2-1是簡化的RSA RFIF方框圖帶有RSA頻率範圍
內任何頻率內容的訊號都會應用到輸入連接器上一旦
訊號進入儀器將會根據使用者選擇的分析需求發送和
調節並套用可變衰減和增益調諧使用多階段頻率轉
換及組合使用可調諧本振和固定本振 (LO) 實現模擬
濾波在各種中頻頻率上完成最後的中頻使用AD轉換
器進行數位化所有進一步處理都使用DSP技術執行
某些RSA機型可以選配基頻模式其中直接數位元化輸
入訊號而無需進行任何頻率轉換基頻訊號使用的
DSP採用的方法與射頻訊號採用的方法類似
圖 2-1 即時頻譜分析儀射頻中頻方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 10
輸入切換和發送區段
輸入切換和發送段將輸入波形分發到儀器內部的各種
訊號路徑某些RSA機型包括一條單獨的DC耦合基頻
路徑在分析低頻訊號及DC耦合IQ基頻路徑時提高了
動態範圍和準確度RSA還包括內部調整源這些調整
來源產生的訊號具有為RSA專門訂制的屬性 (PRBS校準的正弦曲線調變參考等等)這些訊號用於自行
調整程式校正系統參數溫度變化如 增益 整個擷取頻寬的振幅平坦性 整個擷取頻寬的相位線性 時間調整 觸發延遲校驗
自行調整流程與採用外部設備在原廠或服務中心進行
的校驗相結合構成了RSA所有關鍵量測規格的核心
射頻和微波區段
射頻微波段包含寬頻電路可調節輸入訊號以便其
擁有適當的位準和頻率分量達到最佳的下行串流處
理
步進衰減器
步進衰減器是由電阻衰減器連接盤和RFmicroW開關組成
的裝置用來降低寬頻訊號位準降低振幅是程式設計
確定的數量
步進衰減器執行兩個功能 1 將輸入上的RF和微波訊號位準降低到最佳的處理位
準步進衰減器還可以防止因吸收過多射頻功率導
致非常高的訊號而破壞輸入 2 在儀器的整個頻率範圍中提供了寬頻阻抗匹配這種
阻抗匹配對保持射頻訊號量測準確度至關重要為
此大多數儀器規格適用於10 dB以上的輸入衰減條
件
RSA使用的步進衰減器因設計機型而有所不同通常可
以進行程式設計以5 dB 或10 dB步進衰減0 dB至
50dB 以上
圖像抑制濾波器
RSA 提供了無圖像的頻率轉換功能可以從輸入上的
射頻和微波訊號轉換到最終中頻使用者可將各種濾波
器放在第一個混頻器前面而完成此步驟各種RSA機型
使用多階段混頻方案採用寬頻濾波器允許對整個擷
取頻寬進行無圖像轉換實現可重複的指定的振幅平坦
度和相位線性度
前置放大器
某些RSA機型包括可以選擇的前置放大器選項在訊號
路徑中的圖像抑制濾波器前增加增益這種選項改善了
RSA的雜訊係數用來分析非常弱的訊號當然在輸
入上增加增益限制了可分析的最大訊號將這個放大器
切換出訊號路徑會將分析儀的範圍恢複到正常範圍
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 11
頻率轉換中頻區段
所有 RTSA 機型均能分析集中在分析儀頻率範圍任何
位置的廣泛頻率頻帶此步驟可經由將感興趣的頻帶轉
換至固定的中頻 (進行濾波放大和縮放的位置) 來完
成此中頻訊號接著會進行數位化處理然後使用即時
和批次處理在感興趣的訊號上執行多域分析
多階段頻率轉換
頻率轉換區段的目標是將所需的頻率頻帶中的訊號忠
實地轉換為適合進行類比至數位轉換的中頻在多個轉
換超外差架構中選擇本地振盪器 (LO) 的頻率即可完
成調整如圖 2-1 所示 (第 9 頁)每個頻率轉換階段均
包含混波器 (類比倍頻器)接著是 IF 濾波和放大中
頻頻率的選擇濾波器的波形形狀增益和位準將會視
RTSA 機型而有所不同且在每個機型中皆會以儀器設
定函數進行變更以最佳化不同領域中的效能如下列 由於混波器和濾波器不完整性所產生的寄生訊號響
應 動態範圍 (可同時觀看且無誤差的最小和最大訊號) 整個即時頻寬的振幅平坦性 整個即時頻寬的相位線性 訊號與觸發路徑之間的延遲匹配
內部調整來源
在 RTSA 中針對一些在前述清單中提到的特性所取得
的效能遠遠超過實際使用類比分量的效能濾波器響
應延遲和增益會隨著溫度變化並且可能會隨著個別
儀器而有所不同RTSA 效能是由實際量測增益濾波
器的波形形狀和延遲並利用 DSP 來補償量測效能所
取得寬帶射頻分量的頻率響應和增益變化是採用已校
準的設備在原廠進行量測可溯源至國家計量機構 (如NISTNPL 和 PTB)此設備也可用於校準內部調整來
源反過來提供針對在 RTSA 所使用的時間和地點的訊
號路徑條件而調整的訊號RTSA 採用兩種內部訊號 高度準確溫度穩定的正弦訊號會用於設定基準頻率
的訊號路徑增益通常為 100 MHz此訊號是內部射
頻位準參考設定了在擷取頻寬中心的量測射頻功率
準確度 校準後的寬頻訊號會用於量測整個即時擷取頻寬的
振幅和相位響應此訊號是內部通道響應參考提供
了相關資訊以允許 DSP 補償整個擷取頻寬的振幅
相位和延遲變化
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 12
數位訊號處理 (DSP) 概念
本節包含Tektronix RSA典型主要擷取和分析模組的多
個結構圖具體實現方案視機型及特定量測功能而有所
不同為討論清楚起見其中省略了部分協助工具
即時頻譜分析儀中的數位訊號處理路徑
Tektronix RSA結合使用類比訊號處理和數位訊號處理 (DSP) 技術將射頻訊號轉換成校準的時間相關多域量
測本節將介紹RSA訊號處理流程的數位元部分
圖2-2顯示了Tektronix RSA 系列中使用的主要數位訊
號處理模組來自射頻輸入的頻段會轉換成類比中頻訊
號然後進行通帶濾波和數位化然後對取樣的資料進
行校正校正訊號路徑的振幅平坦度相位線性度和其
他不完整性某些校正會即時進行其他校正則在訊號
處理路徑較遠的下行方向進行
數位降頻轉換和壓縮過程將AD取樣點轉換成同相 (I) 和正交 (Q) 基頻訊號串流如下一頁中的圖2-3 所示所需訊號的這個IQ表示方式是所有RSA表示訊號的
基本形式然後使用DSP執行所有進一步的訊號調節
和量測RSA同時使用即時DSP和批次處理模式DSP
圖 2-2 即時頻譜分析儀數位訊號處理方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 13
中頻數位化器
Tektronix RSA一般會數位化以中頻 (IF) 為中心的一
個頻段這個頻段是可以進行即時分析的最寬的頻率範
圍在高中頻上進行數位轉換而不是在直流或基頻上
進行數位轉換具有多種訊號處理優勢 (雜散效能直
流抑制動態範圍等)選擇的取樣速率應使所需的中
頻頻寬落在Nyquist區域內如圖2-5所示取樣速率必
須至少是中頻頻寬的兩倍如果整個頻寬落在0 與121 122 32 的取樣頻率之間則可以實現取樣
而沒有人工訊號中頻濾波器的實際實現方式要求典型
的取樣速率至少是中頻頻寬的25倍
校正
RSA振幅平坦度相位線性和位準準確度等規格遠遠超
過構成訊號路徑類比射頻和中頻訊號調節部分的分量
的效能Tektronix RSA結合使用原廠校準和內部自行
調整補償訊號路徑中的類比分量變化 (溫度容限
老化等等)
原廠校驗
RSA 在輸入頻率範圍內的頻率響應在出廠時量測擷
取頻寬中心的射頻行為在某個溫度範圍內是可以預
測且在儀器老化時變化不大在原廠量測後射頻響
應儲存在校正表中校正表存放在非揮發性記憶體中
內部校準
擷取頻寬中的響應受到構成IF處理路徑的混頻器濾波
器和放大器組成的影響這些組件在RSA擷取的寬頻寬
上可能會有細顆粒的振幅和相位漣波內部對準過程量
測相對於中心頻率偏移的振幅和相位響應對準在使用
儀器的時間和地點完成可以手動觸發或相對於溫度觸
發此響應會儲存在記憶體中
校正程式
RSA校正程式將原廠中量測的射頻響應與內部對準過
程中量測的中頻響應結合在一起為一套校正濾波器產
生FIR係數補償輸入連接器和ADC之間整個路徑的振
幅平坦度和相位回應這些校正濾波器在即時數位硬體
中實現或在以軟體為基礎的DSP中實現具體視RSA機型而定並應用至數位化IQ串流中
數位降頻轉換器 (DDC)
表示通帶訊號常用且計算效率高的方式是使用波形的
複數基頻表示方式
RSA 使用Cartesian複數形式將時間取樣的資料表示
為訊號的I (同相) 和Q (正交) 基頻分量這使用數位降
頻轉換器 (DDC) 實現如圖2-3所示
圖 2-3 即時頻譜分析儀中的中頻對 IQ 轉換
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 14
一般而言DDC包含一個數位振盪器數位振盪器在感
興趣的中心頻段上產生正弦和餘弦正弦和餘弦以數字
方式乘以數位元化中頻產生I和Q基頻取樣點串流其
中包含原始中頻中包含的所有資訊DDC不僅用來將數
位化中頻訊號轉換成基頻訊號還用來在RSA中實現頻
率微調
IQ 基頻訊號
圖2-4顯示了獲得頻段並使用正交降頻轉換將其轉換
到基頻中的過程在15倍取樣頻率和取樣頻率之間的
空間中包含著原始中頻訊號取樣在零和15倍取樣頻
率之間產生這個訊號的圖像然後訊號乘以關心的傳輸
頻帶中心的相干正弦和餘弦訊號產生I和Q基頻訊號
基頻訊號是實數值在原點兩邊對稱正負頻率中包含
著同樣的資訊原始傳輸頻帶中包含的所有調變也包含
在這兩個訊號中每個訊號要求的最低取樣頻率現在是
原始頻率的一半然後可以兩兩壓縮
圖 2-4 通帶資訊會維持在 I 和 Q 內即使是採用一半的取樣率
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 2
目錄
第 1 章介紹和概述3 射頻訊號的演變3 現代射頻量測挑戰 4 儀器架構概述 5 掃頻頻譜分析儀 5 向量訊號分析儀 7 即時頻譜分析儀 7
第 2 章即時頻譜分析儀如何運作 9 射頻中頻訊號調節 9 輸入切換和發送區段10 射頻和微波區段 10 頻率轉換IF 區段 11
數位訊號處理 (DSP) 概念12 即時頻譜分析儀中的數位訊號處理路徑12 中頻數位化器13 校正 13 數位降頻轉換器 (DDC)13 IQ 基頻訊號 14 抽取 15 抽取濾波 15
將時域波形轉換為頻域波形16 即時頻譜分析17 RSA306 和即時分析 17 將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯 18 即時頻譜分析儀上的 RBW 18 視窗化19 即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT) 20
數位濾波 22 有限脈衝響應 (FIR) 濾波器 22 頻率響應與脈衝響應22 數值迴旋 23
DPX 技術用於訊號探索的革命性工具 25 數位螢光顯示器 26 DPX 顯示引擎27 DPX 轉換引擎29
時序和觸發 30 即時觸發和擷取 31 系統中的觸發與數位擷取32 觸發模式和功能 32 即時頻譜分析儀觸發源 33 構建頻率遮罩34
調變分析35 振幅頻率和相位調變 35 數位調變 36 功率量測及統計 37
第 3 章時域和頻域量測間的相關性38 頻譜圖 38 掃頻 FFT 分析 40 擷取和分析的時間控制 41 時域量測42 脈衝量測42
第 4 章即時頻譜分析儀應用 43 即時分析儀實驗室到現場43 資料通訊WLAN44 資料通訊WPAN 46 語音和資料通訊蜂巢式無線電 48 無線電通訊 48 視訊應用50 頻譜管理和幹擾搜尋51 裝置測試51 雷達 51
第 5 章術語 52 詞彙表 52 縮寫參考53
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 3
第 1 章介紹和概述
射頻訊號的演變
早在1960年代James Clerk Maxwell利用數學運算
預測出存在著能夠透過空白空間傳輸能量的電磁波此
後工程師和科學家一直在尋求創新方法利用射頻技
術在Heinrich Hertz 在1886年實際展示了「無線電波」
之後Nikola TeslaGugliemo Marconi等人開創了利
用這些波實現長途通訊的方式一個世紀以後無線電
已經成為射頻訊號第一個實際應用過去三十年中已經
啟動了多個研究專案考察訊號發送和接收方法偵測
和定位遠距離內的目標到第二次世界大戰開始時無
線電偵測和測距 (也稱為雷達) 已經成為又一個盛行的
射頻應用
在很大程度上由於軍事和通訊領域持續增長射頻技
術創新在20世紀其餘時間內都一直穩定加速增長直到
今天這種增長仍在繼續為防止幹擾避免偵測及改善
容量現代雷達系統和商用通訊網路已變得非常複雜
這兩種系統一般都採用全面組合的射頻技術如複雜的
自適應調變脈衝和跳頻設計這些進階的射頻裝置
並將其成功地整合至工作系統中是非常複雜的任務
同時越來越廣泛的蜂巢式技術和無線資料網路的成
功導致了基本射頻元件的成本大振幅下降這使得傳
統軍事和通訊領域之外的製造商能夠將相對簡單的射
頻裝置嵌入到各類商用產品中射頻發射器已經深入生
活幾乎在任何想得到的位置都可以發現其身影如家
中的消費電子醫院中的醫療器械工廠中的工控系
統甚至是植入家畜寵物和人體皮膚下的追蹤設備
隨著射頻訊號在現代世界中變得無所不在產生射頻訊
號的裝置之間的幹擾問題也隨之增長在需要牌照的頻
譜中工作的行動電話等產品在設計時必須不會將射頻
能量發送到相鄰頻率通道中對在不同傳輸模式之間切
換保持到不同網路元件的同步鏈路的複雜多標準設備
而言這一點尤其具有挑戰性在沒有牌照的頻段中工
作的比較簡單的裝置也必須設計成在存在幹擾訊號時
能夠正確運行政府法規通常規定這些裝置只允許以
低功率在短脈衝中傳輸訊號這些新的數位元射頻技術
需要結合使用電腦和射頻包括WLAN手機數位電
視RFID等等這些技術與軟體定義的無線電 (SDR) 和認知無線電 (CR) 最新技術相結合提供了新的發展
道路將從根本上改變頻譜分析方法提高最稀有的商
品之一「射頻頻譜」的利用效率
為克服這些不斷演變的挑戰當前工程師和科學家能夠
可靠地偵測和檢定隨時間變化的射頻訊號非常關鍵而
使用傳統量測工具並不能簡便地實現這一點為解決這
些問題Tektronix研製了即時頻譜分析儀 (RSA)這
種儀器可以發現射頻訊號中的難檢效應觸發這些效
應將其無縫擷取至記憶體並在頻域時域調變域
統計域和碼域中分析這些效應
本文介紹了RSA的運作方式並提供如何使用RSA來解
決與現代射頻訊號有關的許多量測問題基本瞭解
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 4
現代射頻量測挑戰
鑑於分析當今射頻裝置行為特性所面臨的挑戰使用者
必須瞭解頻率振幅和調變參數在長短時間間隔內是
如何表現如掃頻頻譜分析儀 (SA) 和向量訊號分析儀 (VSA) 等傳統工具提供了訊號在頻域或調變域中的快
照但此資訊往往不足以放心地形容現代射頻訊號的動
態性質
考慮下列具有挑戰性的量測任務 探索罕見短暫的事件 查看被較強訊號遮罩的較弱訊號 觀察被雜訊遮罩的訊號 查找和分析暫態和動態訊號
擷取脈衝傳輸突波切換暫態 分析特性 PLL 安時序間頻率漂移微音效應 擷取展頻和跳頻訊號 監測頻譜使用情況偵測惡意傳輸 測試和診斷暫態 EMI 效應 分析時變調變方案的特性 隔離軟體和硬體的相互作用
通常每個量測所包含的射頻訊號皆無法如預期地隨時
間改變為了有效地分析這些訊號工程師需要一些工
具來探索難以捉摸的事件有效地觸發這些事件並將
其隔離至記憶體使得訊號行為可以進行分析
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 5
儀器架構概述
若要瞭解 RTSA 如何運作並瞭解其所提供的量測
值請先檢查其他兩個類型傳統射頻訊號分析儀掃頻
頻譜分析儀 (SA) 和向量訊號分析儀 (VSA)
掃頻頻譜分析儀
掃頻超外差式頻譜分析儀是幾十年前第一次使得工程
師能夠進行頻域量測的傳統架構頻譜分析儀最初是使
用純類比裝置構建的之後與所應對的應用一起不斷演
變現今一代頻譜分析儀包括各種數位元件如 ADCDSP 和微處理器但是基本掃描方法仍大體相同
最適合觀察受控的靜態訊號掃頻式頻譜分析儀透過降
頻器所輸入的射頻訊號在解析度頻寬 (RBW) 濾波器
的通帶範圍內掃描來量測功率隨頻率的變化RBW 濾波器後面有一個偵測器偵測器計算選定頻距中每個
頻率點上的振幅儘管這種方法可以提供高動態範圍
但它的缺點是每一次只能計算一個頻率點的振幅資
料這種方法基於的假設是分析儀在完成至少一次掃
描的時間內待測訊號在此其間沒有明顯的變化結
果量測只對相對穩定不變的輸入訊號有效如果訊號
快速變化那麼在統計概率上說部分變化極可能會被
遺漏如圖 1-1 所示當瞬間頻譜事件發生在 Fb 段時
SA 正在查看 Fa 頻率段 (左圖)在掃頻到達 Fb 段之
前事件已經消失且未偵測到 (右圖)SA 架構並未
提供能探索這種暫態訊號存在的可靠方法進而導致在
疑難排解許多現代射頻訊號時會耗費時間和精力除了
會遺失瞬間的訊號脈衝訊號 (如在現代通訊和雷達中
所使用) 頻譜可能也無法如實呈現SA 架構無法表現
不具重複掃頻的脈衝的佔用頻譜使用者亦需要特別注
意掃頻速率和解析度頻寬
圖 1-1 掃頻頻譜分析儀涵跨一系列頻段的掃頻分析儀調整通常會錯過發生於目前掃頻外的重要暫態事件 (右側棕色頻段
Fb 中強調顯示)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 6
圖 1-2 abc 簡化掃頻頻譜分析儀 (a) 向量訊號分析儀 (b) 和即時頻譜分析儀 (c) 方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 7
圖 1-2a 說明瞭典型的現代掃頻分析儀結構儘管現代
掃頻分析儀已經用數位訊號處理 (DSP) 取代了類比功
能但基礎結構和限制保持不變
向量訊號分析儀
分析傳送訊號的數位調變要求進行向量量測以同時提
供振幅資訊和相位資訊圖1-2b是簡化的VSA方框圖
VSA 數位化儀器傳輸頻帶內部的所有射頻功率將數
位化的波形放入記憶體記憶體中的波形同時包含振幅
資訊和相位資訊DSP可以使用這些資訊進行解調量
測或顯示處理在VSA內部ADC數位化寬頻IF訊號
降頻轉換濾波和偵測以數位元方式完成從時域到頻
域的變換使用FFT演算法完成VSA量測調變參數如
FM偏差碼域功率和誤差向量振幅 (EVM和星座圖)還提供其他顯示畫面如通道功率功率隨時間變化和
頻譜圖
儘管VSA增加了在記憶體中儲存波形的功能但其分析
暫態事件的能力有限在典型的VSA 自由運行模式
下擷取的訊號必須儲存在記憶體中然後才能進行處
理使用者看不見這種批次處理的串列特點意味著儀器
對擷取之間發生的事件無法可靠地發現單次事件或偶
發事件使用者可以使用偶發事件觸發功能在記憶體
中隔離這些事件遺憾的是VSA的觸發功能有限外
部觸發要求事先瞭解有問題的事件這可能是不現實
的IF 位準觸發要求總IF功率必須出現可度量的變
化而在存在大的訊號或訊號頻率變化但振幅不變
時則不能隔離微弱的訊號而在當前的動態射頻環境
中經常會發生這兩種情況
即時頻譜分析儀
「即時」一詞源於早期的實體系統數位模擬工作如果
其工作速度與被模擬的實際系統一致數位系統模擬即
是即時工作
即時分析訊號意味著必須以足夠快的速度執行分析操
作以準確地處理感興趣的頻段中的所有訊號分量此
定義表明我們必須 以足夠快的速度對輸入訊號取樣以滿足Nyquist標準這意味著取樣頻率必須超過感興趣頻寬的兩倍
連續地足夠快地執行所有計算以便分析輸出跟上輸
入訊號的變化
探索觸發擷取分析
即時頻譜分析儀 (RSA) 旨在解決與上一節仲介紹的暫
態動態射頻訊號有關的量測挑戰RSA使用即時數位訊
號處理 (DSP) 執行訊號分析DSP在記憶體儲存之前
完成而VSA結構則通常採用擷取後處理即時處理允
許使用者發現其他結構看不到的事件並觸發這些事
件可以選擇性將事件擷取至記憶體然後可以使用批
次處理在多個域中全面分析記憶體內的資料另外還可
以使用即時DSP引擎執行訊號調節校準和某些類型
的分析
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 8
RSA 的核心是即時處理模組如圖 1-2c 所示 (第 6頁)與 VSA 類似寬擷取頻寬已進行數位化處理與
VSA 不同的是即時引擎工作速度足夠快可以處理
每個取樣點而不會有空白如圖 1-3 所示可以連續
應用振幅和相位校正補償模擬中頻和射頻回應不僅
可以全面校正記憶體中儲存的資料還可以執行所有後
續即時處理在校正的數據上操作即時引擎支援下述
功能滿足了現代射頻分析的需求 即時校正改善類比訊號路徑中的不完整性 DPXreg即時射頻顯示可以探索掃頻分析儀和VSA遺漏的事件
訊號發生的持續性確定的DPX DensityTM量測和觸發 進階時間判定觸發如矮波脈衝觸發通常在高效能
示波器中提供
頻域觸發支援頻率遮罩觸發 (FMT) 觸發使用者指定頻寬支援濾波功率觸發 即時解調變可讓使用者「監聽」繁忙頻段中的特定
訊號 數位化資料的數位IQ串流允許不間斷地輸出訊號
進行外部儲存和處理
即時引擎不僅可以發現和觸發訊號還可以執行許多重
複的訊號處理任務釋放以軟體為基礎的寶貴資源與
VSA一樣RSA可以使用DSP進行擷取後分析使用者
可以在時間相關的多個域中執行量測並可以同時顯示
這些量測
圖 1-3 VSA 處理 vs 即時頻譜分析儀即時引擎處理比較
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 9
第 2 章即時頻譜分析儀如何運作
本章提供了Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 的多個
主要擷取結構圖和分析方框圖為便於討論其中省去
了部分輔助功能
現代即時頻譜分析儀可以擷取分析儀輸入頻率範圍內
任何地方的傳輸頻帶或頻寬此功能的核心是射頻降頻
轉換器後接有一個寬頻中頻 (IF) 段ADC數位化IF訊號系統以數位元方式執行所有進一步的步驟DSP演算法執行所有訊號調節和分析功能
使用者可透過數個關鍵特點來區分即時結構是否成功 射頻訊號調節提供寬頻寬中頻路徑和高動態範圍 使用帶通濾波器而不是YIG預選濾波器在每種產
品的整個輸入頻率上同時實現無像頻幹擾頻率轉換
和寬頻量測 ADC系統能夠數位化整個即時頻寬並具有足夠的完
整性支援所需的量測
即時數位訊號處理 (DSP) 引擎啟用無間隙處理 足夠的擷取記憶體和DSP能力在所需的時間量測週
期上執行連續即時擷取 整合式訊號分析系統對待測訊號提供多個分析視
圖並在時間上相關
射頻中頻訊號調節
圖2-1是簡化的RSA RFIF方框圖帶有RSA頻率範圍
內任何頻率內容的訊號都會應用到輸入連接器上一旦
訊號進入儀器將會根據使用者選擇的分析需求發送和
調節並套用可變衰減和增益調諧使用多階段頻率轉
換及組合使用可調諧本振和固定本振 (LO) 實現模擬
濾波在各種中頻頻率上完成最後的中頻使用AD轉換
器進行數位化所有進一步處理都使用DSP技術執行
某些RSA機型可以選配基頻模式其中直接數位元化輸
入訊號而無需進行任何頻率轉換基頻訊號使用的
DSP採用的方法與射頻訊號採用的方法類似
圖 2-1 即時頻譜分析儀射頻中頻方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 10
輸入切換和發送區段
輸入切換和發送段將輸入波形分發到儀器內部的各種
訊號路徑某些RSA機型包括一條單獨的DC耦合基頻
路徑在分析低頻訊號及DC耦合IQ基頻路徑時提高了
動態範圍和準確度RSA還包括內部調整源這些調整
來源產生的訊號具有為RSA專門訂制的屬性 (PRBS校準的正弦曲線調變參考等等)這些訊號用於自行
調整程式校正系統參數溫度變化如 增益 整個擷取頻寬的振幅平坦性 整個擷取頻寬的相位線性 時間調整 觸發延遲校驗
自行調整流程與採用外部設備在原廠或服務中心進行
的校驗相結合構成了RSA所有關鍵量測規格的核心
射頻和微波區段
射頻微波段包含寬頻電路可調節輸入訊號以便其
擁有適當的位準和頻率分量達到最佳的下行串流處
理
步進衰減器
步進衰減器是由電阻衰減器連接盤和RFmicroW開關組成
的裝置用來降低寬頻訊號位準降低振幅是程式設計
確定的數量
步進衰減器執行兩個功能 1 將輸入上的RF和微波訊號位準降低到最佳的處理位
準步進衰減器還可以防止因吸收過多射頻功率導
致非常高的訊號而破壞輸入 2 在儀器的整個頻率範圍中提供了寬頻阻抗匹配這種
阻抗匹配對保持射頻訊號量測準確度至關重要為
此大多數儀器規格適用於10 dB以上的輸入衰減條
件
RSA使用的步進衰減器因設計機型而有所不同通常可
以進行程式設計以5 dB 或10 dB步進衰減0 dB至
50dB 以上
圖像抑制濾波器
RSA 提供了無圖像的頻率轉換功能可以從輸入上的
射頻和微波訊號轉換到最終中頻使用者可將各種濾波
器放在第一個混頻器前面而完成此步驟各種RSA機型
使用多階段混頻方案採用寬頻濾波器允許對整個擷
取頻寬進行無圖像轉換實現可重複的指定的振幅平坦
度和相位線性度
前置放大器
某些RSA機型包括可以選擇的前置放大器選項在訊號
路徑中的圖像抑制濾波器前增加增益這種選項改善了
RSA的雜訊係數用來分析非常弱的訊號當然在輸
入上增加增益限制了可分析的最大訊號將這個放大器
切換出訊號路徑會將分析儀的範圍恢複到正常範圍
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 11
頻率轉換中頻區段
所有 RTSA 機型均能分析集中在分析儀頻率範圍任何
位置的廣泛頻率頻帶此步驟可經由將感興趣的頻帶轉
換至固定的中頻 (進行濾波放大和縮放的位置) 來完
成此中頻訊號接著會進行數位化處理然後使用即時
和批次處理在感興趣的訊號上執行多域分析
多階段頻率轉換
頻率轉換區段的目標是將所需的頻率頻帶中的訊號忠
實地轉換為適合進行類比至數位轉換的中頻在多個轉
換超外差架構中選擇本地振盪器 (LO) 的頻率即可完
成調整如圖 2-1 所示 (第 9 頁)每個頻率轉換階段均
包含混波器 (類比倍頻器)接著是 IF 濾波和放大中
頻頻率的選擇濾波器的波形形狀增益和位準將會視
RTSA 機型而有所不同且在每個機型中皆會以儀器設
定函數進行變更以最佳化不同領域中的效能如下列 由於混波器和濾波器不完整性所產生的寄生訊號響
應 動態範圍 (可同時觀看且無誤差的最小和最大訊號) 整個即時頻寬的振幅平坦性 整個即時頻寬的相位線性 訊號與觸發路徑之間的延遲匹配
內部調整來源
在 RTSA 中針對一些在前述清單中提到的特性所取得
的效能遠遠超過實際使用類比分量的效能濾波器響
應延遲和增益會隨著溫度變化並且可能會隨著個別
儀器而有所不同RTSA 效能是由實際量測增益濾波
器的波形形狀和延遲並利用 DSP 來補償量測效能所
取得寬帶射頻分量的頻率響應和增益變化是採用已校
準的設備在原廠進行量測可溯源至國家計量機構 (如NISTNPL 和 PTB)此設備也可用於校準內部調整來
源反過來提供針對在 RTSA 所使用的時間和地點的訊
號路徑條件而調整的訊號RTSA 採用兩種內部訊號 高度準確溫度穩定的正弦訊號會用於設定基準頻率
的訊號路徑增益通常為 100 MHz此訊號是內部射
頻位準參考設定了在擷取頻寬中心的量測射頻功率
準確度 校準後的寬頻訊號會用於量測整個即時擷取頻寬的
振幅和相位響應此訊號是內部通道響應參考提供
了相關資訊以允許 DSP 補償整個擷取頻寬的振幅
相位和延遲變化
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 12
數位訊號處理 (DSP) 概念
本節包含Tektronix RSA典型主要擷取和分析模組的多
個結構圖具體實現方案視機型及特定量測功能而有所
不同為討論清楚起見其中省略了部分協助工具
即時頻譜分析儀中的數位訊號處理路徑
Tektronix RSA結合使用類比訊號處理和數位訊號處理 (DSP) 技術將射頻訊號轉換成校準的時間相關多域量
測本節將介紹RSA訊號處理流程的數位元部分
圖2-2顯示了Tektronix RSA 系列中使用的主要數位訊
號處理模組來自射頻輸入的頻段會轉換成類比中頻訊
號然後進行通帶濾波和數位化然後對取樣的資料進
行校正校正訊號路徑的振幅平坦度相位線性度和其
他不完整性某些校正會即時進行其他校正則在訊號
處理路徑較遠的下行方向進行
數位降頻轉換和壓縮過程將AD取樣點轉換成同相 (I) 和正交 (Q) 基頻訊號串流如下一頁中的圖2-3 所示所需訊號的這個IQ表示方式是所有RSA表示訊號的
基本形式然後使用DSP執行所有進一步的訊號調節
和量測RSA同時使用即時DSP和批次處理模式DSP
圖 2-2 即時頻譜分析儀數位訊號處理方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 13
中頻數位化器
Tektronix RSA一般會數位化以中頻 (IF) 為中心的一
個頻段這個頻段是可以進行即時分析的最寬的頻率範
圍在高中頻上進行數位轉換而不是在直流或基頻上
進行數位轉換具有多種訊號處理優勢 (雜散效能直
流抑制動態範圍等)選擇的取樣速率應使所需的中
頻頻寬落在Nyquist區域內如圖2-5所示取樣速率必
須至少是中頻頻寬的兩倍如果整個頻寬落在0 與121 122 32 的取樣頻率之間則可以實現取樣
而沒有人工訊號中頻濾波器的實際實現方式要求典型
的取樣速率至少是中頻頻寬的25倍
校正
RSA振幅平坦度相位線性和位準準確度等規格遠遠超
過構成訊號路徑類比射頻和中頻訊號調節部分的分量
的效能Tektronix RSA結合使用原廠校準和內部自行
調整補償訊號路徑中的類比分量變化 (溫度容限
老化等等)
原廠校驗
RSA 在輸入頻率範圍內的頻率響應在出廠時量測擷
取頻寬中心的射頻行為在某個溫度範圍內是可以預
測且在儀器老化時變化不大在原廠量測後射頻響
應儲存在校正表中校正表存放在非揮發性記憶體中
內部校準
擷取頻寬中的響應受到構成IF處理路徑的混頻器濾波
器和放大器組成的影響這些組件在RSA擷取的寬頻寬
上可能會有細顆粒的振幅和相位漣波內部對準過程量
測相對於中心頻率偏移的振幅和相位響應對準在使用
儀器的時間和地點完成可以手動觸發或相對於溫度觸
發此響應會儲存在記憶體中
校正程式
RSA校正程式將原廠中量測的射頻響應與內部對準過
程中量測的中頻響應結合在一起為一套校正濾波器產
生FIR係數補償輸入連接器和ADC之間整個路徑的振
幅平坦度和相位回應這些校正濾波器在即時數位硬體
中實現或在以軟體為基礎的DSP中實現具體視RSA機型而定並應用至數位化IQ串流中
數位降頻轉換器 (DDC)
表示通帶訊號常用且計算效率高的方式是使用波形的
複數基頻表示方式
RSA 使用Cartesian複數形式將時間取樣的資料表示
為訊號的I (同相) 和Q (正交) 基頻分量這使用數位降
頻轉換器 (DDC) 實現如圖2-3所示
圖 2-3 即時頻譜分析儀中的中頻對 IQ 轉換
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 14
一般而言DDC包含一個數位振盪器數位振盪器在感
興趣的中心頻段上產生正弦和餘弦正弦和餘弦以數字
方式乘以數位元化中頻產生I和Q基頻取樣點串流其
中包含原始中頻中包含的所有資訊DDC不僅用來將數
位化中頻訊號轉換成基頻訊號還用來在RSA中實現頻
率微調
IQ 基頻訊號
圖2-4顯示了獲得頻段並使用正交降頻轉換將其轉換
到基頻中的過程在15倍取樣頻率和取樣頻率之間的
空間中包含著原始中頻訊號取樣在零和15倍取樣頻
率之間產生這個訊號的圖像然後訊號乘以關心的傳輸
頻帶中心的相干正弦和餘弦訊號產生I和Q基頻訊號
基頻訊號是實數值在原點兩邊對稱正負頻率中包含
著同樣的資訊原始傳輸頻帶中包含的所有調變也包含
在這兩個訊號中每個訊號要求的最低取樣頻率現在是
原始頻率的一半然後可以兩兩壓縮
圖 2-4 通帶資訊會維持在 I 和 Q 內即使是採用一半的取樣率
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 3
第 1 章介紹和概述
射頻訊號的演變
早在1960年代James Clerk Maxwell利用數學運算
預測出存在著能夠透過空白空間傳輸能量的電磁波此
後工程師和科學家一直在尋求創新方法利用射頻技
術在Heinrich Hertz 在1886年實際展示了「無線電波」
之後Nikola TeslaGugliemo Marconi等人開創了利
用這些波實現長途通訊的方式一個世紀以後無線電
已經成為射頻訊號第一個實際應用過去三十年中已經
啟動了多個研究專案考察訊號發送和接收方法偵測
和定位遠距離內的目標到第二次世界大戰開始時無
線電偵測和測距 (也稱為雷達) 已經成為又一個盛行的
射頻應用
在很大程度上由於軍事和通訊領域持續增長射頻技
術創新在20世紀其餘時間內都一直穩定加速增長直到
今天這種增長仍在繼續為防止幹擾避免偵測及改善
容量現代雷達系統和商用通訊網路已變得非常複雜
這兩種系統一般都採用全面組合的射頻技術如複雜的
自適應調變脈衝和跳頻設計這些進階的射頻裝置
並將其成功地整合至工作系統中是非常複雜的任務
同時越來越廣泛的蜂巢式技術和無線資料網路的成
功導致了基本射頻元件的成本大振幅下降這使得傳
統軍事和通訊領域之外的製造商能夠將相對簡單的射
頻裝置嵌入到各類商用產品中射頻發射器已經深入生
活幾乎在任何想得到的位置都可以發現其身影如家
中的消費電子醫院中的醫療器械工廠中的工控系
統甚至是植入家畜寵物和人體皮膚下的追蹤設備
隨著射頻訊號在現代世界中變得無所不在產生射頻訊
號的裝置之間的幹擾問題也隨之增長在需要牌照的頻
譜中工作的行動電話等產品在設計時必須不會將射頻
能量發送到相鄰頻率通道中對在不同傳輸模式之間切
換保持到不同網路元件的同步鏈路的複雜多標準設備
而言這一點尤其具有挑戰性在沒有牌照的頻段中工
作的比較簡單的裝置也必須設計成在存在幹擾訊號時
能夠正確運行政府法規通常規定這些裝置只允許以
低功率在短脈衝中傳輸訊號這些新的數位元射頻技術
需要結合使用電腦和射頻包括WLAN手機數位電
視RFID等等這些技術與軟體定義的無線電 (SDR) 和認知無線電 (CR) 最新技術相結合提供了新的發展
道路將從根本上改變頻譜分析方法提高最稀有的商
品之一「射頻頻譜」的利用效率
為克服這些不斷演變的挑戰當前工程師和科學家能夠
可靠地偵測和檢定隨時間變化的射頻訊號非常關鍵而
使用傳統量測工具並不能簡便地實現這一點為解決這
些問題Tektronix研製了即時頻譜分析儀 (RSA)這
種儀器可以發現射頻訊號中的難檢效應觸發這些效
應將其無縫擷取至記憶體並在頻域時域調變域
統計域和碼域中分析這些效應
本文介紹了RSA的運作方式並提供如何使用RSA來解
決與現代射頻訊號有關的許多量測問題基本瞭解
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 4
現代射頻量測挑戰
鑑於分析當今射頻裝置行為特性所面臨的挑戰使用者
必須瞭解頻率振幅和調變參數在長短時間間隔內是
如何表現如掃頻頻譜分析儀 (SA) 和向量訊號分析儀 (VSA) 等傳統工具提供了訊號在頻域或調變域中的快
照但此資訊往往不足以放心地形容現代射頻訊號的動
態性質
考慮下列具有挑戰性的量測任務 探索罕見短暫的事件 查看被較強訊號遮罩的較弱訊號 觀察被雜訊遮罩的訊號 查找和分析暫態和動態訊號
擷取脈衝傳輸突波切換暫態 分析特性 PLL 安時序間頻率漂移微音效應 擷取展頻和跳頻訊號 監測頻譜使用情況偵測惡意傳輸 測試和診斷暫態 EMI 效應 分析時變調變方案的特性 隔離軟體和硬體的相互作用
通常每個量測所包含的射頻訊號皆無法如預期地隨時
間改變為了有效地分析這些訊號工程師需要一些工
具來探索難以捉摸的事件有效地觸發這些事件並將
其隔離至記憶體使得訊號行為可以進行分析
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 5
儀器架構概述
若要瞭解 RTSA 如何運作並瞭解其所提供的量測
值請先檢查其他兩個類型傳統射頻訊號分析儀掃頻
頻譜分析儀 (SA) 和向量訊號分析儀 (VSA)
掃頻頻譜分析儀
掃頻超外差式頻譜分析儀是幾十年前第一次使得工程
師能夠進行頻域量測的傳統架構頻譜分析儀最初是使
用純類比裝置構建的之後與所應對的應用一起不斷演
變現今一代頻譜分析儀包括各種數位元件如 ADCDSP 和微處理器但是基本掃描方法仍大體相同
最適合觀察受控的靜態訊號掃頻式頻譜分析儀透過降
頻器所輸入的射頻訊號在解析度頻寬 (RBW) 濾波器
的通帶範圍內掃描來量測功率隨頻率的變化RBW 濾波器後面有一個偵測器偵測器計算選定頻距中每個
頻率點上的振幅儘管這種方法可以提供高動態範圍
但它的缺點是每一次只能計算一個頻率點的振幅資
料這種方法基於的假設是分析儀在完成至少一次掃
描的時間內待測訊號在此其間沒有明顯的變化結
果量測只對相對穩定不變的輸入訊號有效如果訊號
快速變化那麼在統計概率上說部分變化極可能會被
遺漏如圖 1-1 所示當瞬間頻譜事件發生在 Fb 段時
SA 正在查看 Fa 頻率段 (左圖)在掃頻到達 Fb 段之
前事件已經消失且未偵測到 (右圖)SA 架構並未
提供能探索這種暫態訊號存在的可靠方法進而導致在
疑難排解許多現代射頻訊號時會耗費時間和精力除了
會遺失瞬間的訊號脈衝訊號 (如在現代通訊和雷達中
所使用) 頻譜可能也無法如實呈現SA 架構無法表現
不具重複掃頻的脈衝的佔用頻譜使用者亦需要特別注
意掃頻速率和解析度頻寬
圖 1-1 掃頻頻譜分析儀涵跨一系列頻段的掃頻分析儀調整通常會錯過發生於目前掃頻外的重要暫態事件 (右側棕色頻段
Fb 中強調顯示)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 6
圖 1-2 abc 簡化掃頻頻譜分析儀 (a) 向量訊號分析儀 (b) 和即時頻譜分析儀 (c) 方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 7
圖 1-2a 說明瞭典型的現代掃頻分析儀結構儘管現代
掃頻分析儀已經用數位訊號處理 (DSP) 取代了類比功
能但基礎結構和限制保持不變
向量訊號分析儀
分析傳送訊號的數位調變要求進行向量量測以同時提
供振幅資訊和相位資訊圖1-2b是簡化的VSA方框圖
VSA 數位化儀器傳輸頻帶內部的所有射頻功率將數
位化的波形放入記憶體記憶體中的波形同時包含振幅
資訊和相位資訊DSP可以使用這些資訊進行解調量
測或顯示處理在VSA內部ADC數位化寬頻IF訊號
降頻轉換濾波和偵測以數位元方式完成從時域到頻
域的變換使用FFT演算法完成VSA量測調變參數如
FM偏差碼域功率和誤差向量振幅 (EVM和星座圖)還提供其他顯示畫面如通道功率功率隨時間變化和
頻譜圖
儘管VSA增加了在記憶體中儲存波形的功能但其分析
暫態事件的能力有限在典型的VSA 自由運行模式
下擷取的訊號必須儲存在記憶體中然後才能進行處
理使用者看不見這種批次處理的串列特點意味著儀器
對擷取之間發生的事件無法可靠地發現單次事件或偶
發事件使用者可以使用偶發事件觸發功能在記憶體
中隔離這些事件遺憾的是VSA的觸發功能有限外
部觸發要求事先瞭解有問題的事件這可能是不現實
的IF 位準觸發要求總IF功率必須出現可度量的變
化而在存在大的訊號或訊號頻率變化但振幅不變
時則不能隔離微弱的訊號而在當前的動態射頻環境
中經常會發生這兩種情況
即時頻譜分析儀
「即時」一詞源於早期的實體系統數位模擬工作如果
其工作速度與被模擬的實際系統一致數位系統模擬即
是即時工作
即時分析訊號意味著必須以足夠快的速度執行分析操
作以準確地處理感興趣的頻段中的所有訊號分量此
定義表明我們必須 以足夠快的速度對輸入訊號取樣以滿足Nyquist標準這意味著取樣頻率必須超過感興趣頻寬的兩倍
連續地足夠快地執行所有計算以便分析輸出跟上輸
入訊號的變化
探索觸發擷取分析
即時頻譜分析儀 (RSA) 旨在解決與上一節仲介紹的暫
態動態射頻訊號有關的量測挑戰RSA使用即時數位訊
號處理 (DSP) 執行訊號分析DSP在記憶體儲存之前
完成而VSA結構則通常採用擷取後處理即時處理允
許使用者發現其他結構看不到的事件並觸發這些事
件可以選擇性將事件擷取至記憶體然後可以使用批
次處理在多個域中全面分析記憶體內的資料另外還可
以使用即時DSP引擎執行訊號調節校準和某些類型
的分析
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 8
RSA 的核心是即時處理模組如圖 1-2c 所示 (第 6頁)與 VSA 類似寬擷取頻寬已進行數位化處理與
VSA 不同的是即時引擎工作速度足夠快可以處理
每個取樣點而不會有空白如圖 1-3 所示可以連續
應用振幅和相位校正補償模擬中頻和射頻回應不僅
可以全面校正記憶體中儲存的資料還可以執行所有後
續即時處理在校正的數據上操作即時引擎支援下述
功能滿足了現代射頻分析的需求 即時校正改善類比訊號路徑中的不完整性 DPXreg即時射頻顯示可以探索掃頻分析儀和VSA遺漏的事件
訊號發生的持續性確定的DPX DensityTM量測和觸發 進階時間判定觸發如矮波脈衝觸發通常在高效能
示波器中提供
頻域觸發支援頻率遮罩觸發 (FMT) 觸發使用者指定頻寬支援濾波功率觸發 即時解調變可讓使用者「監聽」繁忙頻段中的特定
訊號 數位化資料的數位IQ串流允許不間斷地輸出訊號
進行外部儲存和處理
即時引擎不僅可以發現和觸發訊號還可以執行許多重
複的訊號處理任務釋放以軟體為基礎的寶貴資源與
VSA一樣RSA可以使用DSP進行擷取後分析使用者
可以在時間相關的多個域中執行量測並可以同時顯示
這些量測
圖 1-3 VSA 處理 vs 即時頻譜分析儀即時引擎處理比較
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 9
第 2 章即時頻譜分析儀如何運作
本章提供了Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 的多個
主要擷取結構圖和分析方框圖為便於討論其中省去
了部分輔助功能
現代即時頻譜分析儀可以擷取分析儀輸入頻率範圍內
任何地方的傳輸頻帶或頻寬此功能的核心是射頻降頻
轉換器後接有一個寬頻中頻 (IF) 段ADC數位化IF訊號系統以數位元方式執行所有進一步的步驟DSP演算法執行所有訊號調節和分析功能
使用者可透過數個關鍵特點來區分即時結構是否成功 射頻訊號調節提供寬頻寬中頻路徑和高動態範圍 使用帶通濾波器而不是YIG預選濾波器在每種產
品的整個輸入頻率上同時實現無像頻幹擾頻率轉換
和寬頻量測 ADC系統能夠數位化整個即時頻寬並具有足夠的完
整性支援所需的量測
即時數位訊號處理 (DSP) 引擎啟用無間隙處理 足夠的擷取記憶體和DSP能力在所需的時間量測週
期上執行連續即時擷取 整合式訊號分析系統對待測訊號提供多個分析視
圖並在時間上相關
射頻中頻訊號調節
圖2-1是簡化的RSA RFIF方框圖帶有RSA頻率範圍
內任何頻率內容的訊號都會應用到輸入連接器上一旦
訊號進入儀器將會根據使用者選擇的分析需求發送和
調節並套用可變衰減和增益調諧使用多階段頻率轉
換及組合使用可調諧本振和固定本振 (LO) 實現模擬
濾波在各種中頻頻率上完成最後的中頻使用AD轉換
器進行數位化所有進一步處理都使用DSP技術執行
某些RSA機型可以選配基頻模式其中直接數位元化輸
入訊號而無需進行任何頻率轉換基頻訊號使用的
DSP採用的方法與射頻訊號採用的方法類似
圖 2-1 即時頻譜分析儀射頻中頻方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 10
輸入切換和發送區段
輸入切換和發送段將輸入波形分發到儀器內部的各種
訊號路徑某些RSA機型包括一條單獨的DC耦合基頻
路徑在分析低頻訊號及DC耦合IQ基頻路徑時提高了
動態範圍和準確度RSA還包括內部調整源這些調整
來源產生的訊號具有為RSA專門訂制的屬性 (PRBS校準的正弦曲線調變參考等等)這些訊號用於自行
調整程式校正系統參數溫度變化如 增益 整個擷取頻寬的振幅平坦性 整個擷取頻寬的相位線性 時間調整 觸發延遲校驗
自行調整流程與採用外部設備在原廠或服務中心進行
的校驗相結合構成了RSA所有關鍵量測規格的核心
射頻和微波區段
射頻微波段包含寬頻電路可調節輸入訊號以便其
擁有適當的位準和頻率分量達到最佳的下行串流處
理
步進衰減器
步進衰減器是由電阻衰減器連接盤和RFmicroW開關組成
的裝置用來降低寬頻訊號位準降低振幅是程式設計
確定的數量
步進衰減器執行兩個功能 1 將輸入上的RF和微波訊號位準降低到最佳的處理位
準步進衰減器還可以防止因吸收過多射頻功率導
致非常高的訊號而破壞輸入 2 在儀器的整個頻率範圍中提供了寬頻阻抗匹配這種
阻抗匹配對保持射頻訊號量測準確度至關重要為
此大多數儀器規格適用於10 dB以上的輸入衰減條
件
RSA使用的步進衰減器因設計機型而有所不同通常可
以進行程式設計以5 dB 或10 dB步進衰減0 dB至
50dB 以上
圖像抑制濾波器
RSA 提供了無圖像的頻率轉換功能可以從輸入上的
射頻和微波訊號轉換到最終中頻使用者可將各種濾波
器放在第一個混頻器前面而完成此步驟各種RSA機型
使用多階段混頻方案採用寬頻濾波器允許對整個擷
取頻寬進行無圖像轉換實現可重複的指定的振幅平坦
度和相位線性度
前置放大器
某些RSA機型包括可以選擇的前置放大器選項在訊號
路徑中的圖像抑制濾波器前增加增益這種選項改善了
RSA的雜訊係數用來分析非常弱的訊號當然在輸
入上增加增益限制了可分析的最大訊號將這個放大器
切換出訊號路徑會將分析儀的範圍恢複到正常範圍
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 11
頻率轉換中頻區段
所有 RTSA 機型均能分析集中在分析儀頻率範圍任何
位置的廣泛頻率頻帶此步驟可經由將感興趣的頻帶轉
換至固定的中頻 (進行濾波放大和縮放的位置) 來完
成此中頻訊號接著會進行數位化處理然後使用即時
和批次處理在感興趣的訊號上執行多域分析
多階段頻率轉換
頻率轉換區段的目標是將所需的頻率頻帶中的訊號忠
實地轉換為適合進行類比至數位轉換的中頻在多個轉
換超外差架構中選擇本地振盪器 (LO) 的頻率即可完
成調整如圖 2-1 所示 (第 9 頁)每個頻率轉換階段均
包含混波器 (類比倍頻器)接著是 IF 濾波和放大中
頻頻率的選擇濾波器的波形形狀增益和位準將會視
RTSA 機型而有所不同且在每個機型中皆會以儀器設
定函數進行變更以最佳化不同領域中的效能如下列 由於混波器和濾波器不完整性所產生的寄生訊號響
應 動態範圍 (可同時觀看且無誤差的最小和最大訊號) 整個即時頻寬的振幅平坦性 整個即時頻寬的相位線性 訊號與觸發路徑之間的延遲匹配
內部調整來源
在 RTSA 中針對一些在前述清單中提到的特性所取得
的效能遠遠超過實際使用類比分量的效能濾波器響
應延遲和增益會隨著溫度變化並且可能會隨著個別
儀器而有所不同RTSA 效能是由實際量測增益濾波
器的波形形狀和延遲並利用 DSP 來補償量測效能所
取得寬帶射頻分量的頻率響應和增益變化是採用已校
準的設備在原廠進行量測可溯源至國家計量機構 (如NISTNPL 和 PTB)此設備也可用於校準內部調整來
源反過來提供針對在 RTSA 所使用的時間和地點的訊
號路徑條件而調整的訊號RTSA 採用兩種內部訊號 高度準確溫度穩定的正弦訊號會用於設定基準頻率
的訊號路徑增益通常為 100 MHz此訊號是內部射
頻位準參考設定了在擷取頻寬中心的量測射頻功率
準確度 校準後的寬頻訊號會用於量測整個即時擷取頻寬的
振幅和相位響應此訊號是內部通道響應參考提供
了相關資訊以允許 DSP 補償整個擷取頻寬的振幅
相位和延遲變化
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 12
數位訊號處理 (DSP) 概念
本節包含Tektronix RSA典型主要擷取和分析模組的多
個結構圖具體實現方案視機型及特定量測功能而有所
不同為討論清楚起見其中省略了部分協助工具
即時頻譜分析儀中的數位訊號處理路徑
Tektronix RSA結合使用類比訊號處理和數位訊號處理 (DSP) 技術將射頻訊號轉換成校準的時間相關多域量
測本節將介紹RSA訊號處理流程的數位元部分
圖2-2顯示了Tektronix RSA 系列中使用的主要數位訊
號處理模組來自射頻輸入的頻段會轉換成類比中頻訊
號然後進行通帶濾波和數位化然後對取樣的資料進
行校正校正訊號路徑的振幅平坦度相位線性度和其
他不完整性某些校正會即時進行其他校正則在訊號
處理路徑較遠的下行方向進行
數位降頻轉換和壓縮過程將AD取樣點轉換成同相 (I) 和正交 (Q) 基頻訊號串流如下一頁中的圖2-3 所示所需訊號的這個IQ表示方式是所有RSA表示訊號的
基本形式然後使用DSP執行所有進一步的訊號調節
和量測RSA同時使用即時DSP和批次處理模式DSP
圖 2-2 即時頻譜分析儀數位訊號處理方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 13
中頻數位化器
Tektronix RSA一般會數位化以中頻 (IF) 為中心的一
個頻段這個頻段是可以進行即時分析的最寬的頻率範
圍在高中頻上進行數位轉換而不是在直流或基頻上
進行數位轉換具有多種訊號處理優勢 (雜散效能直
流抑制動態範圍等)選擇的取樣速率應使所需的中
頻頻寬落在Nyquist區域內如圖2-5所示取樣速率必
須至少是中頻頻寬的兩倍如果整個頻寬落在0 與121 122 32 的取樣頻率之間則可以實現取樣
而沒有人工訊號中頻濾波器的實際實現方式要求典型
的取樣速率至少是中頻頻寬的25倍
校正
RSA振幅平坦度相位線性和位準準確度等規格遠遠超
過構成訊號路徑類比射頻和中頻訊號調節部分的分量
的效能Tektronix RSA結合使用原廠校準和內部自行
調整補償訊號路徑中的類比分量變化 (溫度容限
老化等等)
原廠校驗
RSA 在輸入頻率範圍內的頻率響應在出廠時量測擷
取頻寬中心的射頻行為在某個溫度範圍內是可以預
測且在儀器老化時變化不大在原廠量測後射頻響
應儲存在校正表中校正表存放在非揮發性記憶體中
內部校準
擷取頻寬中的響應受到構成IF處理路徑的混頻器濾波
器和放大器組成的影響這些組件在RSA擷取的寬頻寬
上可能會有細顆粒的振幅和相位漣波內部對準過程量
測相對於中心頻率偏移的振幅和相位響應對準在使用
儀器的時間和地點完成可以手動觸發或相對於溫度觸
發此響應會儲存在記憶體中
校正程式
RSA校正程式將原廠中量測的射頻響應與內部對準過
程中量測的中頻響應結合在一起為一套校正濾波器產
生FIR係數補償輸入連接器和ADC之間整個路徑的振
幅平坦度和相位回應這些校正濾波器在即時數位硬體
中實現或在以軟體為基礎的DSP中實現具體視RSA機型而定並應用至數位化IQ串流中
數位降頻轉換器 (DDC)
表示通帶訊號常用且計算效率高的方式是使用波形的
複數基頻表示方式
RSA 使用Cartesian複數形式將時間取樣的資料表示
為訊號的I (同相) 和Q (正交) 基頻分量這使用數位降
頻轉換器 (DDC) 實現如圖2-3所示
圖 2-3 即時頻譜分析儀中的中頻對 IQ 轉換
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 14
一般而言DDC包含一個數位振盪器數位振盪器在感
興趣的中心頻段上產生正弦和餘弦正弦和餘弦以數字
方式乘以數位元化中頻產生I和Q基頻取樣點串流其
中包含原始中頻中包含的所有資訊DDC不僅用來將數
位化中頻訊號轉換成基頻訊號還用來在RSA中實現頻
率微調
IQ 基頻訊號
圖2-4顯示了獲得頻段並使用正交降頻轉換將其轉換
到基頻中的過程在15倍取樣頻率和取樣頻率之間的
空間中包含著原始中頻訊號取樣在零和15倍取樣頻
率之間產生這個訊號的圖像然後訊號乘以關心的傳輸
頻帶中心的相干正弦和餘弦訊號產生I和Q基頻訊號
基頻訊號是實數值在原點兩邊對稱正負頻率中包含
著同樣的資訊原始傳輸頻帶中包含的所有調變也包含
在這兩個訊號中每個訊號要求的最低取樣頻率現在是
原始頻率的一半然後可以兩兩壓縮
圖 2-4 通帶資訊會維持在 I 和 Q 內即使是採用一半的取樣率
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 4
現代射頻量測挑戰
鑑於分析當今射頻裝置行為特性所面臨的挑戰使用者
必須瞭解頻率振幅和調變參數在長短時間間隔內是
如何表現如掃頻頻譜分析儀 (SA) 和向量訊號分析儀 (VSA) 等傳統工具提供了訊號在頻域或調變域中的快
照但此資訊往往不足以放心地形容現代射頻訊號的動
態性質
考慮下列具有挑戰性的量測任務 探索罕見短暫的事件 查看被較強訊號遮罩的較弱訊號 觀察被雜訊遮罩的訊號 查找和分析暫態和動態訊號
擷取脈衝傳輸突波切換暫態 分析特性 PLL 安時序間頻率漂移微音效應 擷取展頻和跳頻訊號 監測頻譜使用情況偵測惡意傳輸 測試和診斷暫態 EMI 效應 分析時變調變方案的特性 隔離軟體和硬體的相互作用
通常每個量測所包含的射頻訊號皆無法如預期地隨時
間改變為了有效地分析這些訊號工程師需要一些工
具來探索難以捉摸的事件有效地觸發這些事件並將
其隔離至記憶體使得訊號行為可以進行分析
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 5
儀器架構概述
若要瞭解 RTSA 如何運作並瞭解其所提供的量測
值請先檢查其他兩個類型傳統射頻訊號分析儀掃頻
頻譜分析儀 (SA) 和向量訊號分析儀 (VSA)
掃頻頻譜分析儀
掃頻超外差式頻譜分析儀是幾十年前第一次使得工程
師能夠進行頻域量測的傳統架構頻譜分析儀最初是使
用純類比裝置構建的之後與所應對的應用一起不斷演
變現今一代頻譜分析儀包括各種數位元件如 ADCDSP 和微處理器但是基本掃描方法仍大體相同
最適合觀察受控的靜態訊號掃頻式頻譜分析儀透過降
頻器所輸入的射頻訊號在解析度頻寬 (RBW) 濾波器
的通帶範圍內掃描來量測功率隨頻率的變化RBW 濾波器後面有一個偵測器偵測器計算選定頻距中每個
頻率點上的振幅儘管這種方法可以提供高動態範圍
但它的缺點是每一次只能計算一個頻率點的振幅資
料這種方法基於的假設是分析儀在完成至少一次掃
描的時間內待測訊號在此其間沒有明顯的變化結
果量測只對相對穩定不變的輸入訊號有效如果訊號
快速變化那麼在統計概率上說部分變化極可能會被
遺漏如圖 1-1 所示當瞬間頻譜事件發生在 Fb 段時
SA 正在查看 Fa 頻率段 (左圖)在掃頻到達 Fb 段之
前事件已經消失且未偵測到 (右圖)SA 架構並未
提供能探索這種暫態訊號存在的可靠方法進而導致在
疑難排解許多現代射頻訊號時會耗費時間和精力除了
會遺失瞬間的訊號脈衝訊號 (如在現代通訊和雷達中
所使用) 頻譜可能也無法如實呈現SA 架構無法表現
不具重複掃頻的脈衝的佔用頻譜使用者亦需要特別注
意掃頻速率和解析度頻寬
圖 1-1 掃頻頻譜分析儀涵跨一系列頻段的掃頻分析儀調整通常會錯過發生於目前掃頻外的重要暫態事件 (右側棕色頻段
Fb 中強調顯示)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 6
圖 1-2 abc 簡化掃頻頻譜分析儀 (a) 向量訊號分析儀 (b) 和即時頻譜分析儀 (c) 方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 7
圖 1-2a 說明瞭典型的現代掃頻分析儀結構儘管現代
掃頻分析儀已經用數位訊號處理 (DSP) 取代了類比功
能但基礎結構和限制保持不變
向量訊號分析儀
分析傳送訊號的數位調變要求進行向量量測以同時提
供振幅資訊和相位資訊圖1-2b是簡化的VSA方框圖
VSA 數位化儀器傳輸頻帶內部的所有射頻功率將數
位化的波形放入記憶體記憶體中的波形同時包含振幅
資訊和相位資訊DSP可以使用這些資訊進行解調量
測或顯示處理在VSA內部ADC數位化寬頻IF訊號
降頻轉換濾波和偵測以數位元方式完成從時域到頻
域的變換使用FFT演算法完成VSA量測調變參數如
FM偏差碼域功率和誤差向量振幅 (EVM和星座圖)還提供其他顯示畫面如通道功率功率隨時間變化和
頻譜圖
儘管VSA增加了在記憶體中儲存波形的功能但其分析
暫態事件的能力有限在典型的VSA 自由運行模式
下擷取的訊號必須儲存在記憶體中然後才能進行處
理使用者看不見這種批次處理的串列特點意味著儀器
對擷取之間發生的事件無法可靠地發現單次事件或偶
發事件使用者可以使用偶發事件觸發功能在記憶體
中隔離這些事件遺憾的是VSA的觸發功能有限外
部觸發要求事先瞭解有問題的事件這可能是不現實
的IF 位準觸發要求總IF功率必須出現可度量的變
化而在存在大的訊號或訊號頻率變化但振幅不變
時則不能隔離微弱的訊號而在當前的動態射頻環境
中經常會發生這兩種情況
即時頻譜分析儀
「即時」一詞源於早期的實體系統數位模擬工作如果
其工作速度與被模擬的實際系統一致數位系統模擬即
是即時工作
即時分析訊號意味著必須以足夠快的速度執行分析操
作以準確地處理感興趣的頻段中的所有訊號分量此
定義表明我們必須 以足夠快的速度對輸入訊號取樣以滿足Nyquist標準這意味著取樣頻率必須超過感興趣頻寬的兩倍
連續地足夠快地執行所有計算以便分析輸出跟上輸
入訊號的變化
探索觸發擷取分析
即時頻譜分析儀 (RSA) 旨在解決與上一節仲介紹的暫
態動態射頻訊號有關的量測挑戰RSA使用即時數位訊
號處理 (DSP) 執行訊號分析DSP在記憶體儲存之前
完成而VSA結構則通常採用擷取後處理即時處理允
許使用者發現其他結構看不到的事件並觸發這些事
件可以選擇性將事件擷取至記憶體然後可以使用批
次處理在多個域中全面分析記憶體內的資料另外還可
以使用即時DSP引擎執行訊號調節校準和某些類型
的分析
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 8
RSA 的核心是即時處理模組如圖 1-2c 所示 (第 6頁)與 VSA 類似寬擷取頻寬已進行數位化處理與
VSA 不同的是即時引擎工作速度足夠快可以處理
每個取樣點而不會有空白如圖 1-3 所示可以連續
應用振幅和相位校正補償模擬中頻和射頻回應不僅
可以全面校正記憶體中儲存的資料還可以執行所有後
續即時處理在校正的數據上操作即時引擎支援下述
功能滿足了現代射頻分析的需求 即時校正改善類比訊號路徑中的不完整性 DPXreg即時射頻顯示可以探索掃頻分析儀和VSA遺漏的事件
訊號發生的持續性確定的DPX DensityTM量測和觸發 進階時間判定觸發如矮波脈衝觸發通常在高效能
示波器中提供
頻域觸發支援頻率遮罩觸發 (FMT) 觸發使用者指定頻寬支援濾波功率觸發 即時解調變可讓使用者「監聽」繁忙頻段中的特定
訊號 數位化資料的數位IQ串流允許不間斷地輸出訊號
進行外部儲存和處理
即時引擎不僅可以發現和觸發訊號還可以執行許多重
複的訊號處理任務釋放以軟體為基礎的寶貴資源與
VSA一樣RSA可以使用DSP進行擷取後分析使用者
可以在時間相關的多個域中執行量測並可以同時顯示
這些量測
圖 1-3 VSA 處理 vs 即時頻譜分析儀即時引擎處理比較
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 9
第 2 章即時頻譜分析儀如何運作
本章提供了Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 的多個
主要擷取結構圖和分析方框圖為便於討論其中省去
了部分輔助功能
現代即時頻譜分析儀可以擷取分析儀輸入頻率範圍內
任何地方的傳輸頻帶或頻寬此功能的核心是射頻降頻
轉換器後接有一個寬頻中頻 (IF) 段ADC數位化IF訊號系統以數位元方式執行所有進一步的步驟DSP演算法執行所有訊號調節和分析功能
使用者可透過數個關鍵特點來區分即時結構是否成功 射頻訊號調節提供寬頻寬中頻路徑和高動態範圍 使用帶通濾波器而不是YIG預選濾波器在每種產
品的整個輸入頻率上同時實現無像頻幹擾頻率轉換
和寬頻量測 ADC系統能夠數位化整個即時頻寬並具有足夠的完
整性支援所需的量測
即時數位訊號處理 (DSP) 引擎啟用無間隙處理 足夠的擷取記憶體和DSP能力在所需的時間量測週
期上執行連續即時擷取 整合式訊號分析系統對待測訊號提供多個分析視
圖並在時間上相關
射頻中頻訊號調節
圖2-1是簡化的RSA RFIF方框圖帶有RSA頻率範圍
內任何頻率內容的訊號都會應用到輸入連接器上一旦
訊號進入儀器將會根據使用者選擇的分析需求發送和
調節並套用可變衰減和增益調諧使用多階段頻率轉
換及組合使用可調諧本振和固定本振 (LO) 實現模擬
濾波在各種中頻頻率上完成最後的中頻使用AD轉換
器進行數位化所有進一步處理都使用DSP技術執行
某些RSA機型可以選配基頻模式其中直接數位元化輸
入訊號而無需進行任何頻率轉換基頻訊號使用的
DSP採用的方法與射頻訊號採用的方法類似
圖 2-1 即時頻譜分析儀射頻中頻方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 10
輸入切換和發送區段
輸入切換和發送段將輸入波形分發到儀器內部的各種
訊號路徑某些RSA機型包括一條單獨的DC耦合基頻
路徑在分析低頻訊號及DC耦合IQ基頻路徑時提高了
動態範圍和準確度RSA還包括內部調整源這些調整
來源產生的訊號具有為RSA專門訂制的屬性 (PRBS校準的正弦曲線調變參考等等)這些訊號用於自行
調整程式校正系統參數溫度變化如 增益 整個擷取頻寬的振幅平坦性 整個擷取頻寬的相位線性 時間調整 觸發延遲校驗
自行調整流程與採用外部設備在原廠或服務中心進行
的校驗相結合構成了RSA所有關鍵量測規格的核心
射頻和微波區段
射頻微波段包含寬頻電路可調節輸入訊號以便其
擁有適當的位準和頻率分量達到最佳的下行串流處
理
步進衰減器
步進衰減器是由電阻衰減器連接盤和RFmicroW開關組成
的裝置用來降低寬頻訊號位準降低振幅是程式設計
確定的數量
步進衰減器執行兩個功能 1 將輸入上的RF和微波訊號位準降低到最佳的處理位
準步進衰減器還可以防止因吸收過多射頻功率導
致非常高的訊號而破壞輸入 2 在儀器的整個頻率範圍中提供了寬頻阻抗匹配這種
阻抗匹配對保持射頻訊號量測準確度至關重要為
此大多數儀器規格適用於10 dB以上的輸入衰減條
件
RSA使用的步進衰減器因設計機型而有所不同通常可
以進行程式設計以5 dB 或10 dB步進衰減0 dB至
50dB 以上
圖像抑制濾波器
RSA 提供了無圖像的頻率轉換功能可以從輸入上的
射頻和微波訊號轉換到最終中頻使用者可將各種濾波
器放在第一個混頻器前面而完成此步驟各種RSA機型
使用多階段混頻方案採用寬頻濾波器允許對整個擷
取頻寬進行無圖像轉換實現可重複的指定的振幅平坦
度和相位線性度
前置放大器
某些RSA機型包括可以選擇的前置放大器選項在訊號
路徑中的圖像抑制濾波器前增加增益這種選項改善了
RSA的雜訊係數用來分析非常弱的訊號當然在輸
入上增加增益限制了可分析的最大訊號將這個放大器
切換出訊號路徑會將分析儀的範圍恢複到正常範圍
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 11
頻率轉換中頻區段
所有 RTSA 機型均能分析集中在分析儀頻率範圍任何
位置的廣泛頻率頻帶此步驟可經由將感興趣的頻帶轉
換至固定的中頻 (進行濾波放大和縮放的位置) 來完
成此中頻訊號接著會進行數位化處理然後使用即時
和批次處理在感興趣的訊號上執行多域分析
多階段頻率轉換
頻率轉換區段的目標是將所需的頻率頻帶中的訊號忠
實地轉換為適合進行類比至數位轉換的中頻在多個轉
換超外差架構中選擇本地振盪器 (LO) 的頻率即可完
成調整如圖 2-1 所示 (第 9 頁)每個頻率轉換階段均
包含混波器 (類比倍頻器)接著是 IF 濾波和放大中
頻頻率的選擇濾波器的波形形狀增益和位準將會視
RTSA 機型而有所不同且在每個機型中皆會以儀器設
定函數進行變更以最佳化不同領域中的效能如下列 由於混波器和濾波器不完整性所產生的寄生訊號響
應 動態範圍 (可同時觀看且無誤差的最小和最大訊號) 整個即時頻寬的振幅平坦性 整個即時頻寬的相位線性 訊號與觸發路徑之間的延遲匹配
內部調整來源
在 RTSA 中針對一些在前述清單中提到的特性所取得
的效能遠遠超過實際使用類比分量的效能濾波器響
應延遲和增益會隨著溫度變化並且可能會隨著個別
儀器而有所不同RTSA 效能是由實際量測增益濾波
器的波形形狀和延遲並利用 DSP 來補償量測效能所
取得寬帶射頻分量的頻率響應和增益變化是採用已校
準的設備在原廠進行量測可溯源至國家計量機構 (如NISTNPL 和 PTB)此設備也可用於校準內部調整來
源反過來提供針對在 RTSA 所使用的時間和地點的訊
號路徑條件而調整的訊號RTSA 採用兩種內部訊號 高度準確溫度穩定的正弦訊號會用於設定基準頻率
的訊號路徑增益通常為 100 MHz此訊號是內部射
頻位準參考設定了在擷取頻寬中心的量測射頻功率
準確度 校準後的寬頻訊號會用於量測整個即時擷取頻寬的
振幅和相位響應此訊號是內部通道響應參考提供
了相關資訊以允許 DSP 補償整個擷取頻寬的振幅
相位和延遲變化
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 12
數位訊號處理 (DSP) 概念
本節包含Tektronix RSA典型主要擷取和分析模組的多
個結構圖具體實現方案視機型及特定量測功能而有所
不同為討論清楚起見其中省略了部分協助工具
即時頻譜分析儀中的數位訊號處理路徑
Tektronix RSA結合使用類比訊號處理和數位訊號處理 (DSP) 技術將射頻訊號轉換成校準的時間相關多域量
測本節將介紹RSA訊號處理流程的數位元部分
圖2-2顯示了Tektronix RSA 系列中使用的主要數位訊
號處理模組來自射頻輸入的頻段會轉換成類比中頻訊
號然後進行通帶濾波和數位化然後對取樣的資料進
行校正校正訊號路徑的振幅平坦度相位線性度和其
他不完整性某些校正會即時進行其他校正則在訊號
處理路徑較遠的下行方向進行
數位降頻轉換和壓縮過程將AD取樣點轉換成同相 (I) 和正交 (Q) 基頻訊號串流如下一頁中的圖2-3 所示所需訊號的這個IQ表示方式是所有RSA表示訊號的
基本形式然後使用DSP執行所有進一步的訊號調節
和量測RSA同時使用即時DSP和批次處理模式DSP
圖 2-2 即時頻譜分析儀數位訊號處理方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 13
中頻數位化器
Tektronix RSA一般會數位化以中頻 (IF) 為中心的一
個頻段這個頻段是可以進行即時分析的最寬的頻率範
圍在高中頻上進行數位轉換而不是在直流或基頻上
進行數位轉換具有多種訊號處理優勢 (雜散效能直
流抑制動態範圍等)選擇的取樣速率應使所需的中
頻頻寬落在Nyquist區域內如圖2-5所示取樣速率必
須至少是中頻頻寬的兩倍如果整個頻寬落在0 與121 122 32 的取樣頻率之間則可以實現取樣
而沒有人工訊號中頻濾波器的實際實現方式要求典型
的取樣速率至少是中頻頻寬的25倍
校正
RSA振幅平坦度相位線性和位準準確度等規格遠遠超
過構成訊號路徑類比射頻和中頻訊號調節部分的分量
的效能Tektronix RSA結合使用原廠校準和內部自行
調整補償訊號路徑中的類比分量變化 (溫度容限
老化等等)
原廠校驗
RSA 在輸入頻率範圍內的頻率響應在出廠時量測擷
取頻寬中心的射頻行為在某個溫度範圍內是可以預
測且在儀器老化時變化不大在原廠量測後射頻響
應儲存在校正表中校正表存放在非揮發性記憶體中
內部校準
擷取頻寬中的響應受到構成IF處理路徑的混頻器濾波
器和放大器組成的影響這些組件在RSA擷取的寬頻寬
上可能會有細顆粒的振幅和相位漣波內部對準過程量
測相對於中心頻率偏移的振幅和相位響應對準在使用
儀器的時間和地點完成可以手動觸發或相對於溫度觸
發此響應會儲存在記憶體中
校正程式
RSA校正程式將原廠中量測的射頻響應與內部對準過
程中量測的中頻響應結合在一起為一套校正濾波器產
生FIR係數補償輸入連接器和ADC之間整個路徑的振
幅平坦度和相位回應這些校正濾波器在即時數位硬體
中實現或在以軟體為基礎的DSP中實現具體視RSA機型而定並應用至數位化IQ串流中
數位降頻轉換器 (DDC)
表示通帶訊號常用且計算效率高的方式是使用波形的
複數基頻表示方式
RSA 使用Cartesian複數形式將時間取樣的資料表示
為訊號的I (同相) 和Q (正交) 基頻分量這使用數位降
頻轉換器 (DDC) 實現如圖2-3所示
圖 2-3 即時頻譜分析儀中的中頻對 IQ 轉換
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 14
一般而言DDC包含一個數位振盪器數位振盪器在感
興趣的中心頻段上產生正弦和餘弦正弦和餘弦以數字
方式乘以數位元化中頻產生I和Q基頻取樣點串流其
中包含原始中頻中包含的所有資訊DDC不僅用來將數
位化中頻訊號轉換成基頻訊號還用來在RSA中實現頻
率微調
IQ 基頻訊號
圖2-4顯示了獲得頻段並使用正交降頻轉換將其轉換
到基頻中的過程在15倍取樣頻率和取樣頻率之間的
空間中包含著原始中頻訊號取樣在零和15倍取樣頻
率之間產生這個訊號的圖像然後訊號乘以關心的傳輸
頻帶中心的相干正弦和餘弦訊號產生I和Q基頻訊號
基頻訊號是實數值在原點兩邊對稱正負頻率中包含
著同樣的資訊原始傳輸頻帶中包含的所有調變也包含
在這兩個訊號中每個訊號要求的最低取樣頻率現在是
原始頻率的一半然後可以兩兩壓縮
圖 2-4 通帶資訊會維持在 I 和 Q 內即使是採用一半的取樣率
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 5
儀器架構概述
若要瞭解 RTSA 如何運作並瞭解其所提供的量測
值請先檢查其他兩個類型傳統射頻訊號分析儀掃頻
頻譜分析儀 (SA) 和向量訊號分析儀 (VSA)
掃頻頻譜分析儀
掃頻超外差式頻譜分析儀是幾十年前第一次使得工程
師能夠進行頻域量測的傳統架構頻譜分析儀最初是使
用純類比裝置構建的之後與所應對的應用一起不斷演
變現今一代頻譜分析儀包括各種數位元件如 ADCDSP 和微處理器但是基本掃描方法仍大體相同
最適合觀察受控的靜態訊號掃頻式頻譜分析儀透過降
頻器所輸入的射頻訊號在解析度頻寬 (RBW) 濾波器
的通帶範圍內掃描來量測功率隨頻率的變化RBW 濾波器後面有一個偵測器偵測器計算選定頻距中每個
頻率點上的振幅儘管這種方法可以提供高動態範圍
但它的缺點是每一次只能計算一個頻率點的振幅資
料這種方法基於的假設是分析儀在完成至少一次掃
描的時間內待測訊號在此其間沒有明顯的變化結
果量測只對相對穩定不變的輸入訊號有效如果訊號
快速變化那麼在統計概率上說部分變化極可能會被
遺漏如圖 1-1 所示當瞬間頻譜事件發生在 Fb 段時
SA 正在查看 Fa 頻率段 (左圖)在掃頻到達 Fb 段之
前事件已經消失且未偵測到 (右圖)SA 架構並未
提供能探索這種暫態訊號存在的可靠方法進而導致在
疑難排解許多現代射頻訊號時會耗費時間和精力除了
會遺失瞬間的訊號脈衝訊號 (如在現代通訊和雷達中
所使用) 頻譜可能也無法如實呈現SA 架構無法表現
不具重複掃頻的脈衝的佔用頻譜使用者亦需要特別注
意掃頻速率和解析度頻寬
圖 1-1 掃頻頻譜分析儀涵跨一系列頻段的掃頻分析儀調整通常會錯過發生於目前掃頻外的重要暫態事件 (右側棕色頻段
Fb 中強調顯示)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 6
圖 1-2 abc 簡化掃頻頻譜分析儀 (a) 向量訊號分析儀 (b) 和即時頻譜分析儀 (c) 方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 7
圖 1-2a 說明瞭典型的現代掃頻分析儀結構儘管現代
掃頻分析儀已經用數位訊號處理 (DSP) 取代了類比功
能但基礎結構和限制保持不變
向量訊號分析儀
分析傳送訊號的數位調變要求進行向量量測以同時提
供振幅資訊和相位資訊圖1-2b是簡化的VSA方框圖
VSA 數位化儀器傳輸頻帶內部的所有射頻功率將數
位化的波形放入記憶體記憶體中的波形同時包含振幅
資訊和相位資訊DSP可以使用這些資訊進行解調量
測或顯示處理在VSA內部ADC數位化寬頻IF訊號
降頻轉換濾波和偵測以數位元方式完成從時域到頻
域的變換使用FFT演算法完成VSA量測調變參數如
FM偏差碼域功率和誤差向量振幅 (EVM和星座圖)還提供其他顯示畫面如通道功率功率隨時間變化和
頻譜圖
儘管VSA增加了在記憶體中儲存波形的功能但其分析
暫態事件的能力有限在典型的VSA 自由運行模式
下擷取的訊號必須儲存在記憶體中然後才能進行處
理使用者看不見這種批次處理的串列特點意味著儀器
對擷取之間發生的事件無法可靠地發現單次事件或偶
發事件使用者可以使用偶發事件觸發功能在記憶體
中隔離這些事件遺憾的是VSA的觸發功能有限外
部觸發要求事先瞭解有問題的事件這可能是不現實
的IF 位準觸發要求總IF功率必須出現可度量的變
化而在存在大的訊號或訊號頻率變化但振幅不變
時則不能隔離微弱的訊號而在當前的動態射頻環境
中經常會發生這兩種情況
即時頻譜分析儀
「即時」一詞源於早期的實體系統數位模擬工作如果
其工作速度與被模擬的實際系統一致數位系統模擬即
是即時工作
即時分析訊號意味著必須以足夠快的速度執行分析操
作以準確地處理感興趣的頻段中的所有訊號分量此
定義表明我們必須 以足夠快的速度對輸入訊號取樣以滿足Nyquist標準這意味著取樣頻率必須超過感興趣頻寬的兩倍
連續地足夠快地執行所有計算以便分析輸出跟上輸
入訊號的變化
探索觸發擷取分析
即時頻譜分析儀 (RSA) 旨在解決與上一節仲介紹的暫
態動態射頻訊號有關的量測挑戰RSA使用即時數位訊
號處理 (DSP) 執行訊號分析DSP在記憶體儲存之前
完成而VSA結構則通常採用擷取後處理即時處理允
許使用者發現其他結構看不到的事件並觸發這些事
件可以選擇性將事件擷取至記憶體然後可以使用批
次處理在多個域中全面分析記憶體內的資料另外還可
以使用即時DSP引擎執行訊號調節校準和某些類型
的分析
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 8
RSA 的核心是即時處理模組如圖 1-2c 所示 (第 6頁)與 VSA 類似寬擷取頻寬已進行數位化處理與
VSA 不同的是即時引擎工作速度足夠快可以處理
每個取樣點而不會有空白如圖 1-3 所示可以連續
應用振幅和相位校正補償模擬中頻和射頻回應不僅
可以全面校正記憶體中儲存的資料還可以執行所有後
續即時處理在校正的數據上操作即時引擎支援下述
功能滿足了現代射頻分析的需求 即時校正改善類比訊號路徑中的不完整性 DPXreg即時射頻顯示可以探索掃頻分析儀和VSA遺漏的事件
訊號發生的持續性確定的DPX DensityTM量測和觸發 進階時間判定觸發如矮波脈衝觸發通常在高效能
示波器中提供
頻域觸發支援頻率遮罩觸發 (FMT) 觸發使用者指定頻寬支援濾波功率觸發 即時解調變可讓使用者「監聽」繁忙頻段中的特定
訊號 數位化資料的數位IQ串流允許不間斷地輸出訊號
進行外部儲存和處理
即時引擎不僅可以發現和觸發訊號還可以執行許多重
複的訊號處理任務釋放以軟體為基礎的寶貴資源與
VSA一樣RSA可以使用DSP進行擷取後分析使用者
可以在時間相關的多個域中執行量測並可以同時顯示
這些量測
圖 1-3 VSA 處理 vs 即時頻譜分析儀即時引擎處理比較
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 9
第 2 章即時頻譜分析儀如何運作
本章提供了Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 的多個
主要擷取結構圖和分析方框圖為便於討論其中省去
了部分輔助功能
現代即時頻譜分析儀可以擷取分析儀輸入頻率範圍內
任何地方的傳輸頻帶或頻寬此功能的核心是射頻降頻
轉換器後接有一個寬頻中頻 (IF) 段ADC數位化IF訊號系統以數位元方式執行所有進一步的步驟DSP演算法執行所有訊號調節和分析功能
使用者可透過數個關鍵特點來區分即時結構是否成功 射頻訊號調節提供寬頻寬中頻路徑和高動態範圍 使用帶通濾波器而不是YIG預選濾波器在每種產
品的整個輸入頻率上同時實現無像頻幹擾頻率轉換
和寬頻量測 ADC系統能夠數位化整個即時頻寬並具有足夠的完
整性支援所需的量測
即時數位訊號處理 (DSP) 引擎啟用無間隙處理 足夠的擷取記憶體和DSP能力在所需的時間量測週
期上執行連續即時擷取 整合式訊號分析系統對待測訊號提供多個分析視
圖並在時間上相關
射頻中頻訊號調節
圖2-1是簡化的RSA RFIF方框圖帶有RSA頻率範圍
內任何頻率內容的訊號都會應用到輸入連接器上一旦
訊號進入儀器將會根據使用者選擇的分析需求發送和
調節並套用可變衰減和增益調諧使用多階段頻率轉
換及組合使用可調諧本振和固定本振 (LO) 實現模擬
濾波在各種中頻頻率上完成最後的中頻使用AD轉換
器進行數位化所有進一步處理都使用DSP技術執行
某些RSA機型可以選配基頻模式其中直接數位元化輸
入訊號而無需進行任何頻率轉換基頻訊號使用的
DSP採用的方法與射頻訊號採用的方法類似
圖 2-1 即時頻譜分析儀射頻中頻方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 10
輸入切換和發送區段
輸入切換和發送段將輸入波形分發到儀器內部的各種
訊號路徑某些RSA機型包括一條單獨的DC耦合基頻
路徑在分析低頻訊號及DC耦合IQ基頻路徑時提高了
動態範圍和準確度RSA還包括內部調整源這些調整
來源產生的訊號具有為RSA專門訂制的屬性 (PRBS校準的正弦曲線調變參考等等)這些訊號用於自行
調整程式校正系統參數溫度變化如 增益 整個擷取頻寬的振幅平坦性 整個擷取頻寬的相位線性 時間調整 觸發延遲校驗
自行調整流程與採用外部設備在原廠或服務中心進行
的校驗相結合構成了RSA所有關鍵量測規格的核心
射頻和微波區段
射頻微波段包含寬頻電路可調節輸入訊號以便其
擁有適當的位準和頻率分量達到最佳的下行串流處
理
步進衰減器
步進衰減器是由電阻衰減器連接盤和RFmicroW開關組成
的裝置用來降低寬頻訊號位準降低振幅是程式設計
確定的數量
步進衰減器執行兩個功能 1 將輸入上的RF和微波訊號位準降低到最佳的處理位
準步進衰減器還可以防止因吸收過多射頻功率導
致非常高的訊號而破壞輸入 2 在儀器的整個頻率範圍中提供了寬頻阻抗匹配這種
阻抗匹配對保持射頻訊號量測準確度至關重要為
此大多數儀器規格適用於10 dB以上的輸入衰減條
件
RSA使用的步進衰減器因設計機型而有所不同通常可
以進行程式設計以5 dB 或10 dB步進衰減0 dB至
50dB 以上
圖像抑制濾波器
RSA 提供了無圖像的頻率轉換功能可以從輸入上的
射頻和微波訊號轉換到最終中頻使用者可將各種濾波
器放在第一個混頻器前面而完成此步驟各種RSA機型
使用多階段混頻方案採用寬頻濾波器允許對整個擷
取頻寬進行無圖像轉換實現可重複的指定的振幅平坦
度和相位線性度
前置放大器
某些RSA機型包括可以選擇的前置放大器選項在訊號
路徑中的圖像抑制濾波器前增加增益這種選項改善了
RSA的雜訊係數用來分析非常弱的訊號當然在輸
入上增加增益限制了可分析的最大訊號將這個放大器
切換出訊號路徑會將分析儀的範圍恢複到正常範圍
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 11
頻率轉換中頻區段
所有 RTSA 機型均能分析集中在分析儀頻率範圍任何
位置的廣泛頻率頻帶此步驟可經由將感興趣的頻帶轉
換至固定的中頻 (進行濾波放大和縮放的位置) 來完
成此中頻訊號接著會進行數位化處理然後使用即時
和批次處理在感興趣的訊號上執行多域分析
多階段頻率轉換
頻率轉換區段的目標是將所需的頻率頻帶中的訊號忠
實地轉換為適合進行類比至數位轉換的中頻在多個轉
換超外差架構中選擇本地振盪器 (LO) 的頻率即可完
成調整如圖 2-1 所示 (第 9 頁)每個頻率轉換階段均
包含混波器 (類比倍頻器)接著是 IF 濾波和放大中
頻頻率的選擇濾波器的波形形狀增益和位準將會視
RTSA 機型而有所不同且在每個機型中皆會以儀器設
定函數進行變更以最佳化不同領域中的效能如下列 由於混波器和濾波器不完整性所產生的寄生訊號響
應 動態範圍 (可同時觀看且無誤差的最小和最大訊號) 整個即時頻寬的振幅平坦性 整個即時頻寬的相位線性 訊號與觸發路徑之間的延遲匹配
內部調整來源
在 RTSA 中針對一些在前述清單中提到的特性所取得
的效能遠遠超過實際使用類比分量的效能濾波器響
應延遲和增益會隨著溫度變化並且可能會隨著個別
儀器而有所不同RTSA 效能是由實際量測增益濾波
器的波形形狀和延遲並利用 DSP 來補償量測效能所
取得寬帶射頻分量的頻率響應和增益變化是採用已校
準的設備在原廠進行量測可溯源至國家計量機構 (如NISTNPL 和 PTB)此設備也可用於校準內部調整來
源反過來提供針對在 RTSA 所使用的時間和地點的訊
號路徑條件而調整的訊號RTSA 採用兩種內部訊號 高度準確溫度穩定的正弦訊號會用於設定基準頻率
的訊號路徑增益通常為 100 MHz此訊號是內部射
頻位準參考設定了在擷取頻寬中心的量測射頻功率
準確度 校準後的寬頻訊號會用於量測整個即時擷取頻寬的
振幅和相位響應此訊號是內部通道響應參考提供
了相關資訊以允許 DSP 補償整個擷取頻寬的振幅
相位和延遲變化
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 12
數位訊號處理 (DSP) 概念
本節包含Tektronix RSA典型主要擷取和分析模組的多
個結構圖具體實現方案視機型及特定量測功能而有所
不同為討論清楚起見其中省略了部分協助工具
即時頻譜分析儀中的數位訊號處理路徑
Tektronix RSA結合使用類比訊號處理和數位訊號處理 (DSP) 技術將射頻訊號轉換成校準的時間相關多域量
測本節將介紹RSA訊號處理流程的數位元部分
圖2-2顯示了Tektronix RSA 系列中使用的主要數位訊
號處理模組來自射頻輸入的頻段會轉換成類比中頻訊
號然後進行通帶濾波和數位化然後對取樣的資料進
行校正校正訊號路徑的振幅平坦度相位線性度和其
他不完整性某些校正會即時進行其他校正則在訊號
處理路徑較遠的下行方向進行
數位降頻轉換和壓縮過程將AD取樣點轉換成同相 (I) 和正交 (Q) 基頻訊號串流如下一頁中的圖2-3 所示所需訊號的這個IQ表示方式是所有RSA表示訊號的
基本形式然後使用DSP執行所有進一步的訊號調節
和量測RSA同時使用即時DSP和批次處理模式DSP
圖 2-2 即時頻譜分析儀數位訊號處理方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 13
中頻數位化器
Tektronix RSA一般會數位化以中頻 (IF) 為中心的一
個頻段這個頻段是可以進行即時分析的最寬的頻率範
圍在高中頻上進行數位轉換而不是在直流或基頻上
進行數位轉換具有多種訊號處理優勢 (雜散效能直
流抑制動態範圍等)選擇的取樣速率應使所需的中
頻頻寬落在Nyquist區域內如圖2-5所示取樣速率必
須至少是中頻頻寬的兩倍如果整個頻寬落在0 與121 122 32 的取樣頻率之間則可以實現取樣
而沒有人工訊號中頻濾波器的實際實現方式要求典型
的取樣速率至少是中頻頻寬的25倍
校正
RSA振幅平坦度相位線性和位準準確度等規格遠遠超
過構成訊號路徑類比射頻和中頻訊號調節部分的分量
的效能Tektronix RSA結合使用原廠校準和內部自行
調整補償訊號路徑中的類比分量變化 (溫度容限
老化等等)
原廠校驗
RSA 在輸入頻率範圍內的頻率響應在出廠時量測擷
取頻寬中心的射頻行為在某個溫度範圍內是可以預
測且在儀器老化時變化不大在原廠量測後射頻響
應儲存在校正表中校正表存放在非揮發性記憶體中
內部校準
擷取頻寬中的響應受到構成IF處理路徑的混頻器濾波
器和放大器組成的影響這些組件在RSA擷取的寬頻寬
上可能會有細顆粒的振幅和相位漣波內部對準過程量
測相對於中心頻率偏移的振幅和相位響應對準在使用
儀器的時間和地點完成可以手動觸發或相對於溫度觸
發此響應會儲存在記憶體中
校正程式
RSA校正程式將原廠中量測的射頻響應與內部對準過
程中量測的中頻響應結合在一起為一套校正濾波器產
生FIR係數補償輸入連接器和ADC之間整個路徑的振
幅平坦度和相位回應這些校正濾波器在即時數位硬體
中實現或在以軟體為基礎的DSP中實現具體視RSA機型而定並應用至數位化IQ串流中
數位降頻轉換器 (DDC)
表示通帶訊號常用且計算效率高的方式是使用波形的
複數基頻表示方式
RSA 使用Cartesian複數形式將時間取樣的資料表示
為訊號的I (同相) 和Q (正交) 基頻分量這使用數位降
頻轉換器 (DDC) 實現如圖2-3所示
圖 2-3 即時頻譜分析儀中的中頻對 IQ 轉換
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 14
一般而言DDC包含一個數位振盪器數位振盪器在感
興趣的中心頻段上產生正弦和餘弦正弦和餘弦以數字
方式乘以數位元化中頻產生I和Q基頻取樣點串流其
中包含原始中頻中包含的所有資訊DDC不僅用來將數
位化中頻訊號轉換成基頻訊號還用來在RSA中實現頻
率微調
IQ 基頻訊號
圖2-4顯示了獲得頻段並使用正交降頻轉換將其轉換
到基頻中的過程在15倍取樣頻率和取樣頻率之間的
空間中包含著原始中頻訊號取樣在零和15倍取樣頻
率之間產生這個訊號的圖像然後訊號乘以關心的傳輸
頻帶中心的相干正弦和餘弦訊號產生I和Q基頻訊號
基頻訊號是實數值在原點兩邊對稱正負頻率中包含
著同樣的資訊原始傳輸頻帶中包含的所有調變也包含
在這兩個訊號中每個訊號要求的最低取樣頻率現在是
原始頻率的一半然後可以兩兩壓縮
圖 2-4 通帶資訊會維持在 I 和 Q 內即使是採用一半的取樣率
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 6
圖 1-2 abc 簡化掃頻頻譜分析儀 (a) 向量訊號分析儀 (b) 和即時頻譜分析儀 (c) 方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 7
圖 1-2a 說明瞭典型的現代掃頻分析儀結構儘管現代
掃頻分析儀已經用數位訊號處理 (DSP) 取代了類比功
能但基礎結構和限制保持不變
向量訊號分析儀
分析傳送訊號的數位調變要求進行向量量測以同時提
供振幅資訊和相位資訊圖1-2b是簡化的VSA方框圖
VSA 數位化儀器傳輸頻帶內部的所有射頻功率將數
位化的波形放入記憶體記憶體中的波形同時包含振幅
資訊和相位資訊DSP可以使用這些資訊進行解調量
測或顯示處理在VSA內部ADC數位化寬頻IF訊號
降頻轉換濾波和偵測以數位元方式完成從時域到頻
域的變換使用FFT演算法完成VSA量測調變參數如
FM偏差碼域功率和誤差向量振幅 (EVM和星座圖)還提供其他顯示畫面如通道功率功率隨時間變化和
頻譜圖
儘管VSA增加了在記憶體中儲存波形的功能但其分析
暫態事件的能力有限在典型的VSA 自由運行模式
下擷取的訊號必須儲存在記憶體中然後才能進行處
理使用者看不見這種批次處理的串列特點意味著儀器
對擷取之間發生的事件無法可靠地發現單次事件或偶
發事件使用者可以使用偶發事件觸發功能在記憶體
中隔離這些事件遺憾的是VSA的觸發功能有限外
部觸發要求事先瞭解有問題的事件這可能是不現實
的IF 位準觸發要求總IF功率必須出現可度量的變
化而在存在大的訊號或訊號頻率變化但振幅不變
時則不能隔離微弱的訊號而在當前的動態射頻環境
中經常會發生這兩種情況
即時頻譜分析儀
「即時」一詞源於早期的實體系統數位模擬工作如果
其工作速度與被模擬的實際系統一致數位系統模擬即
是即時工作
即時分析訊號意味著必須以足夠快的速度執行分析操
作以準確地處理感興趣的頻段中的所有訊號分量此
定義表明我們必須 以足夠快的速度對輸入訊號取樣以滿足Nyquist標準這意味著取樣頻率必須超過感興趣頻寬的兩倍
連續地足夠快地執行所有計算以便分析輸出跟上輸
入訊號的變化
探索觸發擷取分析
即時頻譜分析儀 (RSA) 旨在解決與上一節仲介紹的暫
態動態射頻訊號有關的量測挑戰RSA使用即時數位訊
號處理 (DSP) 執行訊號分析DSP在記憶體儲存之前
完成而VSA結構則通常採用擷取後處理即時處理允
許使用者發現其他結構看不到的事件並觸發這些事
件可以選擇性將事件擷取至記憶體然後可以使用批
次處理在多個域中全面分析記憶體內的資料另外還可
以使用即時DSP引擎執行訊號調節校準和某些類型
的分析
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 8
RSA 的核心是即時處理模組如圖 1-2c 所示 (第 6頁)與 VSA 類似寬擷取頻寬已進行數位化處理與
VSA 不同的是即時引擎工作速度足夠快可以處理
每個取樣點而不會有空白如圖 1-3 所示可以連續
應用振幅和相位校正補償模擬中頻和射頻回應不僅
可以全面校正記憶體中儲存的資料還可以執行所有後
續即時處理在校正的數據上操作即時引擎支援下述
功能滿足了現代射頻分析的需求 即時校正改善類比訊號路徑中的不完整性 DPXreg即時射頻顯示可以探索掃頻分析儀和VSA遺漏的事件
訊號發生的持續性確定的DPX DensityTM量測和觸發 進階時間判定觸發如矮波脈衝觸發通常在高效能
示波器中提供
頻域觸發支援頻率遮罩觸發 (FMT) 觸發使用者指定頻寬支援濾波功率觸發 即時解調變可讓使用者「監聽」繁忙頻段中的特定
訊號 數位化資料的數位IQ串流允許不間斷地輸出訊號
進行外部儲存和處理
即時引擎不僅可以發現和觸發訊號還可以執行許多重
複的訊號處理任務釋放以軟體為基礎的寶貴資源與
VSA一樣RSA可以使用DSP進行擷取後分析使用者
可以在時間相關的多個域中執行量測並可以同時顯示
這些量測
圖 1-3 VSA 處理 vs 即時頻譜分析儀即時引擎處理比較
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 9
第 2 章即時頻譜分析儀如何運作
本章提供了Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 的多個
主要擷取結構圖和分析方框圖為便於討論其中省去
了部分輔助功能
現代即時頻譜分析儀可以擷取分析儀輸入頻率範圍內
任何地方的傳輸頻帶或頻寬此功能的核心是射頻降頻
轉換器後接有一個寬頻中頻 (IF) 段ADC數位化IF訊號系統以數位元方式執行所有進一步的步驟DSP演算法執行所有訊號調節和分析功能
使用者可透過數個關鍵特點來區分即時結構是否成功 射頻訊號調節提供寬頻寬中頻路徑和高動態範圍 使用帶通濾波器而不是YIG預選濾波器在每種產
品的整個輸入頻率上同時實現無像頻幹擾頻率轉換
和寬頻量測 ADC系統能夠數位化整個即時頻寬並具有足夠的完
整性支援所需的量測
即時數位訊號處理 (DSP) 引擎啟用無間隙處理 足夠的擷取記憶體和DSP能力在所需的時間量測週
期上執行連續即時擷取 整合式訊號分析系統對待測訊號提供多個分析視
圖並在時間上相關
射頻中頻訊號調節
圖2-1是簡化的RSA RFIF方框圖帶有RSA頻率範圍
內任何頻率內容的訊號都會應用到輸入連接器上一旦
訊號進入儀器將會根據使用者選擇的分析需求發送和
調節並套用可變衰減和增益調諧使用多階段頻率轉
換及組合使用可調諧本振和固定本振 (LO) 實現模擬
濾波在各種中頻頻率上完成最後的中頻使用AD轉換
器進行數位化所有進一步處理都使用DSP技術執行
某些RSA機型可以選配基頻模式其中直接數位元化輸
入訊號而無需進行任何頻率轉換基頻訊號使用的
DSP採用的方法與射頻訊號採用的方法類似
圖 2-1 即時頻譜分析儀射頻中頻方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 10
輸入切換和發送區段
輸入切換和發送段將輸入波形分發到儀器內部的各種
訊號路徑某些RSA機型包括一條單獨的DC耦合基頻
路徑在分析低頻訊號及DC耦合IQ基頻路徑時提高了
動態範圍和準確度RSA還包括內部調整源這些調整
來源產生的訊號具有為RSA專門訂制的屬性 (PRBS校準的正弦曲線調變參考等等)這些訊號用於自行
調整程式校正系統參數溫度變化如 增益 整個擷取頻寬的振幅平坦性 整個擷取頻寬的相位線性 時間調整 觸發延遲校驗
自行調整流程與採用外部設備在原廠或服務中心進行
的校驗相結合構成了RSA所有關鍵量測規格的核心
射頻和微波區段
射頻微波段包含寬頻電路可調節輸入訊號以便其
擁有適當的位準和頻率分量達到最佳的下行串流處
理
步進衰減器
步進衰減器是由電阻衰減器連接盤和RFmicroW開關組成
的裝置用來降低寬頻訊號位準降低振幅是程式設計
確定的數量
步進衰減器執行兩個功能 1 將輸入上的RF和微波訊號位準降低到最佳的處理位
準步進衰減器還可以防止因吸收過多射頻功率導
致非常高的訊號而破壞輸入 2 在儀器的整個頻率範圍中提供了寬頻阻抗匹配這種
阻抗匹配對保持射頻訊號量測準確度至關重要為
此大多數儀器規格適用於10 dB以上的輸入衰減條
件
RSA使用的步進衰減器因設計機型而有所不同通常可
以進行程式設計以5 dB 或10 dB步進衰減0 dB至
50dB 以上
圖像抑制濾波器
RSA 提供了無圖像的頻率轉換功能可以從輸入上的
射頻和微波訊號轉換到最終中頻使用者可將各種濾波
器放在第一個混頻器前面而完成此步驟各種RSA機型
使用多階段混頻方案採用寬頻濾波器允許對整個擷
取頻寬進行無圖像轉換實現可重複的指定的振幅平坦
度和相位線性度
前置放大器
某些RSA機型包括可以選擇的前置放大器選項在訊號
路徑中的圖像抑制濾波器前增加增益這種選項改善了
RSA的雜訊係數用來分析非常弱的訊號當然在輸
入上增加增益限制了可分析的最大訊號將這個放大器
切換出訊號路徑會將分析儀的範圍恢複到正常範圍
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 11
頻率轉換中頻區段
所有 RTSA 機型均能分析集中在分析儀頻率範圍任何
位置的廣泛頻率頻帶此步驟可經由將感興趣的頻帶轉
換至固定的中頻 (進行濾波放大和縮放的位置) 來完
成此中頻訊號接著會進行數位化處理然後使用即時
和批次處理在感興趣的訊號上執行多域分析
多階段頻率轉換
頻率轉換區段的目標是將所需的頻率頻帶中的訊號忠
實地轉換為適合進行類比至數位轉換的中頻在多個轉
換超外差架構中選擇本地振盪器 (LO) 的頻率即可完
成調整如圖 2-1 所示 (第 9 頁)每個頻率轉換階段均
包含混波器 (類比倍頻器)接著是 IF 濾波和放大中
頻頻率的選擇濾波器的波形形狀增益和位準將會視
RTSA 機型而有所不同且在每個機型中皆會以儀器設
定函數進行變更以最佳化不同領域中的效能如下列 由於混波器和濾波器不完整性所產生的寄生訊號響
應 動態範圍 (可同時觀看且無誤差的最小和最大訊號) 整個即時頻寬的振幅平坦性 整個即時頻寬的相位線性 訊號與觸發路徑之間的延遲匹配
內部調整來源
在 RTSA 中針對一些在前述清單中提到的特性所取得
的效能遠遠超過實際使用類比分量的效能濾波器響
應延遲和增益會隨著溫度變化並且可能會隨著個別
儀器而有所不同RTSA 效能是由實際量測增益濾波
器的波形形狀和延遲並利用 DSP 來補償量測效能所
取得寬帶射頻分量的頻率響應和增益變化是採用已校
準的設備在原廠進行量測可溯源至國家計量機構 (如NISTNPL 和 PTB)此設備也可用於校準內部調整來
源反過來提供針對在 RTSA 所使用的時間和地點的訊
號路徑條件而調整的訊號RTSA 採用兩種內部訊號 高度準確溫度穩定的正弦訊號會用於設定基準頻率
的訊號路徑增益通常為 100 MHz此訊號是內部射
頻位準參考設定了在擷取頻寬中心的量測射頻功率
準確度 校準後的寬頻訊號會用於量測整個即時擷取頻寬的
振幅和相位響應此訊號是內部通道響應參考提供
了相關資訊以允許 DSP 補償整個擷取頻寬的振幅
相位和延遲變化
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 12
數位訊號處理 (DSP) 概念
本節包含Tektronix RSA典型主要擷取和分析模組的多
個結構圖具體實現方案視機型及特定量測功能而有所
不同為討論清楚起見其中省略了部分協助工具
即時頻譜分析儀中的數位訊號處理路徑
Tektronix RSA結合使用類比訊號處理和數位訊號處理 (DSP) 技術將射頻訊號轉換成校準的時間相關多域量
測本節將介紹RSA訊號處理流程的數位元部分
圖2-2顯示了Tektronix RSA 系列中使用的主要數位訊
號處理模組來自射頻輸入的頻段會轉換成類比中頻訊
號然後進行通帶濾波和數位化然後對取樣的資料進
行校正校正訊號路徑的振幅平坦度相位線性度和其
他不完整性某些校正會即時進行其他校正則在訊號
處理路徑較遠的下行方向進行
數位降頻轉換和壓縮過程將AD取樣點轉換成同相 (I) 和正交 (Q) 基頻訊號串流如下一頁中的圖2-3 所示所需訊號的這個IQ表示方式是所有RSA表示訊號的
基本形式然後使用DSP執行所有進一步的訊號調節
和量測RSA同時使用即時DSP和批次處理模式DSP
圖 2-2 即時頻譜分析儀數位訊號處理方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 13
中頻數位化器
Tektronix RSA一般會數位化以中頻 (IF) 為中心的一
個頻段這個頻段是可以進行即時分析的最寬的頻率範
圍在高中頻上進行數位轉換而不是在直流或基頻上
進行數位轉換具有多種訊號處理優勢 (雜散效能直
流抑制動態範圍等)選擇的取樣速率應使所需的中
頻頻寬落在Nyquist區域內如圖2-5所示取樣速率必
須至少是中頻頻寬的兩倍如果整個頻寬落在0 與121 122 32 的取樣頻率之間則可以實現取樣
而沒有人工訊號中頻濾波器的實際實現方式要求典型
的取樣速率至少是中頻頻寬的25倍
校正
RSA振幅平坦度相位線性和位準準確度等規格遠遠超
過構成訊號路徑類比射頻和中頻訊號調節部分的分量
的效能Tektronix RSA結合使用原廠校準和內部自行
調整補償訊號路徑中的類比分量變化 (溫度容限
老化等等)
原廠校驗
RSA 在輸入頻率範圍內的頻率響應在出廠時量測擷
取頻寬中心的射頻行為在某個溫度範圍內是可以預
測且在儀器老化時變化不大在原廠量測後射頻響
應儲存在校正表中校正表存放在非揮發性記憶體中
內部校準
擷取頻寬中的響應受到構成IF處理路徑的混頻器濾波
器和放大器組成的影響這些組件在RSA擷取的寬頻寬
上可能會有細顆粒的振幅和相位漣波內部對準過程量
測相對於中心頻率偏移的振幅和相位響應對準在使用
儀器的時間和地點完成可以手動觸發或相對於溫度觸
發此響應會儲存在記憶體中
校正程式
RSA校正程式將原廠中量測的射頻響應與內部對準過
程中量測的中頻響應結合在一起為一套校正濾波器產
生FIR係數補償輸入連接器和ADC之間整個路徑的振
幅平坦度和相位回應這些校正濾波器在即時數位硬體
中實現或在以軟體為基礎的DSP中實現具體視RSA機型而定並應用至數位化IQ串流中
數位降頻轉換器 (DDC)
表示通帶訊號常用且計算效率高的方式是使用波形的
複數基頻表示方式
RSA 使用Cartesian複數形式將時間取樣的資料表示
為訊號的I (同相) 和Q (正交) 基頻分量這使用數位降
頻轉換器 (DDC) 實現如圖2-3所示
圖 2-3 即時頻譜分析儀中的中頻對 IQ 轉換
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 14
一般而言DDC包含一個數位振盪器數位振盪器在感
興趣的中心頻段上產生正弦和餘弦正弦和餘弦以數字
方式乘以數位元化中頻產生I和Q基頻取樣點串流其
中包含原始中頻中包含的所有資訊DDC不僅用來將數
位化中頻訊號轉換成基頻訊號還用來在RSA中實現頻
率微調
IQ 基頻訊號
圖2-4顯示了獲得頻段並使用正交降頻轉換將其轉換
到基頻中的過程在15倍取樣頻率和取樣頻率之間的
空間中包含著原始中頻訊號取樣在零和15倍取樣頻
率之間產生這個訊號的圖像然後訊號乘以關心的傳輸
頻帶中心的相干正弦和餘弦訊號產生I和Q基頻訊號
基頻訊號是實數值在原點兩邊對稱正負頻率中包含
著同樣的資訊原始傳輸頻帶中包含的所有調變也包含
在這兩個訊號中每個訊號要求的最低取樣頻率現在是
原始頻率的一半然後可以兩兩壓縮
圖 2-4 通帶資訊會維持在 I 和 Q 內即使是採用一半的取樣率
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 7
圖 1-2a 說明瞭典型的現代掃頻分析儀結構儘管現代
掃頻分析儀已經用數位訊號處理 (DSP) 取代了類比功
能但基礎結構和限制保持不變
向量訊號分析儀
分析傳送訊號的數位調變要求進行向量量測以同時提
供振幅資訊和相位資訊圖1-2b是簡化的VSA方框圖
VSA 數位化儀器傳輸頻帶內部的所有射頻功率將數
位化的波形放入記憶體記憶體中的波形同時包含振幅
資訊和相位資訊DSP可以使用這些資訊進行解調量
測或顯示處理在VSA內部ADC數位化寬頻IF訊號
降頻轉換濾波和偵測以數位元方式完成從時域到頻
域的變換使用FFT演算法完成VSA量測調變參數如
FM偏差碼域功率和誤差向量振幅 (EVM和星座圖)還提供其他顯示畫面如通道功率功率隨時間變化和
頻譜圖
儘管VSA增加了在記憶體中儲存波形的功能但其分析
暫態事件的能力有限在典型的VSA 自由運行模式
下擷取的訊號必須儲存在記憶體中然後才能進行處
理使用者看不見這種批次處理的串列特點意味著儀器
對擷取之間發生的事件無法可靠地發現單次事件或偶
發事件使用者可以使用偶發事件觸發功能在記憶體
中隔離這些事件遺憾的是VSA的觸發功能有限外
部觸發要求事先瞭解有問題的事件這可能是不現實
的IF 位準觸發要求總IF功率必須出現可度量的變
化而在存在大的訊號或訊號頻率變化但振幅不變
時則不能隔離微弱的訊號而在當前的動態射頻環境
中經常會發生這兩種情況
即時頻譜分析儀
「即時」一詞源於早期的實體系統數位模擬工作如果
其工作速度與被模擬的實際系統一致數位系統模擬即
是即時工作
即時分析訊號意味著必須以足夠快的速度執行分析操
作以準確地處理感興趣的頻段中的所有訊號分量此
定義表明我們必須 以足夠快的速度對輸入訊號取樣以滿足Nyquist標準這意味著取樣頻率必須超過感興趣頻寬的兩倍
連續地足夠快地執行所有計算以便分析輸出跟上輸
入訊號的變化
探索觸發擷取分析
即時頻譜分析儀 (RSA) 旨在解決與上一節仲介紹的暫
態動態射頻訊號有關的量測挑戰RSA使用即時數位訊
號處理 (DSP) 執行訊號分析DSP在記憶體儲存之前
完成而VSA結構則通常採用擷取後處理即時處理允
許使用者發現其他結構看不到的事件並觸發這些事
件可以選擇性將事件擷取至記憶體然後可以使用批
次處理在多個域中全面分析記憶體內的資料另外還可
以使用即時DSP引擎執行訊號調節校準和某些類型
的分析
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 8
RSA 的核心是即時處理模組如圖 1-2c 所示 (第 6頁)與 VSA 類似寬擷取頻寬已進行數位化處理與
VSA 不同的是即時引擎工作速度足夠快可以處理
每個取樣點而不會有空白如圖 1-3 所示可以連續
應用振幅和相位校正補償模擬中頻和射頻回應不僅
可以全面校正記憶體中儲存的資料還可以執行所有後
續即時處理在校正的數據上操作即時引擎支援下述
功能滿足了現代射頻分析的需求 即時校正改善類比訊號路徑中的不完整性 DPXreg即時射頻顯示可以探索掃頻分析儀和VSA遺漏的事件
訊號發生的持續性確定的DPX DensityTM量測和觸發 進階時間判定觸發如矮波脈衝觸發通常在高效能
示波器中提供
頻域觸發支援頻率遮罩觸發 (FMT) 觸發使用者指定頻寬支援濾波功率觸發 即時解調變可讓使用者「監聽」繁忙頻段中的特定
訊號 數位化資料的數位IQ串流允許不間斷地輸出訊號
進行外部儲存和處理
即時引擎不僅可以發現和觸發訊號還可以執行許多重
複的訊號處理任務釋放以軟體為基礎的寶貴資源與
VSA一樣RSA可以使用DSP進行擷取後分析使用者
可以在時間相關的多個域中執行量測並可以同時顯示
這些量測
圖 1-3 VSA 處理 vs 即時頻譜分析儀即時引擎處理比較
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 9
第 2 章即時頻譜分析儀如何運作
本章提供了Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 的多個
主要擷取結構圖和分析方框圖為便於討論其中省去
了部分輔助功能
現代即時頻譜分析儀可以擷取分析儀輸入頻率範圍內
任何地方的傳輸頻帶或頻寬此功能的核心是射頻降頻
轉換器後接有一個寬頻中頻 (IF) 段ADC數位化IF訊號系統以數位元方式執行所有進一步的步驟DSP演算法執行所有訊號調節和分析功能
使用者可透過數個關鍵特點來區分即時結構是否成功 射頻訊號調節提供寬頻寬中頻路徑和高動態範圍 使用帶通濾波器而不是YIG預選濾波器在每種產
品的整個輸入頻率上同時實現無像頻幹擾頻率轉換
和寬頻量測 ADC系統能夠數位化整個即時頻寬並具有足夠的完
整性支援所需的量測
即時數位訊號處理 (DSP) 引擎啟用無間隙處理 足夠的擷取記憶體和DSP能力在所需的時間量測週
期上執行連續即時擷取 整合式訊號分析系統對待測訊號提供多個分析視
圖並在時間上相關
射頻中頻訊號調節
圖2-1是簡化的RSA RFIF方框圖帶有RSA頻率範圍
內任何頻率內容的訊號都會應用到輸入連接器上一旦
訊號進入儀器將會根據使用者選擇的分析需求發送和
調節並套用可變衰減和增益調諧使用多階段頻率轉
換及組合使用可調諧本振和固定本振 (LO) 實現模擬
濾波在各種中頻頻率上完成最後的中頻使用AD轉換
器進行數位化所有進一步處理都使用DSP技術執行
某些RSA機型可以選配基頻模式其中直接數位元化輸
入訊號而無需進行任何頻率轉換基頻訊號使用的
DSP採用的方法與射頻訊號採用的方法類似
圖 2-1 即時頻譜分析儀射頻中頻方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 10
輸入切換和發送區段
輸入切換和發送段將輸入波形分發到儀器內部的各種
訊號路徑某些RSA機型包括一條單獨的DC耦合基頻
路徑在分析低頻訊號及DC耦合IQ基頻路徑時提高了
動態範圍和準確度RSA還包括內部調整源這些調整
來源產生的訊號具有為RSA專門訂制的屬性 (PRBS校準的正弦曲線調變參考等等)這些訊號用於自行
調整程式校正系統參數溫度變化如 增益 整個擷取頻寬的振幅平坦性 整個擷取頻寬的相位線性 時間調整 觸發延遲校驗
自行調整流程與採用外部設備在原廠或服務中心進行
的校驗相結合構成了RSA所有關鍵量測規格的核心
射頻和微波區段
射頻微波段包含寬頻電路可調節輸入訊號以便其
擁有適當的位準和頻率分量達到最佳的下行串流處
理
步進衰減器
步進衰減器是由電阻衰減器連接盤和RFmicroW開關組成
的裝置用來降低寬頻訊號位準降低振幅是程式設計
確定的數量
步進衰減器執行兩個功能 1 將輸入上的RF和微波訊號位準降低到最佳的處理位
準步進衰減器還可以防止因吸收過多射頻功率導
致非常高的訊號而破壞輸入 2 在儀器的整個頻率範圍中提供了寬頻阻抗匹配這種
阻抗匹配對保持射頻訊號量測準確度至關重要為
此大多數儀器規格適用於10 dB以上的輸入衰減條
件
RSA使用的步進衰減器因設計機型而有所不同通常可
以進行程式設計以5 dB 或10 dB步進衰減0 dB至
50dB 以上
圖像抑制濾波器
RSA 提供了無圖像的頻率轉換功能可以從輸入上的
射頻和微波訊號轉換到最終中頻使用者可將各種濾波
器放在第一個混頻器前面而完成此步驟各種RSA機型
使用多階段混頻方案採用寬頻濾波器允許對整個擷
取頻寬進行無圖像轉換實現可重複的指定的振幅平坦
度和相位線性度
前置放大器
某些RSA機型包括可以選擇的前置放大器選項在訊號
路徑中的圖像抑制濾波器前增加增益這種選項改善了
RSA的雜訊係數用來分析非常弱的訊號當然在輸
入上增加增益限制了可分析的最大訊號將這個放大器
切換出訊號路徑會將分析儀的範圍恢複到正常範圍
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 11
頻率轉換中頻區段
所有 RTSA 機型均能分析集中在分析儀頻率範圍任何
位置的廣泛頻率頻帶此步驟可經由將感興趣的頻帶轉
換至固定的中頻 (進行濾波放大和縮放的位置) 來完
成此中頻訊號接著會進行數位化處理然後使用即時
和批次處理在感興趣的訊號上執行多域分析
多階段頻率轉換
頻率轉換區段的目標是將所需的頻率頻帶中的訊號忠
實地轉換為適合進行類比至數位轉換的中頻在多個轉
換超外差架構中選擇本地振盪器 (LO) 的頻率即可完
成調整如圖 2-1 所示 (第 9 頁)每個頻率轉換階段均
包含混波器 (類比倍頻器)接著是 IF 濾波和放大中
頻頻率的選擇濾波器的波形形狀增益和位準將會視
RTSA 機型而有所不同且在每個機型中皆會以儀器設
定函數進行變更以最佳化不同領域中的效能如下列 由於混波器和濾波器不完整性所產生的寄生訊號響
應 動態範圍 (可同時觀看且無誤差的最小和最大訊號) 整個即時頻寬的振幅平坦性 整個即時頻寬的相位線性 訊號與觸發路徑之間的延遲匹配
內部調整來源
在 RTSA 中針對一些在前述清單中提到的特性所取得
的效能遠遠超過實際使用類比分量的效能濾波器響
應延遲和增益會隨著溫度變化並且可能會隨著個別
儀器而有所不同RTSA 效能是由實際量測增益濾波
器的波形形狀和延遲並利用 DSP 來補償量測效能所
取得寬帶射頻分量的頻率響應和增益變化是採用已校
準的設備在原廠進行量測可溯源至國家計量機構 (如NISTNPL 和 PTB)此設備也可用於校準內部調整來
源反過來提供針對在 RTSA 所使用的時間和地點的訊
號路徑條件而調整的訊號RTSA 採用兩種內部訊號 高度準確溫度穩定的正弦訊號會用於設定基準頻率
的訊號路徑增益通常為 100 MHz此訊號是內部射
頻位準參考設定了在擷取頻寬中心的量測射頻功率
準確度 校準後的寬頻訊號會用於量測整個即時擷取頻寬的
振幅和相位響應此訊號是內部通道響應參考提供
了相關資訊以允許 DSP 補償整個擷取頻寬的振幅
相位和延遲變化
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 12
數位訊號處理 (DSP) 概念
本節包含Tektronix RSA典型主要擷取和分析模組的多
個結構圖具體實現方案視機型及特定量測功能而有所
不同為討論清楚起見其中省略了部分協助工具
即時頻譜分析儀中的數位訊號處理路徑
Tektronix RSA結合使用類比訊號處理和數位訊號處理 (DSP) 技術將射頻訊號轉換成校準的時間相關多域量
測本節將介紹RSA訊號處理流程的數位元部分
圖2-2顯示了Tektronix RSA 系列中使用的主要數位訊
號處理模組來自射頻輸入的頻段會轉換成類比中頻訊
號然後進行通帶濾波和數位化然後對取樣的資料進
行校正校正訊號路徑的振幅平坦度相位線性度和其
他不完整性某些校正會即時進行其他校正則在訊號
處理路徑較遠的下行方向進行
數位降頻轉換和壓縮過程將AD取樣點轉換成同相 (I) 和正交 (Q) 基頻訊號串流如下一頁中的圖2-3 所示所需訊號的這個IQ表示方式是所有RSA表示訊號的
基本形式然後使用DSP執行所有進一步的訊號調節
和量測RSA同時使用即時DSP和批次處理模式DSP
圖 2-2 即時頻譜分析儀數位訊號處理方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 13
中頻數位化器
Tektronix RSA一般會數位化以中頻 (IF) 為中心的一
個頻段這個頻段是可以進行即時分析的最寬的頻率範
圍在高中頻上進行數位轉換而不是在直流或基頻上
進行數位轉換具有多種訊號處理優勢 (雜散效能直
流抑制動態範圍等)選擇的取樣速率應使所需的中
頻頻寬落在Nyquist區域內如圖2-5所示取樣速率必
須至少是中頻頻寬的兩倍如果整個頻寬落在0 與121 122 32 的取樣頻率之間則可以實現取樣
而沒有人工訊號中頻濾波器的實際實現方式要求典型
的取樣速率至少是中頻頻寬的25倍
校正
RSA振幅平坦度相位線性和位準準確度等規格遠遠超
過構成訊號路徑類比射頻和中頻訊號調節部分的分量
的效能Tektronix RSA結合使用原廠校準和內部自行
調整補償訊號路徑中的類比分量變化 (溫度容限
老化等等)
原廠校驗
RSA 在輸入頻率範圍內的頻率響應在出廠時量測擷
取頻寬中心的射頻行為在某個溫度範圍內是可以預
測且在儀器老化時變化不大在原廠量測後射頻響
應儲存在校正表中校正表存放在非揮發性記憶體中
內部校準
擷取頻寬中的響應受到構成IF處理路徑的混頻器濾波
器和放大器組成的影響這些組件在RSA擷取的寬頻寬
上可能會有細顆粒的振幅和相位漣波內部對準過程量
測相對於中心頻率偏移的振幅和相位響應對準在使用
儀器的時間和地點完成可以手動觸發或相對於溫度觸
發此響應會儲存在記憶體中
校正程式
RSA校正程式將原廠中量測的射頻響應與內部對準過
程中量測的中頻響應結合在一起為一套校正濾波器產
生FIR係數補償輸入連接器和ADC之間整個路徑的振
幅平坦度和相位回應這些校正濾波器在即時數位硬體
中實現或在以軟體為基礎的DSP中實現具體視RSA機型而定並應用至數位化IQ串流中
數位降頻轉換器 (DDC)
表示通帶訊號常用且計算效率高的方式是使用波形的
複數基頻表示方式
RSA 使用Cartesian複數形式將時間取樣的資料表示
為訊號的I (同相) 和Q (正交) 基頻分量這使用數位降
頻轉換器 (DDC) 實現如圖2-3所示
圖 2-3 即時頻譜分析儀中的中頻對 IQ 轉換
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 14
一般而言DDC包含一個數位振盪器數位振盪器在感
興趣的中心頻段上產生正弦和餘弦正弦和餘弦以數字
方式乘以數位元化中頻產生I和Q基頻取樣點串流其
中包含原始中頻中包含的所有資訊DDC不僅用來將數
位化中頻訊號轉換成基頻訊號還用來在RSA中實現頻
率微調
IQ 基頻訊號
圖2-4顯示了獲得頻段並使用正交降頻轉換將其轉換
到基頻中的過程在15倍取樣頻率和取樣頻率之間的
空間中包含著原始中頻訊號取樣在零和15倍取樣頻
率之間產生這個訊號的圖像然後訊號乘以關心的傳輸
頻帶中心的相干正弦和餘弦訊號產生I和Q基頻訊號
基頻訊號是實數值在原點兩邊對稱正負頻率中包含
著同樣的資訊原始傳輸頻帶中包含的所有調變也包含
在這兩個訊號中每個訊號要求的最低取樣頻率現在是
原始頻率的一半然後可以兩兩壓縮
圖 2-4 通帶資訊會維持在 I 和 Q 內即使是採用一半的取樣率
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 8
RSA 的核心是即時處理模組如圖 1-2c 所示 (第 6頁)與 VSA 類似寬擷取頻寬已進行數位化處理與
VSA 不同的是即時引擎工作速度足夠快可以處理
每個取樣點而不會有空白如圖 1-3 所示可以連續
應用振幅和相位校正補償模擬中頻和射頻回應不僅
可以全面校正記憶體中儲存的資料還可以執行所有後
續即時處理在校正的數據上操作即時引擎支援下述
功能滿足了現代射頻分析的需求 即時校正改善類比訊號路徑中的不完整性 DPXreg即時射頻顯示可以探索掃頻分析儀和VSA遺漏的事件
訊號發生的持續性確定的DPX DensityTM量測和觸發 進階時間判定觸發如矮波脈衝觸發通常在高效能
示波器中提供
頻域觸發支援頻率遮罩觸發 (FMT) 觸發使用者指定頻寬支援濾波功率觸發 即時解調變可讓使用者「監聽」繁忙頻段中的特定
訊號 數位化資料的數位IQ串流允許不間斷地輸出訊號
進行外部儲存和處理
即時引擎不僅可以發現和觸發訊號還可以執行許多重
複的訊號處理任務釋放以軟體為基礎的寶貴資源與
VSA一樣RSA可以使用DSP進行擷取後分析使用者
可以在時間相關的多個域中執行量測並可以同時顯示
這些量測
圖 1-3 VSA 處理 vs 即時頻譜分析儀即時引擎處理比較
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 9
第 2 章即時頻譜分析儀如何運作
本章提供了Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 的多個
主要擷取結構圖和分析方框圖為便於討論其中省去
了部分輔助功能
現代即時頻譜分析儀可以擷取分析儀輸入頻率範圍內
任何地方的傳輸頻帶或頻寬此功能的核心是射頻降頻
轉換器後接有一個寬頻中頻 (IF) 段ADC數位化IF訊號系統以數位元方式執行所有進一步的步驟DSP演算法執行所有訊號調節和分析功能
使用者可透過數個關鍵特點來區分即時結構是否成功 射頻訊號調節提供寬頻寬中頻路徑和高動態範圍 使用帶通濾波器而不是YIG預選濾波器在每種產
品的整個輸入頻率上同時實現無像頻幹擾頻率轉換
和寬頻量測 ADC系統能夠數位化整個即時頻寬並具有足夠的完
整性支援所需的量測
即時數位訊號處理 (DSP) 引擎啟用無間隙處理 足夠的擷取記憶體和DSP能力在所需的時間量測週
期上執行連續即時擷取 整合式訊號分析系統對待測訊號提供多個分析視
圖並在時間上相關
射頻中頻訊號調節
圖2-1是簡化的RSA RFIF方框圖帶有RSA頻率範圍
內任何頻率內容的訊號都會應用到輸入連接器上一旦
訊號進入儀器將會根據使用者選擇的分析需求發送和
調節並套用可變衰減和增益調諧使用多階段頻率轉
換及組合使用可調諧本振和固定本振 (LO) 實現模擬
濾波在各種中頻頻率上完成最後的中頻使用AD轉換
器進行數位化所有進一步處理都使用DSP技術執行
某些RSA機型可以選配基頻模式其中直接數位元化輸
入訊號而無需進行任何頻率轉換基頻訊號使用的
DSP採用的方法與射頻訊號採用的方法類似
圖 2-1 即時頻譜分析儀射頻中頻方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 10
輸入切換和發送區段
輸入切換和發送段將輸入波形分發到儀器內部的各種
訊號路徑某些RSA機型包括一條單獨的DC耦合基頻
路徑在分析低頻訊號及DC耦合IQ基頻路徑時提高了
動態範圍和準確度RSA還包括內部調整源這些調整
來源產生的訊號具有為RSA專門訂制的屬性 (PRBS校準的正弦曲線調變參考等等)這些訊號用於自行
調整程式校正系統參數溫度變化如 增益 整個擷取頻寬的振幅平坦性 整個擷取頻寬的相位線性 時間調整 觸發延遲校驗
自行調整流程與採用外部設備在原廠或服務中心進行
的校驗相結合構成了RSA所有關鍵量測規格的核心
射頻和微波區段
射頻微波段包含寬頻電路可調節輸入訊號以便其
擁有適當的位準和頻率分量達到最佳的下行串流處
理
步進衰減器
步進衰減器是由電阻衰減器連接盤和RFmicroW開關組成
的裝置用來降低寬頻訊號位準降低振幅是程式設計
確定的數量
步進衰減器執行兩個功能 1 將輸入上的RF和微波訊號位準降低到最佳的處理位
準步進衰減器還可以防止因吸收過多射頻功率導
致非常高的訊號而破壞輸入 2 在儀器的整個頻率範圍中提供了寬頻阻抗匹配這種
阻抗匹配對保持射頻訊號量測準確度至關重要為
此大多數儀器規格適用於10 dB以上的輸入衰減條
件
RSA使用的步進衰減器因設計機型而有所不同通常可
以進行程式設計以5 dB 或10 dB步進衰減0 dB至
50dB 以上
圖像抑制濾波器
RSA 提供了無圖像的頻率轉換功能可以從輸入上的
射頻和微波訊號轉換到最終中頻使用者可將各種濾波
器放在第一個混頻器前面而完成此步驟各種RSA機型
使用多階段混頻方案採用寬頻濾波器允許對整個擷
取頻寬進行無圖像轉換實現可重複的指定的振幅平坦
度和相位線性度
前置放大器
某些RSA機型包括可以選擇的前置放大器選項在訊號
路徑中的圖像抑制濾波器前增加增益這種選項改善了
RSA的雜訊係數用來分析非常弱的訊號當然在輸
入上增加增益限制了可分析的最大訊號將這個放大器
切換出訊號路徑會將分析儀的範圍恢複到正常範圍
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 11
頻率轉換中頻區段
所有 RTSA 機型均能分析集中在分析儀頻率範圍任何
位置的廣泛頻率頻帶此步驟可經由將感興趣的頻帶轉
換至固定的中頻 (進行濾波放大和縮放的位置) 來完
成此中頻訊號接著會進行數位化處理然後使用即時
和批次處理在感興趣的訊號上執行多域分析
多階段頻率轉換
頻率轉換區段的目標是將所需的頻率頻帶中的訊號忠
實地轉換為適合進行類比至數位轉換的中頻在多個轉
換超外差架構中選擇本地振盪器 (LO) 的頻率即可完
成調整如圖 2-1 所示 (第 9 頁)每個頻率轉換階段均
包含混波器 (類比倍頻器)接著是 IF 濾波和放大中
頻頻率的選擇濾波器的波形形狀增益和位準將會視
RTSA 機型而有所不同且在每個機型中皆會以儀器設
定函數進行變更以最佳化不同領域中的效能如下列 由於混波器和濾波器不完整性所產生的寄生訊號響
應 動態範圍 (可同時觀看且無誤差的最小和最大訊號) 整個即時頻寬的振幅平坦性 整個即時頻寬的相位線性 訊號與觸發路徑之間的延遲匹配
內部調整來源
在 RTSA 中針對一些在前述清單中提到的特性所取得
的效能遠遠超過實際使用類比分量的效能濾波器響
應延遲和增益會隨著溫度變化並且可能會隨著個別
儀器而有所不同RTSA 效能是由實際量測增益濾波
器的波形形狀和延遲並利用 DSP 來補償量測效能所
取得寬帶射頻分量的頻率響應和增益變化是採用已校
準的設備在原廠進行量測可溯源至國家計量機構 (如NISTNPL 和 PTB)此設備也可用於校準內部調整來
源反過來提供針對在 RTSA 所使用的時間和地點的訊
號路徑條件而調整的訊號RTSA 採用兩種內部訊號 高度準確溫度穩定的正弦訊號會用於設定基準頻率
的訊號路徑增益通常為 100 MHz此訊號是內部射
頻位準參考設定了在擷取頻寬中心的量測射頻功率
準確度 校準後的寬頻訊號會用於量測整個即時擷取頻寬的
振幅和相位響應此訊號是內部通道響應參考提供
了相關資訊以允許 DSP 補償整個擷取頻寬的振幅
相位和延遲變化
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 12
數位訊號處理 (DSP) 概念
本節包含Tektronix RSA典型主要擷取和分析模組的多
個結構圖具體實現方案視機型及特定量測功能而有所
不同為討論清楚起見其中省略了部分協助工具
即時頻譜分析儀中的數位訊號處理路徑
Tektronix RSA結合使用類比訊號處理和數位訊號處理 (DSP) 技術將射頻訊號轉換成校準的時間相關多域量
測本節將介紹RSA訊號處理流程的數位元部分
圖2-2顯示了Tektronix RSA 系列中使用的主要數位訊
號處理模組來自射頻輸入的頻段會轉換成類比中頻訊
號然後進行通帶濾波和數位化然後對取樣的資料進
行校正校正訊號路徑的振幅平坦度相位線性度和其
他不完整性某些校正會即時進行其他校正則在訊號
處理路徑較遠的下行方向進行
數位降頻轉換和壓縮過程將AD取樣點轉換成同相 (I) 和正交 (Q) 基頻訊號串流如下一頁中的圖2-3 所示所需訊號的這個IQ表示方式是所有RSA表示訊號的
基本形式然後使用DSP執行所有進一步的訊號調節
和量測RSA同時使用即時DSP和批次處理模式DSP
圖 2-2 即時頻譜分析儀數位訊號處理方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 13
中頻數位化器
Tektronix RSA一般會數位化以中頻 (IF) 為中心的一
個頻段這個頻段是可以進行即時分析的最寬的頻率範
圍在高中頻上進行數位轉換而不是在直流或基頻上
進行數位轉換具有多種訊號處理優勢 (雜散效能直
流抑制動態範圍等)選擇的取樣速率應使所需的中
頻頻寬落在Nyquist區域內如圖2-5所示取樣速率必
須至少是中頻頻寬的兩倍如果整個頻寬落在0 與121 122 32 的取樣頻率之間則可以實現取樣
而沒有人工訊號中頻濾波器的實際實現方式要求典型
的取樣速率至少是中頻頻寬的25倍
校正
RSA振幅平坦度相位線性和位準準確度等規格遠遠超
過構成訊號路徑類比射頻和中頻訊號調節部分的分量
的效能Tektronix RSA結合使用原廠校準和內部自行
調整補償訊號路徑中的類比分量變化 (溫度容限
老化等等)
原廠校驗
RSA 在輸入頻率範圍內的頻率響應在出廠時量測擷
取頻寬中心的射頻行為在某個溫度範圍內是可以預
測且在儀器老化時變化不大在原廠量測後射頻響
應儲存在校正表中校正表存放在非揮發性記憶體中
內部校準
擷取頻寬中的響應受到構成IF處理路徑的混頻器濾波
器和放大器組成的影響這些組件在RSA擷取的寬頻寬
上可能會有細顆粒的振幅和相位漣波內部對準過程量
測相對於中心頻率偏移的振幅和相位響應對準在使用
儀器的時間和地點完成可以手動觸發或相對於溫度觸
發此響應會儲存在記憶體中
校正程式
RSA校正程式將原廠中量測的射頻響應與內部對準過
程中量測的中頻響應結合在一起為一套校正濾波器產
生FIR係數補償輸入連接器和ADC之間整個路徑的振
幅平坦度和相位回應這些校正濾波器在即時數位硬體
中實現或在以軟體為基礎的DSP中實現具體視RSA機型而定並應用至數位化IQ串流中
數位降頻轉換器 (DDC)
表示通帶訊號常用且計算效率高的方式是使用波形的
複數基頻表示方式
RSA 使用Cartesian複數形式將時間取樣的資料表示
為訊號的I (同相) 和Q (正交) 基頻分量這使用數位降
頻轉換器 (DDC) 實現如圖2-3所示
圖 2-3 即時頻譜分析儀中的中頻對 IQ 轉換
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 14
一般而言DDC包含一個數位振盪器數位振盪器在感
興趣的中心頻段上產生正弦和餘弦正弦和餘弦以數字
方式乘以數位元化中頻產生I和Q基頻取樣點串流其
中包含原始中頻中包含的所有資訊DDC不僅用來將數
位化中頻訊號轉換成基頻訊號還用來在RSA中實現頻
率微調
IQ 基頻訊號
圖2-4顯示了獲得頻段並使用正交降頻轉換將其轉換
到基頻中的過程在15倍取樣頻率和取樣頻率之間的
空間中包含著原始中頻訊號取樣在零和15倍取樣頻
率之間產生這個訊號的圖像然後訊號乘以關心的傳輸
頻帶中心的相干正弦和餘弦訊號產生I和Q基頻訊號
基頻訊號是實數值在原點兩邊對稱正負頻率中包含
著同樣的資訊原始傳輸頻帶中包含的所有調變也包含
在這兩個訊號中每個訊號要求的最低取樣頻率現在是
原始頻率的一半然後可以兩兩壓縮
圖 2-4 通帶資訊會維持在 I 和 Q 內即使是採用一半的取樣率
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 9
第 2 章即時頻譜分析儀如何運作
本章提供了Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 的多個
主要擷取結構圖和分析方框圖為便於討論其中省去
了部分輔助功能
現代即時頻譜分析儀可以擷取分析儀輸入頻率範圍內
任何地方的傳輸頻帶或頻寬此功能的核心是射頻降頻
轉換器後接有一個寬頻中頻 (IF) 段ADC數位化IF訊號系統以數位元方式執行所有進一步的步驟DSP演算法執行所有訊號調節和分析功能
使用者可透過數個關鍵特點來區分即時結構是否成功 射頻訊號調節提供寬頻寬中頻路徑和高動態範圍 使用帶通濾波器而不是YIG預選濾波器在每種產
品的整個輸入頻率上同時實現無像頻幹擾頻率轉換
和寬頻量測 ADC系統能夠數位化整個即時頻寬並具有足夠的完
整性支援所需的量測
即時數位訊號處理 (DSP) 引擎啟用無間隙處理 足夠的擷取記憶體和DSP能力在所需的時間量測週
期上執行連續即時擷取 整合式訊號分析系統對待測訊號提供多個分析視
圖並在時間上相關
射頻中頻訊號調節
圖2-1是簡化的RSA RFIF方框圖帶有RSA頻率範圍
內任何頻率內容的訊號都會應用到輸入連接器上一旦
訊號進入儀器將會根據使用者選擇的分析需求發送和
調節並套用可變衰減和增益調諧使用多階段頻率轉
換及組合使用可調諧本振和固定本振 (LO) 實現模擬
濾波在各種中頻頻率上完成最後的中頻使用AD轉換
器進行數位化所有進一步處理都使用DSP技術執行
某些RSA機型可以選配基頻模式其中直接數位元化輸
入訊號而無需進行任何頻率轉換基頻訊號使用的
DSP採用的方法與射頻訊號採用的方法類似
圖 2-1 即時頻譜分析儀射頻中頻方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 10
輸入切換和發送區段
輸入切換和發送段將輸入波形分發到儀器內部的各種
訊號路徑某些RSA機型包括一條單獨的DC耦合基頻
路徑在分析低頻訊號及DC耦合IQ基頻路徑時提高了
動態範圍和準確度RSA還包括內部調整源這些調整
來源產生的訊號具有為RSA專門訂制的屬性 (PRBS校準的正弦曲線調變參考等等)這些訊號用於自行
調整程式校正系統參數溫度變化如 增益 整個擷取頻寬的振幅平坦性 整個擷取頻寬的相位線性 時間調整 觸發延遲校驗
自行調整流程與採用外部設備在原廠或服務中心進行
的校驗相結合構成了RSA所有關鍵量測規格的核心
射頻和微波區段
射頻微波段包含寬頻電路可調節輸入訊號以便其
擁有適當的位準和頻率分量達到最佳的下行串流處
理
步進衰減器
步進衰減器是由電阻衰減器連接盤和RFmicroW開關組成
的裝置用來降低寬頻訊號位準降低振幅是程式設計
確定的數量
步進衰減器執行兩個功能 1 將輸入上的RF和微波訊號位準降低到最佳的處理位
準步進衰減器還可以防止因吸收過多射頻功率導
致非常高的訊號而破壞輸入 2 在儀器的整個頻率範圍中提供了寬頻阻抗匹配這種
阻抗匹配對保持射頻訊號量測準確度至關重要為
此大多數儀器規格適用於10 dB以上的輸入衰減條
件
RSA使用的步進衰減器因設計機型而有所不同通常可
以進行程式設計以5 dB 或10 dB步進衰減0 dB至
50dB 以上
圖像抑制濾波器
RSA 提供了無圖像的頻率轉換功能可以從輸入上的
射頻和微波訊號轉換到最終中頻使用者可將各種濾波
器放在第一個混頻器前面而完成此步驟各種RSA機型
使用多階段混頻方案採用寬頻濾波器允許對整個擷
取頻寬進行無圖像轉換實現可重複的指定的振幅平坦
度和相位線性度
前置放大器
某些RSA機型包括可以選擇的前置放大器選項在訊號
路徑中的圖像抑制濾波器前增加增益這種選項改善了
RSA的雜訊係數用來分析非常弱的訊號當然在輸
入上增加增益限制了可分析的最大訊號將這個放大器
切換出訊號路徑會將分析儀的範圍恢複到正常範圍
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 11
頻率轉換中頻區段
所有 RTSA 機型均能分析集中在分析儀頻率範圍任何
位置的廣泛頻率頻帶此步驟可經由將感興趣的頻帶轉
換至固定的中頻 (進行濾波放大和縮放的位置) 來完
成此中頻訊號接著會進行數位化處理然後使用即時
和批次處理在感興趣的訊號上執行多域分析
多階段頻率轉換
頻率轉換區段的目標是將所需的頻率頻帶中的訊號忠
實地轉換為適合進行類比至數位轉換的中頻在多個轉
換超外差架構中選擇本地振盪器 (LO) 的頻率即可完
成調整如圖 2-1 所示 (第 9 頁)每個頻率轉換階段均
包含混波器 (類比倍頻器)接著是 IF 濾波和放大中
頻頻率的選擇濾波器的波形形狀增益和位準將會視
RTSA 機型而有所不同且在每個機型中皆會以儀器設
定函數進行變更以最佳化不同領域中的效能如下列 由於混波器和濾波器不完整性所產生的寄生訊號響
應 動態範圍 (可同時觀看且無誤差的最小和最大訊號) 整個即時頻寬的振幅平坦性 整個即時頻寬的相位線性 訊號與觸發路徑之間的延遲匹配
內部調整來源
在 RTSA 中針對一些在前述清單中提到的特性所取得
的效能遠遠超過實際使用類比分量的效能濾波器響
應延遲和增益會隨著溫度變化並且可能會隨著個別
儀器而有所不同RTSA 效能是由實際量測增益濾波
器的波形形狀和延遲並利用 DSP 來補償量測效能所
取得寬帶射頻分量的頻率響應和增益變化是採用已校
準的設備在原廠進行量測可溯源至國家計量機構 (如NISTNPL 和 PTB)此設備也可用於校準內部調整來
源反過來提供針對在 RTSA 所使用的時間和地點的訊
號路徑條件而調整的訊號RTSA 採用兩種內部訊號 高度準確溫度穩定的正弦訊號會用於設定基準頻率
的訊號路徑增益通常為 100 MHz此訊號是內部射
頻位準參考設定了在擷取頻寬中心的量測射頻功率
準確度 校準後的寬頻訊號會用於量測整個即時擷取頻寬的
振幅和相位響應此訊號是內部通道響應參考提供
了相關資訊以允許 DSP 補償整個擷取頻寬的振幅
相位和延遲變化
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 12
數位訊號處理 (DSP) 概念
本節包含Tektronix RSA典型主要擷取和分析模組的多
個結構圖具體實現方案視機型及特定量測功能而有所
不同為討論清楚起見其中省略了部分協助工具
即時頻譜分析儀中的數位訊號處理路徑
Tektronix RSA結合使用類比訊號處理和數位訊號處理 (DSP) 技術將射頻訊號轉換成校準的時間相關多域量
測本節將介紹RSA訊號處理流程的數位元部分
圖2-2顯示了Tektronix RSA 系列中使用的主要數位訊
號處理模組來自射頻輸入的頻段會轉換成類比中頻訊
號然後進行通帶濾波和數位化然後對取樣的資料進
行校正校正訊號路徑的振幅平坦度相位線性度和其
他不完整性某些校正會即時進行其他校正則在訊號
處理路徑較遠的下行方向進行
數位降頻轉換和壓縮過程將AD取樣點轉換成同相 (I) 和正交 (Q) 基頻訊號串流如下一頁中的圖2-3 所示所需訊號的這個IQ表示方式是所有RSA表示訊號的
基本形式然後使用DSP執行所有進一步的訊號調節
和量測RSA同時使用即時DSP和批次處理模式DSP
圖 2-2 即時頻譜分析儀數位訊號處理方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 13
中頻數位化器
Tektronix RSA一般會數位化以中頻 (IF) 為中心的一
個頻段這個頻段是可以進行即時分析的最寬的頻率範
圍在高中頻上進行數位轉換而不是在直流或基頻上
進行數位轉換具有多種訊號處理優勢 (雜散效能直
流抑制動態範圍等)選擇的取樣速率應使所需的中
頻頻寬落在Nyquist區域內如圖2-5所示取樣速率必
須至少是中頻頻寬的兩倍如果整個頻寬落在0 與121 122 32 的取樣頻率之間則可以實現取樣
而沒有人工訊號中頻濾波器的實際實現方式要求典型
的取樣速率至少是中頻頻寬的25倍
校正
RSA振幅平坦度相位線性和位準準確度等規格遠遠超
過構成訊號路徑類比射頻和中頻訊號調節部分的分量
的效能Tektronix RSA結合使用原廠校準和內部自行
調整補償訊號路徑中的類比分量變化 (溫度容限
老化等等)
原廠校驗
RSA 在輸入頻率範圍內的頻率響應在出廠時量測擷
取頻寬中心的射頻行為在某個溫度範圍內是可以預
測且在儀器老化時變化不大在原廠量測後射頻響
應儲存在校正表中校正表存放在非揮發性記憶體中
內部校準
擷取頻寬中的響應受到構成IF處理路徑的混頻器濾波
器和放大器組成的影響這些組件在RSA擷取的寬頻寬
上可能會有細顆粒的振幅和相位漣波內部對準過程量
測相對於中心頻率偏移的振幅和相位響應對準在使用
儀器的時間和地點完成可以手動觸發或相對於溫度觸
發此響應會儲存在記憶體中
校正程式
RSA校正程式將原廠中量測的射頻響應與內部對準過
程中量測的中頻響應結合在一起為一套校正濾波器產
生FIR係數補償輸入連接器和ADC之間整個路徑的振
幅平坦度和相位回應這些校正濾波器在即時數位硬體
中實現或在以軟體為基礎的DSP中實現具體視RSA機型而定並應用至數位化IQ串流中
數位降頻轉換器 (DDC)
表示通帶訊號常用且計算效率高的方式是使用波形的
複數基頻表示方式
RSA 使用Cartesian複數形式將時間取樣的資料表示
為訊號的I (同相) 和Q (正交) 基頻分量這使用數位降
頻轉換器 (DDC) 實現如圖2-3所示
圖 2-3 即時頻譜分析儀中的中頻對 IQ 轉換
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 14
一般而言DDC包含一個數位振盪器數位振盪器在感
興趣的中心頻段上產生正弦和餘弦正弦和餘弦以數字
方式乘以數位元化中頻產生I和Q基頻取樣點串流其
中包含原始中頻中包含的所有資訊DDC不僅用來將數
位化中頻訊號轉換成基頻訊號還用來在RSA中實現頻
率微調
IQ 基頻訊號
圖2-4顯示了獲得頻段並使用正交降頻轉換將其轉換
到基頻中的過程在15倍取樣頻率和取樣頻率之間的
空間中包含著原始中頻訊號取樣在零和15倍取樣頻
率之間產生這個訊號的圖像然後訊號乘以關心的傳輸
頻帶中心的相干正弦和餘弦訊號產生I和Q基頻訊號
基頻訊號是實數值在原點兩邊對稱正負頻率中包含
著同樣的資訊原始傳輸頻帶中包含的所有調變也包含
在這兩個訊號中每個訊號要求的最低取樣頻率現在是
原始頻率的一半然後可以兩兩壓縮
圖 2-4 通帶資訊會維持在 I 和 Q 內即使是採用一半的取樣率
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 10
輸入切換和發送區段
輸入切換和發送段將輸入波形分發到儀器內部的各種
訊號路徑某些RSA機型包括一條單獨的DC耦合基頻
路徑在分析低頻訊號及DC耦合IQ基頻路徑時提高了
動態範圍和準確度RSA還包括內部調整源這些調整
來源產生的訊號具有為RSA專門訂制的屬性 (PRBS校準的正弦曲線調變參考等等)這些訊號用於自行
調整程式校正系統參數溫度變化如 增益 整個擷取頻寬的振幅平坦性 整個擷取頻寬的相位線性 時間調整 觸發延遲校驗
自行調整流程與採用外部設備在原廠或服務中心進行
的校驗相結合構成了RSA所有關鍵量測規格的核心
射頻和微波區段
射頻微波段包含寬頻電路可調節輸入訊號以便其
擁有適當的位準和頻率分量達到最佳的下行串流處
理
步進衰減器
步進衰減器是由電阻衰減器連接盤和RFmicroW開關組成
的裝置用來降低寬頻訊號位準降低振幅是程式設計
確定的數量
步進衰減器執行兩個功能 1 將輸入上的RF和微波訊號位準降低到最佳的處理位
準步進衰減器還可以防止因吸收過多射頻功率導
致非常高的訊號而破壞輸入 2 在儀器的整個頻率範圍中提供了寬頻阻抗匹配這種
阻抗匹配對保持射頻訊號量測準確度至關重要為
此大多數儀器規格適用於10 dB以上的輸入衰減條
件
RSA使用的步進衰減器因設計機型而有所不同通常可
以進行程式設計以5 dB 或10 dB步進衰減0 dB至
50dB 以上
圖像抑制濾波器
RSA 提供了無圖像的頻率轉換功能可以從輸入上的
射頻和微波訊號轉換到最終中頻使用者可將各種濾波
器放在第一個混頻器前面而完成此步驟各種RSA機型
使用多階段混頻方案採用寬頻濾波器允許對整個擷
取頻寬進行無圖像轉換實現可重複的指定的振幅平坦
度和相位線性度
前置放大器
某些RSA機型包括可以選擇的前置放大器選項在訊號
路徑中的圖像抑制濾波器前增加增益這種選項改善了
RSA的雜訊係數用來分析非常弱的訊號當然在輸
入上增加增益限制了可分析的最大訊號將這個放大器
切換出訊號路徑會將分析儀的範圍恢複到正常範圍
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 11
頻率轉換中頻區段
所有 RTSA 機型均能分析集中在分析儀頻率範圍任何
位置的廣泛頻率頻帶此步驟可經由將感興趣的頻帶轉
換至固定的中頻 (進行濾波放大和縮放的位置) 來完
成此中頻訊號接著會進行數位化處理然後使用即時
和批次處理在感興趣的訊號上執行多域分析
多階段頻率轉換
頻率轉換區段的目標是將所需的頻率頻帶中的訊號忠
實地轉換為適合進行類比至數位轉換的中頻在多個轉
換超外差架構中選擇本地振盪器 (LO) 的頻率即可完
成調整如圖 2-1 所示 (第 9 頁)每個頻率轉換階段均
包含混波器 (類比倍頻器)接著是 IF 濾波和放大中
頻頻率的選擇濾波器的波形形狀增益和位準將會視
RTSA 機型而有所不同且在每個機型中皆會以儀器設
定函數進行變更以最佳化不同領域中的效能如下列 由於混波器和濾波器不完整性所產生的寄生訊號響
應 動態範圍 (可同時觀看且無誤差的最小和最大訊號) 整個即時頻寬的振幅平坦性 整個即時頻寬的相位線性 訊號與觸發路徑之間的延遲匹配
內部調整來源
在 RTSA 中針對一些在前述清單中提到的特性所取得
的效能遠遠超過實際使用類比分量的效能濾波器響
應延遲和增益會隨著溫度變化並且可能會隨著個別
儀器而有所不同RTSA 效能是由實際量測增益濾波
器的波形形狀和延遲並利用 DSP 來補償量測效能所
取得寬帶射頻分量的頻率響應和增益變化是採用已校
準的設備在原廠進行量測可溯源至國家計量機構 (如NISTNPL 和 PTB)此設備也可用於校準內部調整來
源反過來提供針對在 RTSA 所使用的時間和地點的訊
號路徑條件而調整的訊號RTSA 採用兩種內部訊號 高度準確溫度穩定的正弦訊號會用於設定基準頻率
的訊號路徑增益通常為 100 MHz此訊號是內部射
頻位準參考設定了在擷取頻寬中心的量測射頻功率
準確度 校準後的寬頻訊號會用於量測整個即時擷取頻寬的
振幅和相位響應此訊號是內部通道響應參考提供
了相關資訊以允許 DSP 補償整個擷取頻寬的振幅
相位和延遲變化
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 12
數位訊號處理 (DSP) 概念
本節包含Tektronix RSA典型主要擷取和分析模組的多
個結構圖具體實現方案視機型及特定量測功能而有所
不同為討論清楚起見其中省略了部分協助工具
即時頻譜分析儀中的數位訊號處理路徑
Tektronix RSA結合使用類比訊號處理和數位訊號處理 (DSP) 技術將射頻訊號轉換成校準的時間相關多域量
測本節將介紹RSA訊號處理流程的數位元部分
圖2-2顯示了Tektronix RSA 系列中使用的主要數位訊
號處理模組來自射頻輸入的頻段會轉換成類比中頻訊
號然後進行通帶濾波和數位化然後對取樣的資料進
行校正校正訊號路徑的振幅平坦度相位線性度和其
他不完整性某些校正會即時進行其他校正則在訊號
處理路徑較遠的下行方向進行
數位降頻轉換和壓縮過程將AD取樣點轉換成同相 (I) 和正交 (Q) 基頻訊號串流如下一頁中的圖2-3 所示所需訊號的這個IQ表示方式是所有RSA表示訊號的
基本形式然後使用DSP執行所有進一步的訊號調節
和量測RSA同時使用即時DSP和批次處理模式DSP
圖 2-2 即時頻譜分析儀數位訊號處理方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 13
中頻數位化器
Tektronix RSA一般會數位化以中頻 (IF) 為中心的一
個頻段這個頻段是可以進行即時分析的最寬的頻率範
圍在高中頻上進行數位轉換而不是在直流或基頻上
進行數位轉換具有多種訊號處理優勢 (雜散效能直
流抑制動態範圍等)選擇的取樣速率應使所需的中
頻頻寬落在Nyquist區域內如圖2-5所示取樣速率必
須至少是中頻頻寬的兩倍如果整個頻寬落在0 與121 122 32 的取樣頻率之間則可以實現取樣
而沒有人工訊號中頻濾波器的實際實現方式要求典型
的取樣速率至少是中頻頻寬的25倍
校正
RSA振幅平坦度相位線性和位準準確度等規格遠遠超
過構成訊號路徑類比射頻和中頻訊號調節部分的分量
的效能Tektronix RSA結合使用原廠校準和內部自行
調整補償訊號路徑中的類比分量變化 (溫度容限
老化等等)
原廠校驗
RSA 在輸入頻率範圍內的頻率響應在出廠時量測擷
取頻寬中心的射頻行為在某個溫度範圍內是可以預
測且在儀器老化時變化不大在原廠量測後射頻響
應儲存在校正表中校正表存放在非揮發性記憶體中
內部校準
擷取頻寬中的響應受到構成IF處理路徑的混頻器濾波
器和放大器組成的影響這些組件在RSA擷取的寬頻寬
上可能會有細顆粒的振幅和相位漣波內部對準過程量
測相對於中心頻率偏移的振幅和相位響應對準在使用
儀器的時間和地點完成可以手動觸發或相對於溫度觸
發此響應會儲存在記憶體中
校正程式
RSA校正程式將原廠中量測的射頻響應與內部對準過
程中量測的中頻響應結合在一起為一套校正濾波器產
生FIR係數補償輸入連接器和ADC之間整個路徑的振
幅平坦度和相位回應這些校正濾波器在即時數位硬體
中實現或在以軟體為基礎的DSP中實現具體視RSA機型而定並應用至數位化IQ串流中
數位降頻轉換器 (DDC)
表示通帶訊號常用且計算效率高的方式是使用波形的
複數基頻表示方式
RSA 使用Cartesian複數形式將時間取樣的資料表示
為訊號的I (同相) 和Q (正交) 基頻分量這使用數位降
頻轉換器 (DDC) 實現如圖2-3所示
圖 2-3 即時頻譜分析儀中的中頻對 IQ 轉換
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 14
一般而言DDC包含一個數位振盪器數位振盪器在感
興趣的中心頻段上產生正弦和餘弦正弦和餘弦以數字
方式乘以數位元化中頻產生I和Q基頻取樣點串流其
中包含原始中頻中包含的所有資訊DDC不僅用來將數
位化中頻訊號轉換成基頻訊號還用來在RSA中實現頻
率微調
IQ 基頻訊號
圖2-4顯示了獲得頻段並使用正交降頻轉換將其轉換
到基頻中的過程在15倍取樣頻率和取樣頻率之間的
空間中包含著原始中頻訊號取樣在零和15倍取樣頻
率之間產生這個訊號的圖像然後訊號乘以關心的傳輸
頻帶中心的相干正弦和餘弦訊號產生I和Q基頻訊號
基頻訊號是實數值在原點兩邊對稱正負頻率中包含
著同樣的資訊原始傳輸頻帶中包含的所有調變也包含
在這兩個訊號中每個訊號要求的最低取樣頻率現在是
原始頻率的一半然後可以兩兩壓縮
圖 2-4 通帶資訊會維持在 I 和 Q 內即使是採用一半的取樣率
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 11
頻率轉換中頻區段
所有 RTSA 機型均能分析集中在分析儀頻率範圍任何
位置的廣泛頻率頻帶此步驟可經由將感興趣的頻帶轉
換至固定的中頻 (進行濾波放大和縮放的位置) 來完
成此中頻訊號接著會進行數位化處理然後使用即時
和批次處理在感興趣的訊號上執行多域分析
多階段頻率轉換
頻率轉換區段的目標是將所需的頻率頻帶中的訊號忠
實地轉換為適合進行類比至數位轉換的中頻在多個轉
換超外差架構中選擇本地振盪器 (LO) 的頻率即可完
成調整如圖 2-1 所示 (第 9 頁)每個頻率轉換階段均
包含混波器 (類比倍頻器)接著是 IF 濾波和放大中
頻頻率的選擇濾波器的波形形狀增益和位準將會視
RTSA 機型而有所不同且在每個機型中皆會以儀器設
定函數進行變更以最佳化不同領域中的效能如下列 由於混波器和濾波器不完整性所產生的寄生訊號響
應 動態範圍 (可同時觀看且無誤差的最小和最大訊號) 整個即時頻寬的振幅平坦性 整個即時頻寬的相位線性 訊號與觸發路徑之間的延遲匹配
內部調整來源
在 RTSA 中針對一些在前述清單中提到的特性所取得
的效能遠遠超過實際使用類比分量的效能濾波器響
應延遲和增益會隨著溫度變化並且可能會隨著個別
儀器而有所不同RTSA 效能是由實際量測增益濾波
器的波形形狀和延遲並利用 DSP 來補償量測效能所
取得寬帶射頻分量的頻率響應和增益變化是採用已校
準的設備在原廠進行量測可溯源至國家計量機構 (如NISTNPL 和 PTB)此設備也可用於校準內部調整來
源反過來提供針對在 RTSA 所使用的時間和地點的訊
號路徑條件而調整的訊號RTSA 採用兩種內部訊號 高度準確溫度穩定的正弦訊號會用於設定基準頻率
的訊號路徑增益通常為 100 MHz此訊號是內部射
頻位準參考設定了在擷取頻寬中心的量測射頻功率
準確度 校準後的寬頻訊號會用於量測整個即時擷取頻寬的
振幅和相位響應此訊號是內部通道響應參考提供
了相關資訊以允許 DSP 補償整個擷取頻寬的振幅
相位和延遲變化
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 12
數位訊號處理 (DSP) 概念
本節包含Tektronix RSA典型主要擷取和分析模組的多
個結構圖具體實現方案視機型及特定量測功能而有所
不同為討論清楚起見其中省略了部分協助工具
即時頻譜分析儀中的數位訊號處理路徑
Tektronix RSA結合使用類比訊號處理和數位訊號處理 (DSP) 技術將射頻訊號轉換成校準的時間相關多域量
測本節將介紹RSA訊號處理流程的數位元部分
圖2-2顯示了Tektronix RSA 系列中使用的主要數位訊
號處理模組來自射頻輸入的頻段會轉換成類比中頻訊
號然後進行通帶濾波和數位化然後對取樣的資料進
行校正校正訊號路徑的振幅平坦度相位線性度和其
他不完整性某些校正會即時進行其他校正則在訊號
處理路徑較遠的下行方向進行
數位降頻轉換和壓縮過程將AD取樣點轉換成同相 (I) 和正交 (Q) 基頻訊號串流如下一頁中的圖2-3 所示所需訊號的這個IQ表示方式是所有RSA表示訊號的
基本形式然後使用DSP執行所有進一步的訊號調節
和量測RSA同時使用即時DSP和批次處理模式DSP
圖 2-2 即時頻譜分析儀數位訊號處理方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 13
中頻數位化器
Tektronix RSA一般會數位化以中頻 (IF) 為中心的一
個頻段這個頻段是可以進行即時分析的最寬的頻率範
圍在高中頻上進行數位轉換而不是在直流或基頻上
進行數位轉換具有多種訊號處理優勢 (雜散效能直
流抑制動態範圍等)選擇的取樣速率應使所需的中
頻頻寬落在Nyquist區域內如圖2-5所示取樣速率必
須至少是中頻頻寬的兩倍如果整個頻寬落在0 與121 122 32 的取樣頻率之間則可以實現取樣
而沒有人工訊號中頻濾波器的實際實現方式要求典型
的取樣速率至少是中頻頻寬的25倍
校正
RSA振幅平坦度相位線性和位準準確度等規格遠遠超
過構成訊號路徑類比射頻和中頻訊號調節部分的分量
的效能Tektronix RSA結合使用原廠校準和內部自行
調整補償訊號路徑中的類比分量變化 (溫度容限
老化等等)
原廠校驗
RSA 在輸入頻率範圍內的頻率響應在出廠時量測擷
取頻寬中心的射頻行為在某個溫度範圍內是可以預
測且在儀器老化時變化不大在原廠量測後射頻響
應儲存在校正表中校正表存放在非揮發性記憶體中
內部校準
擷取頻寬中的響應受到構成IF處理路徑的混頻器濾波
器和放大器組成的影響這些組件在RSA擷取的寬頻寬
上可能會有細顆粒的振幅和相位漣波內部對準過程量
測相對於中心頻率偏移的振幅和相位響應對準在使用
儀器的時間和地點完成可以手動觸發或相對於溫度觸
發此響應會儲存在記憶體中
校正程式
RSA校正程式將原廠中量測的射頻響應與內部對準過
程中量測的中頻響應結合在一起為一套校正濾波器產
生FIR係數補償輸入連接器和ADC之間整個路徑的振
幅平坦度和相位回應這些校正濾波器在即時數位硬體
中實現或在以軟體為基礎的DSP中實現具體視RSA機型而定並應用至數位化IQ串流中
數位降頻轉換器 (DDC)
表示通帶訊號常用且計算效率高的方式是使用波形的
複數基頻表示方式
RSA 使用Cartesian複數形式將時間取樣的資料表示
為訊號的I (同相) 和Q (正交) 基頻分量這使用數位降
頻轉換器 (DDC) 實現如圖2-3所示
圖 2-3 即時頻譜分析儀中的中頻對 IQ 轉換
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 14
一般而言DDC包含一個數位振盪器數位振盪器在感
興趣的中心頻段上產生正弦和餘弦正弦和餘弦以數字
方式乘以數位元化中頻產生I和Q基頻取樣點串流其
中包含原始中頻中包含的所有資訊DDC不僅用來將數
位化中頻訊號轉換成基頻訊號還用來在RSA中實現頻
率微調
IQ 基頻訊號
圖2-4顯示了獲得頻段並使用正交降頻轉換將其轉換
到基頻中的過程在15倍取樣頻率和取樣頻率之間的
空間中包含著原始中頻訊號取樣在零和15倍取樣頻
率之間產生這個訊號的圖像然後訊號乘以關心的傳輸
頻帶中心的相干正弦和餘弦訊號產生I和Q基頻訊號
基頻訊號是實數值在原點兩邊對稱正負頻率中包含
著同樣的資訊原始傳輸頻帶中包含的所有調變也包含
在這兩個訊號中每個訊號要求的最低取樣頻率現在是
原始頻率的一半然後可以兩兩壓縮
圖 2-4 通帶資訊會維持在 I 和 Q 內即使是採用一半的取樣率
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 12
數位訊號處理 (DSP) 概念
本節包含Tektronix RSA典型主要擷取和分析模組的多
個結構圖具體實現方案視機型及特定量測功能而有所
不同為討論清楚起見其中省略了部分協助工具
即時頻譜分析儀中的數位訊號處理路徑
Tektronix RSA結合使用類比訊號處理和數位訊號處理 (DSP) 技術將射頻訊號轉換成校準的時間相關多域量
測本節將介紹RSA訊號處理流程的數位元部分
圖2-2顯示了Tektronix RSA 系列中使用的主要數位訊
號處理模組來自射頻輸入的頻段會轉換成類比中頻訊
號然後進行通帶濾波和數位化然後對取樣的資料進
行校正校正訊號路徑的振幅平坦度相位線性度和其
他不完整性某些校正會即時進行其他校正則在訊號
處理路徑較遠的下行方向進行
數位降頻轉換和壓縮過程將AD取樣點轉換成同相 (I) 和正交 (Q) 基頻訊號串流如下一頁中的圖2-3 所示所需訊號的這個IQ表示方式是所有RSA表示訊號的
基本形式然後使用DSP執行所有進一步的訊號調節
和量測RSA同時使用即時DSP和批次處理模式DSP
圖 2-2 即時頻譜分析儀數位訊號處理方框圖
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 13
中頻數位化器
Tektronix RSA一般會數位化以中頻 (IF) 為中心的一
個頻段這個頻段是可以進行即時分析的最寬的頻率範
圍在高中頻上進行數位轉換而不是在直流或基頻上
進行數位轉換具有多種訊號處理優勢 (雜散效能直
流抑制動態範圍等)選擇的取樣速率應使所需的中
頻頻寬落在Nyquist區域內如圖2-5所示取樣速率必
須至少是中頻頻寬的兩倍如果整個頻寬落在0 與121 122 32 的取樣頻率之間則可以實現取樣
而沒有人工訊號中頻濾波器的實際實現方式要求典型
的取樣速率至少是中頻頻寬的25倍
校正
RSA振幅平坦度相位線性和位準準確度等規格遠遠超
過構成訊號路徑類比射頻和中頻訊號調節部分的分量
的效能Tektronix RSA結合使用原廠校準和內部自行
調整補償訊號路徑中的類比分量變化 (溫度容限
老化等等)
原廠校驗
RSA 在輸入頻率範圍內的頻率響應在出廠時量測擷
取頻寬中心的射頻行為在某個溫度範圍內是可以預
測且在儀器老化時變化不大在原廠量測後射頻響
應儲存在校正表中校正表存放在非揮發性記憶體中
內部校準
擷取頻寬中的響應受到構成IF處理路徑的混頻器濾波
器和放大器組成的影響這些組件在RSA擷取的寬頻寬
上可能會有細顆粒的振幅和相位漣波內部對準過程量
測相對於中心頻率偏移的振幅和相位響應對準在使用
儀器的時間和地點完成可以手動觸發或相對於溫度觸
發此響應會儲存在記憶體中
校正程式
RSA校正程式將原廠中量測的射頻響應與內部對準過
程中量測的中頻響應結合在一起為一套校正濾波器產
生FIR係數補償輸入連接器和ADC之間整個路徑的振
幅平坦度和相位回應這些校正濾波器在即時數位硬體
中實現或在以軟體為基礎的DSP中實現具體視RSA機型而定並應用至數位化IQ串流中
數位降頻轉換器 (DDC)
表示通帶訊號常用且計算效率高的方式是使用波形的
複數基頻表示方式
RSA 使用Cartesian複數形式將時間取樣的資料表示
為訊號的I (同相) 和Q (正交) 基頻分量這使用數位降
頻轉換器 (DDC) 實現如圖2-3所示
圖 2-3 即時頻譜分析儀中的中頻對 IQ 轉換
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 14
一般而言DDC包含一個數位振盪器數位振盪器在感
興趣的中心頻段上產生正弦和餘弦正弦和餘弦以數字
方式乘以數位元化中頻產生I和Q基頻取樣點串流其
中包含原始中頻中包含的所有資訊DDC不僅用來將數
位化中頻訊號轉換成基頻訊號還用來在RSA中實現頻
率微調
IQ 基頻訊號
圖2-4顯示了獲得頻段並使用正交降頻轉換將其轉換
到基頻中的過程在15倍取樣頻率和取樣頻率之間的
空間中包含著原始中頻訊號取樣在零和15倍取樣頻
率之間產生這個訊號的圖像然後訊號乘以關心的傳輸
頻帶中心的相干正弦和餘弦訊號產生I和Q基頻訊號
基頻訊號是實數值在原點兩邊對稱正負頻率中包含
著同樣的資訊原始傳輸頻帶中包含的所有調變也包含
在這兩個訊號中每個訊號要求的最低取樣頻率現在是
原始頻率的一半然後可以兩兩壓縮
圖 2-4 通帶資訊會維持在 I 和 Q 內即使是採用一半的取樣率
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 13
中頻數位化器
Tektronix RSA一般會數位化以中頻 (IF) 為中心的一
個頻段這個頻段是可以進行即時分析的最寬的頻率範
圍在高中頻上進行數位轉換而不是在直流或基頻上
進行數位轉換具有多種訊號處理優勢 (雜散效能直
流抑制動態範圍等)選擇的取樣速率應使所需的中
頻頻寬落在Nyquist區域內如圖2-5所示取樣速率必
須至少是中頻頻寬的兩倍如果整個頻寬落在0 與121 122 32 的取樣頻率之間則可以實現取樣
而沒有人工訊號中頻濾波器的實際實現方式要求典型
的取樣速率至少是中頻頻寬的25倍
校正
RSA振幅平坦度相位線性和位準準確度等規格遠遠超
過構成訊號路徑類比射頻和中頻訊號調節部分的分量
的效能Tektronix RSA結合使用原廠校準和內部自行
調整補償訊號路徑中的類比分量變化 (溫度容限
老化等等)
原廠校驗
RSA 在輸入頻率範圍內的頻率響應在出廠時量測擷
取頻寬中心的射頻行為在某個溫度範圍內是可以預
測且在儀器老化時變化不大在原廠量測後射頻響
應儲存在校正表中校正表存放在非揮發性記憶體中
內部校準
擷取頻寬中的響應受到構成IF處理路徑的混頻器濾波
器和放大器組成的影響這些組件在RSA擷取的寬頻寬
上可能會有細顆粒的振幅和相位漣波內部對準過程量
測相對於中心頻率偏移的振幅和相位響應對準在使用
儀器的時間和地點完成可以手動觸發或相對於溫度觸
發此響應會儲存在記憶體中
校正程式
RSA校正程式將原廠中量測的射頻響應與內部對準過
程中量測的中頻響應結合在一起為一套校正濾波器產
生FIR係數補償輸入連接器和ADC之間整個路徑的振
幅平坦度和相位回應這些校正濾波器在即時數位硬體
中實現或在以軟體為基礎的DSP中實現具體視RSA機型而定並應用至數位化IQ串流中
數位降頻轉換器 (DDC)
表示通帶訊號常用且計算效率高的方式是使用波形的
複數基頻表示方式
RSA 使用Cartesian複數形式將時間取樣的資料表示
為訊號的I (同相) 和Q (正交) 基頻分量這使用數位降
頻轉換器 (DDC) 實現如圖2-3所示
圖 2-3 即時頻譜分析儀中的中頻對 IQ 轉換
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 14
一般而言DDC包含一個數位振盪器數位振盪器在感
興趣的中心頻段上產生正弦和餘弦正弦和餘弦以數字
方式乘以數位元化中頻產生I和Q基頻取樣點串流其
中包含原始中頻中包含的所有資訊DDC不僅用來將數
位化中頻訊號轉換成基頻訊號還用來在RSA中實現頻
率微調
IQ 基頻訊號
圖2-4顯示了獲得頻段並使用正交降頻轉換將其轉換
到基頻中的過程在15倍取樣頻率和取樣頻率之間的
空間中包含著原始中頻訊號取樣在零和15倍取樣頻
率之間產生這個訊號的圖像然後訊號乘以關心的傳輸
頻帶中心的相干正弦和餘弦訊號產生I和Q基頻訊號
基頻訊號是實數值在原點兩邊對稱正負頻率中包含
著同樣的資訊原始傳輸頻帶中包含的所有調變也包含
在這兩個訊號中每個訊號要求的最低取樣頻率現在是
原始頻率的一半然後可以兩兩壓縮
圖 2-4 通帶資訊會維持在 I 和 Q 內即使是採用一半的取樣率
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 14
一般而言DDC包含一個數位振盪器數位振盪器在感
興趣的中心頻段上產生正弦和餘弦正弦和餘弦以數字
方式乘以數位元化中頻產生I和Q基頻取樣點串流其
中包含原始中頻中包含的所有資訊DDC不僅用來將數
位化中頻訊號轉換成基頻訊號還用來在RSA中實現頻
率微調
IQ 基頻訊號
圖2-4顯示了獲得頻段並使用正交降頻轉換將其轉換
到基頻中的過程在15倍取樣頻率和取樣頻率之間的
空間中包含著原始中頻訊號取樣在零和15倍取樣頻
率之間產生這個訊號的圖像然後訊號乘以關心的傳輸
頻帶中心的相干正弦和餘弦訊號產生I和Q基頻訊號
基頻訊號是實數值在原點兩邊對稱正負頻率中包含
著同樣的資訊原始傳輸頻帶中包含的所有調變也包含
在這兩個訊號中每個訊號要求的最低取樣頻率現在是
原始頻率的一半然後可以兩兩壓縮
圖 2-4 通帶資訊會維持在 I 和 Q 內即使是採用一半的取樣率
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 15
抽取
奈奎斯特定理指出對於基頻訊號只需在取樣時所採
用的速率等於感興趣的最高頻率的兩倍即可針對帶通
訊號則需要以至少為頻寬的兩倍的速率進行取樣若
所需的頻寬小於最大值時取樣率可能會降低取樣率
降低或抽取可用於平衡頻寬處理時間記錄長度和記
憶體的使用例如Tektronix RSA5100B 系列在 AD轉換器上採用了 400 MSs 的取樣速率來數位元化 165 MHz 的擷取頻寬或頻距I 和 Q 記錄了 DDC 後的結果
針對此 165 MHz 擷取頻寬的濾波和抽取作業是以原使
有效取樣速率的一半速率 (即 200 MSs) 來進行取樣
的總數量不變我們留下兩組取樣每個都是以 200 MSs 的有效速率進行而不是以 400 MSs 進行的單一
取樣組針對相等的取樣數量若採用較窄的擷取頻寬
或頻距來進行進一步的抽取將會導致較長的時間記
錄較低的有效取樣速率的缺點是時間解析度會縮減
其優點則是分析時可使用較少的運算作業且針對給定
的時間記錄會使用較少的記憶體
抽取濾波
抽取時還必須遵守尼奎斯特要求如果資料速率降低一
倍數位訊號的頻寬也必須降低一倍這必須使用數位
濾波器在降低取樣率之前完成以避免產生假像
Tektronix RTSA 中使用了許多抽取位準每個位準均包
含一個數位濾波器以減少取樣數量抽取和濾波的其
他優點是採用降低的頻寬即可降低雜訊這種雜訊減少
的狀況通常稱為處理增益
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 16
將時域波形轉換為頻域波形
頻譜分析也稱為「傅立葉分析」可分隔輸入訊號的不
同頻率分量典型的頻譜分析儀顯示器上會繪出個別的
頻率分量與頻率的位準曲線圖開始和停止頻率之間的
差距即為頻距
當重複離散傅立葉轉換 (DFT) 以在輸入訊號後緊接著
進行訊號處理 (如圖 2-5) 的方式執行頻譜分析即視
為即時模式重複傅立葉轉換也可用於探索擷取和分
析頻域中的偶發暫態事件即使不嚴格滿足即時模式的
要求
圖 2-5 以 DFT 為基礎的頻譜分析儀和使用帶通濾波器排的等效實作
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 17
即時頻譜分析
針對歸類為即時的頻譜分析必須無限期且無間隙地處
理所有包含在感興趣頻距內的資訊RTSA 必須取得時
域波形內所包含的所有資訊並將其轉換為頻域訊號若
要即時執行此步驟您將需要幾個重要的訊號處理要
求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的奈奎斯
特 (Nyquist) 標準 足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以超過感興趣的 RBW 奈奎
斯特標準 若 DFT 速率要超過 RBW Nyquist 標準將要求重疊
的 DFT 訊框 - 重疊的量取決於視窗函數 - 視窗函數由 RBW 確定
如 Tektronix5100 和 6100 系列等現今 RTSA 可符合上
述頻率遮罩觸發 (FMT) 的頻距即時要求 (可達其最大
即時擷取頻寬)因此頻域事件上的觸發應考量在所
選擷取頻寬中所包含的所有資訊
RSA306 和即時分析
雖 然 Tektronix RSA306 USB 頻 譜 分 析 儀 搭 配
SignalVu-PC 無法以傳入資料速率來執行無間隙的資
料處理但可以 ADC 的 112MHz 取樣速率來擷取和傳
遞降頻轉換射頻取樣SignalVu-PC 可以將此資料即時
儲存至快速固態硬碟但在筆記型電腦處理器上執行的
軟體則無法即時處理並顯示所有經由 DFT 收到的資
料不過儀器隨附的 RSA306 API 軟體則可將此資料
即時傳送至另一個程式若該程式有效率且是在強大
處理器上執行則 RSA306 硬體和處理器的組合將可視
為真正的即時分析儀此外SignalVu-PC 可以讀取錄
製的無間隙資料並在沒有遺失取樣的資料組上進行離
線分析
探索和擷取暫態事件
快速重複傅立葉轉換的另一個應用是探索擷取和觀察
頻域中的偶發事件一個實用規格是以100 機率擷取
單個不重複事件的最小事件週期最小事件定義為在指
定準確度能夠以100 確定性擷取的最窄矩形脈衝可
以偵測更窄的事件但準確度和機率可能會下降探
索擷取和分析暫態事件要求 足夠的擷取頻寬以支援感興趣訊號的分析作業 足夠高的 ADC 時脈速率以超過擷取頻寬的 Nyquist 標準
足夠長的分析間隔以支援感興趣的最窄解析度頻寬 (RBW)
足夠快的 DFT 轉換速率以支援最短的事件持續時
間
以每秒 3125M 頻譜的速度RSA5100 系列中的 DPX頻譜模式可百分之百以完整準確度規格偵測到短至
043 微秒的射頻脈衝具有每秒 50 次掃頻速度的掃頻
頻譜分析儀 (SA) 要求脈衝長於 20ms才能百分之百
以完整準確度進行偵測
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 18
圖 2-6 頻譜頻譜圖和掃頻
將 RTSA 與掃頻頻譜分析儀建立關聯
考慮如前一頁所描述的 RTSA 系統感興趣的通帶降頻
轉換至中頻並經過數位化處理時域取樣經過數位轉換
為包含 I (相位內) 和 Q (正交) 取樣序列的基頻記錄
DFT 會在 IQ 記錄段上依次執行產生隨時間變動的頻
率佔用數學表示式如圖 2-5 (第 16 頁) 所示
獲得等間隔順序DFT在數學運算上相當於使輸入訊號
通過一群帶通濾波器然後在每個濾波器輸出上對振幅
和相位取樣頻域行為隨時間變化情況可以表示為頻譜
圖如圖2-6所示其中水平軸是頻率垂直軸是時間
振幅用顏色表示即時DFT以計算新頻譜的速率高效地
對全部進入訊號取樣在FFT執行的時間段上所發生的
事件將會遺失RTSA會執行以硬體為基礎的DFT並
經常以最快的取樣率在重疊時間段上執行轉換可減少
或消除「空載時間」
與此相反SA 在任何給時序間均會調諧至單一的頻
率當掃頻沿著圖 2-6 中的對角線進展時頻率即會變
更當掃頻減慢時線的斜率會變得更陡使得頻譜分析
儀在零頻距的函數可表示為一條垂直線表示儀器調諧
為在時間進展時的單一頻率圖 2-6 也顯示了掃頻如何
遺漏暫態事件例如所述的單一頻率跳頻
如需頻率頻距大於即時頻寬的 RTSA 量測討論資訊請
參閱第 3 章
即時頻譜分析儀上的 RBW
頻率解析度是一個重要的頻譜分析儀規格在我們試圖
量測頻率相距很近的訊號時頻率解析度決定著頻譜分
析儀區分這些訊號的能力在傳統頻譜分析儀上中頻
濾波器頻寬決定著解析相鄰訊號的能力也稱為解析度
頻寬 (RBW)例如為解析振幅相等但頻率相距100 kHz的兩個訊號RBW需小於100 kHz
對於採用離散頻率變化 (DFT) 技術的頻譜分析儀
RBW 與擷取時間成反比在相同的取樣頻率下若要
達成更小的濾波器頻寬需要更多樣本另外視窗化
也會影響 RBW
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 19
圖 2-7 取樣時域訊號的三個訊框
視窗化
離散傅立葉轉換 (DFT) 分析的數學計算本身有一個假
設即要處理的資料是週期性重複的訊號的一個週期
圖 2-7 描繪了一系列時域樣點例如在對圖 2-7 中的
第二個訊框應用 DFT 處理時將對訊號進行週期性擴
展多個連續訊框之間一般會發生不連續點如圖 2-8所示
這些假訊號不連續點產生原始訊號中不存在的頻譜假
訊號這一效應會產生訊號的不準確表示結果稱為頻
譜洩漏頻譜洩漏不僅在輸入中產生輸入中不存在的訊
號還會降低附近有大訊號時觀察小訊號的能力
Tektronix 即時頻譜分析儀應用視窗技術降低頻譜洩
漏的影響在執行 DFT 之前先逐個樣點以相同長度
將 DFT 訊框乘以視窗函數視窗函數通常呈鐘形減
少或消除了 DFT 訊框尾的不連續點
圖 2-8 一個訊框中定期擴展樣點導致的不連續點
視窗函數的選擇取決於頻率響應特性如旁瓣 (side-lobe) 位準等效雜訊頻寬和振幅誤差視窗形狀
還可決定有效的 RBW 濾波
與其他頻譜分析儀一樣RTSA 允許使用者選擇 RBW濾波器RTSA 還允許使用者在多個常用視窗類型之間
進行選擇並增加了直接指定視窗形狀的靈活能力使
用者可以最佳化特定量測例如應特別注意脈衝或暫
態射頻訊號的頻譜分析若脈衝持續時間短於視窗長
度則應使用 Uniform 視窗 (未視窗化) 以避免 DFT 訊
框兩端的解加強效應如需有關此主題的進一步資訊
請參閱 Tektronix 入門手冊「瞭解即時頻譜分析儀上的
FFT 重疊處理」(37T-18839)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 20
圖 2-9 時域 (水平為時間取樣垂直為線性刻度) 中的
Kaiser 視窗 (beta 167)
視窗函數的率頻響應振幅決定著 RBW 形狀RBW 定義為 3 dB 頻寬與 DFT 中取樣頻率和樣點數的相對
關係如下
方程式 1
方程式 2
其中 k 是與視窗有關的係數N 是 DFT 計算中使用
的時域樣點數Fs 是取樣頻率對 Kaiser 視窗 (beta1 = 167)k 約為 223RBW 形狀因數定義為 60 dB 和
3 dB 時的頻譜振幅的頻率比約為 41 在
RSA51006100 上頻譜分析量測使用公式 2根據輸
入頻距和 RBW 設定計算 DFT 要求的樣點數量
圖 2-9 和圖 2-10 顯示了頻譜分析中使用的 Kaiser 視窗的時域和頻譜這是 RSA51006100 在頻譜分析中
使用的預設視窗使用者還可以選擇其他視窗 (如Blackman-HarrisUniformHanning)滿足特殊的量
測要求在執行儀器中提供的部分量測時儀器也可以
使用這些視窗
圖 2-10 Kaiser 視窗 (beta 167) 的頻譜水平刻度單位為
頻率箱 (FsN)垂直刻度為 dB
即時頻譜分析儀中的離散傅立葉轉換 (DFT)
DFT 的定義如下
這是即時頻譜分析儀的基礎用來從輸入序列x(n) 中估
算各個頻率分量x(k)DFT以區塊為基礎N是每個DFT 區塊 (或訊框) 的樣點數輸入序列x(n) 是輸入訊號x(t) 的取樣版本儘管只為n的整數值定義輸入序列但輸
出是k的連續函數其中k= (Nω) (2π)ω是弧度頻率
X[k]的振幅表示x(n)輸入序列中存在的頻率ω上頻率分
量的振幅
有許多高效的DFT計算方法如快速傅立葉轉換 (FFT) 和Chirp-Z轉換 (CZT)實作方法的選擇取決於應用的
特定需求例如CZT在選擇頻率範圍和輸出點數方面
要比FFT靈活FFT的靈活性較差但要求的計算較少
RSA中同時使用CZT和FFT
[參考 1] Oppenheim AV和 RW Schafer Discrete-time Signal Processing Prentice-Hall 1989 p 453
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 21
圖 2-11 輸入訊號
圖 2-12 x (n) 的 DFT 持續評估
解析頻率分量的能力不僅依賴於特定的DFT實作方
案還取決於輸入序列的時間長度或RBW
為了說明DFT與FFT 及CZT的關係我們將分析一個取
樣的連續波 (CW) 訊號為清楚起見我們將使用實
數值的正弦波x(t) 作為輸入訊號 (圖2-12)x(t) 的取樣
版本是x(n)在這種情況下N = 16取樣速率是20 Hz
圖2-13 顯示了對0 le k lt NDFT的求解結果注意
對 ω gt π (f gt 10 Hz)X[k] 的振幅是上半部分的鏡
像這是實數值輸入序列x(n) 的結果在實踐中在分
析實際輸入訊號時會丟掉 (或不計算) π lt ω lt 2π 的
結果對複數輸入對0 leω lt 2π (0 le f lt 20 Hz) 可以
獲得唯一的結果
圖 2-13 x (n) 的 FFTFFT 的長度 = N = x (n) 的長度
圖 2-14 x (n) 的CZT
FFT 返回X[k] 的N個等間隔頻域樣點X[k] 的振幅如
圖2-13所示注意FFT返回的取樣點可能會漏掉X[k] 的振幅峰值
CZT可以返回帶有任意開始頻率和結束頻率的M個頻
域取樣點 (圖2-14)請注意CZT不會改變DFT的底層
頻域輸出只會提取與FFT不同的一套頻域取樣點
使用CZT的優勢是可以任意選擇頻域中第一個樣點和
最後一個取樣點的頻率而不依賴於輸入取樣速率通
過任意控制輸入取樣速率以便FFT的輸出得到與CZT相同的輸出取樣點也可以獲得相同的結果在這兩種
情況下最終結果是相同的選擇純粹是實作問題取
決於要求和可用的硬體這兩種方案都可能都是較佳的
解決方案
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 22
圖 2-15 低通濾波器的頻率響應
數位濾波
有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
許多應用中都會使用頻率濾波器來選擇一些頻率並拒
絕其他的頻率傳統的濾波器是採用類比電路元件 (RLC)DSP 則是以數學方式來選擇頻率以增強或減
弱常見的數學實作是有限脈衝響應 (FIR) 濾波器
RSA 則廣泛使用 FIR 濾波器除了通常的訊號調節應
用會要求通過或拒絕特定的頻帶FIR 濾波器也會用於
針對類比訊號路徑不完整性進行調整內部產生的調整
資料是結合了儲存的原廠校驗資料利用補償類比訊號
路徑頻率響應的響應來建立 FIR 濾波器串接類比和數
位路徑可產生平坦的振幅響應和線性相位
圖 2-16 圖 2-15 中的低通濾波器的脈衝響應
頻率響應與脈衝響應
傅立葉轉換理論說明瞭頻域和的時域之間的等效性並
進一步告訴我們裝置的轉換函數通常表示為隨著頻率
變化的振幅和相位響應相當於隨著時間變化的脈衝響
應FIR 濾波器會以離散時間近似值 (具有有限的持續
時間) 來模擬所需濾波器轉換函數的脈衝響應然後會
利用濾波器的脈衝響應來迴旋輸入訊號以執行訊號濾
波
圖 2-15 顯示低通濾波器轉換函數的振幅圖 2-16 顯示其脈衝響應
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 23
圖 2-17 濾波器乘以其頻率響應
數值迴旋
頻域經常用於分析線性系統 (如濾波器) 的響應訊號
是以其頻率內容來表示在濾波器輸出的訊號頻譜是由
輸入訊號頻譜乘以濾波器的頻率響應計算而得圖 2-17說明瞭此頻域的運作方式
圖 2-18 時域中的迴旋相當於頻域中的倍增
傅立葉理論指出在頻域中倍增相當於時域中的迴旋
上述的頻域倍增相當於使用濾波器脈衝響應迴旋輸入
訊號的時域表示如圖 2-18 所示
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 24
所有頻率濾波器均包括使用的記憶體元件電容和電感
器 (在類比濾波器中使用的共同反應性元件) 具有記憶
體因為其在電路中的輸出取決於當前的輸入及之前的
輸入離散時間濾波器可以用實際記憶體元件構成如
圖 2-19 所示
下方暫存器用於儲存濾波器脈衝響應的值較早的取樣
在右側和較新的取樣在左側上方暫存器用於將每個時
脈週期的輸入訊號從左移至右 (一個偏移)每個相對應
暫存器的內容會相乘且每個時脈週期的所有所得乘積
將會合計總和的結果即是濾波的訊號
圖 2-19 離散時間數值迴旋
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 25
總而言之RTSA在頻譜分析中極度依賴數位訊號處
理適用於RTSA的DSP要點包括
RSA51006100分析儀使用FFT和CZT組合來實現頻
譜顯示
FFT的計算效率更高可以實現更快的變換速率而
CZT要更加靈活可以為一套固定的輸入取樣點提供
可變的解析頻寬
透過在執行傅立葉轉換前對時域訊號應用最佳化的
視窗函數可以實現解析頻寬 (RBW) 形狀RBW 由3 dB頻寬和60 dB3 dB形狀係數指定指定方式與類
比實作方案相同一般來說數位實作的濾波器的形
狀係數要低於(更清晰) 類比實作方案可以更簡便地
解析相距很近的振幅差異很大的訊號
透過應用最佳化的視窗函數其他形狀係數可以用於
特定應用
RSA306 RTSA 在選擇頻譜長度和解析度頻寬時使用
CZTS 以取得最大的靈活性此儀器中的 DSP 處理
是在 PC 主機上的軟體內實作能在可攜式儀器中執
行極低功率的操作相較於專用的硬體目前筆記型
電腦中的處理功率較慢所以脈衝的 100訊號攔截
機率會限制於超過 100 us 的脈衝隨著可攜式電腦
處理功率增加 (包括 GPU 的實作以取得快速圖形處
理功能)此數量將會減少
在本節中我們可以看到數位實作的校正和濾波是置入
RSA要求的高變換速率的關鍵因素在下一節中我們
將考察如何在RSA提供的獨特顯示畫面mdash數位螢光頻
譜顯示中有效使用這些濾波器
DPXTM 技術革命性的訊號探索的工具
Tektronix已獲專利的數位螢光技術或DPX揭示了傳統
頻譜分析儀和VSA 完全漏掉的訊號細節 (圖2-20)DPX 頻譜的即時射頻顯示技術顯示了您以前沒有見過
的訊號使用者可以立即查看訊號有效地加快探索和
診斷問題的速度DPX 是所有Tektronix RTSA的標配
功能
圖2-20 ab 比較(a) 掃頻分析儀在120秒後的MaxHold 曲線(b) Tektronix即時頻譜分析儀在20秒後的DPX點陣圖
MaxHold軌跡
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 26
數位螢光顯示器
「數位螢光」名稱源自於陰極射線管 (CRT) 內部的螢
光塗層CRT 用於舊型電視顯示器電腦螢幕和測試
設備的技術其電子束是直接由輸入波形控制當螢光
受電子束激發時會發出螢光照亮了由電子流所繪製的
路徑
由於液晶顯示器 (LCD) 具備了較小的深度較低的功
率要求和其他優點所以在大多數應用中已取代了
CRT不過若結合 CRT 中的螢光塗層和向量繪圖功
能則可提供幾個重要的優勢
持續累積即使在電子束已經通過後螢光仍會繼續發
光通常螢光消失的速度夠快不會讓觀眾認為影像
停滯但仍需要暫留以讓人眼可偵測到該事件否則
顯示時間過短將可能會讓觀眾無法看到影像
比例性當電子束通過螢光塗層螢幕上的點的速度越
慢所產生的光就越亮當電子束撞擊次數更加頻繁
時光點的亮度也會增加使用者可直觀地知道如何解
釋這個 z 軸資訊明亮的軌跡部分表示頻繁發生的事件
或較慢的電子束運動而暗淡的軌跡結果則表示偶發事
件或快速移動的電子束在 DPX 顯示器中可使用色
彩和亮度來提供 z 軸的強調結果
採用 LCD 和數位訊號路徑的儀器並非自然就具備持續
累積和比例性等優勢在我們產業領先的數位示波器及
現在推出的 RTSA 中採用了 Tektronix 所開發的數位螢
光技術不僅實現可變持續 CRT 的類比益處甚至達
到了更好的效能如強度等級可選擇的顏色方案和統
計軌跡等數位增強功能可在更短的時間內傳達更多的
資訊
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 27
DPX 顯示引擎
簡略而言「每秒會執行數千次的頻譜量測並以即時
速度更新螢幕畫面」就是 DPX 技術在 RTSA 中所扮演
的角色每一秒都會進行數千次的擷取作業並將其轉化
成頻譜如此高的轉化率即是偵測偶發事件的關鍵但
LCD 卻無法跟上此速度且這也遠遠超出了人眼所能感
知的範圍所以傳入的頻譜會以全速寫入點陣圖資料
庫再以可視的速率轉移至螢幕畫面將點陣圖資料庫
繪製為密集的網格 (將頻譜圖分割為代表軌跡振幅值
的行和代表頻率軸上點的列所建立)在此網格中的每
個單元均包含被傳入頻譜擊中的次數數位螢光將會追
蹤這些計數以實行比例性技術如此您就可以在視覺上
將罕見的暫態事件與正常訊號和背景雜訊區分開
在 RTSA 中的實際 3-D 資料庫包含了數百個列和行不
過此處我們將使用一個 11X10 矩陣來說明這個概念
圖 2-21 左側的圖顯示在單一頻譜映射後該資料庫單元
格中可能包含的內容空白單元格包含零值這意味著
沒有頻譜點落入其中
發生次數 顏色
0 黑色 1 藍色 2 淺藍色 3 青色 4 藍綠色 5 綠色 6 黃色 7 橘色 8 橘紅色 9 紅色
圖 2-22 顏色映射演算法範例
在額外 8 個頻譜轉換已執行並將其結果儲存在單元格
內後右側網格會顯示簡化的資料庫中可能包含的值
若缺少訊號則 9 個頻譜中的其中一個即會進行計算
並將會顯示字串「1」(代表基準雜訊)
當我們將發生次數值映射至色階時資料即會轉變成資
訊圖 2-22 中的表顯示了此範例所採用的顏色映射演
算法暖色系 (紅橘黃色) 表示發生較多次您也
可以使用其他強度分級方案
圖 2-21 在 1 (左) 和 9 (右) 更新後的 3-D 點陣圖資料庫範例請注意每一列都包含相同的「擊中」總數量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 28
在圖 2-23 中左圖是根據 9 個頻譜寫入次數繪製資料
庫儲存格顏色的結果在螢幕上顯示這些彩色儲存格
每個圖元一個單元可以產生壯觀的 DPX 顯示如右
圖所示
持續累積
例如在RSA5100系列中每秒有超過3百萬個頻譜進
入資料庫在高達150000個輸入頻譜的每個訊框的末
尾 (約每秒20次)點陣圖資料庫傳送出去進一步處
理然後進行顯示來自新訊框的資料則開始填充點陣
圖
為實作持續累積DPX引擎可以保持現有數量在新頻
譜中到達時增加資料而不是在每個新訊框開始時將點
陣圖資料庫數量清為零在所有訊框中保持全部數量詞
是「無限持續累積」如果每個數量只有一部分傳送到
下一個訊框則稱為「可變持續累積」透過調節比重
可以改變訊號事件從資料庫衰落及從顯示幕上衰落所
需的時間長度
想像一個訊號在數位元螢光引擎運行過程中只彈出一
次此外假設在一個訊框全部的頻譜更新中都存在這
個訊號同時假設可變持續累積係數在每個訊框後面導
致25的衰減其影響的單元值將從150000開始並
全力顯示在一個訊框之後發生次數值變成75000在另一個訊框之後發生次數值變成37500然後越來
越小直到看不見了在螢幕上使用者最初會看到一
條明亮的軌跡尖峰位於訊號頻率上發生訊號的軌跡
部分最終衰落在此期間圖元在低於衰落訊號的雜訊
位準以下開始變亮最後在顯示幕中只有一條基線軌
跡 (如下一頁圖2-24所示)
圖2-23 色碼標示的低解析度實例其中包括溫度點陣圖 (左)並顯示了頻譜點陣圖和實際DPX 畫面 (右)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 29
持續累積提供了特別重要的疑難排解工具實現了
MaxHold 及其他功能的所有優勢為確定是否有間歇
性訊號或偶爾發生頻率或振幅漂移使用者可以啟動無
限持續累積讓RSA連續運行在使用者回到儀器旁邊
時不僅可看到每個頻點的最高位準還可看到最低位
準及之間的任何點一旦已經發現存在暫態行為或侵入
訊號使用者可以使用可變持續累積詳細地檢定問題
統計直線軌跡
彩色點陣圖是DPX頻譜的標誌性軌跡但DPX 也產生
統計直線軌跡使用者查詢資料庫內容獲得每個頻率
列中記錄的最高振幅值最低振幅值和平均振幅值得
到的三個軌跡偵測是+Peak -Peak和Average (圖2-25)
+Peak 和-Peak 軌跡即時清楚地顯示訊號的最大值和
最小值平均值偵測確定每個頻點上訊號的中間值可
以儲存和還原所有這三條軌跡作為參考軌跡使用
與普通頻譜軌跡一樣可以在連續擷取中累加DPX直線
軌跡得到MaxHoldMinHold和Average軌跡函數
在DPX +Peak軌跡上使用Hold的方式幾乎與普通頻譜
分析儀上的MaxHold軌跡完全相同但有一個重要差異
是DPX 曲線的更新速率要高出幾個量級
DPX 轉換引擎
那麼這些頻譜是如何產生的呢除大多數量測使用的
軟體批次處理及使用相同的輸入IQ資料串流外還有一
個以硬體為基礎的計算引擎專門進行連續的即時訊號
處理這一子系統支援即時功能如功率位準觸發頻
率遮罩觸發等等還以足夠快的速度執行DFT產生
DPX顯示系統使用的頻譜速率
如需有關 DPX 顯示技術的資訊請參閱應用摘要 37T-19638「頻譜分析儀的 DPX 擷取技術基礎知識」
圖2-24 在可變持續累積中DPX 擷取的簡單CW 訊號在衰落前在可調整的時間週期內保留在顯示畫面中
圖2-25 偵測的曲線實例+Peak Detection (左)- Peak Detection (中)Average Detection (右)
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 30
時序和觸發
即時處理功能啟用了DPX顯示功能使RTSA成為強大
的探索工具不過DPX顯示並不會保持可以在多個域
中重新分析的時域記錄擷取和其他分析要求訊號寫入
記憶體中為分析選擇波形中感興趣的的區域本節將
介紹RTSA的觸發擷取和分析週期控制功能如圖2-26所示
在與觸發結合使用時時序控制為分析暫態參數或其他
時序相關參數提供了強大的組合
擷取長度規定了回應觸發的取樣點儲存在記憶體中的
時間長度擷取歷史決定著在每個新觸發後將保留多少
個以前的擷取Tektronix RTSA在時域概況視窗中顯示
了整個擷取長度
頻譜長度決定著計算的頻譜顯示圖的時間長度頻譜偏
移決定著觸發事件瞬間直到顯示的FFT訊框開始的延
遲時間或提前時間頻譜長度和頻譜偏移的時間解析度
都是一個FFT訊框Tektronix高效能RTSA允許在查看
頻譜時改變FFT長度這些RTSA在時域概況視窗底部
使用色條表示頻譜偏移和頻譜長度色條顏色被鍵入到
相關的顯示畫面中
圖2-26 RSA6100中顯示的時間概況及頻譜長度和多域分析長度指標
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 31
分析長度決定著進行調變分析及以時間為基礎的量測
的時間長度分析偏移決定著從觸發瞬間直到分析開始
時的延遲時間或提前時間Tektronix RTSA 在時域概況
視窗底部使用一個色條來指示分析偏移和長度色條顏
色則會鍵入到相關的顯示畫面中
輸出觸發指標允許使用者在觸發瞬間選擇性地啟動
TTL後面板輸出可用來將RTSA量測與其他儀器同
步如示波器或邏輯分析儀
即時觸發和擷取
即時頻譜分析儀能夠執行時間頻譜和調變分析觸發
對擷取時域資訊至關重要RSA提供了獨特的觸發功
能提供了功率觸發和頻率遮罩觸發及常用的功率觸
發外部觸發和以位準為基礎的觸發
最常見的觸發系統是大多數示波器中使用的觸發系
統在傳統類比示波器中待觀察的訊號會輸送到一個
輸入中而觸發則輸送到另一個輸入中觸發事件導致
啟動水平掃描訊號振幅則顯示為重疊在校準的格線上
的垂直位移在最簡單的形式下類比觸發支持在觀察
的觸發器之後發生的事件如圖2-27所示
圖 2-27 傳統示波器觸發
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 32
系統中的觸發與數位擷取
DPX 能夠以數位元方式表示和處理訊號配以大的儲
存容量可以擷取觸發前及觸發後發生的事件
Tektronix RTSA中的數位擷取系統採用類比對數位轉
換器 (ADC)在深記憶體中填入接收的訊號時間取
樣從概念上說新取樣點連續輸送至記憶體最舊的
取樣點將離開記憶體圖2-28中的範例說明瞭配置成儲
存N個取樣點的記憶體觸發發生時擷取停止記憶體
內容被凍結在觸發訊號通路中增加可變延遲將支援
在觸發前發生的事件及在擷取後出現的事件
我們先考慮沒有任何延遲的範例在觸發同步的取樣點
儲存後觸發事件導致記憶體立即凍結然後記憶體會
包含觸發時的取樣點及觸發前發生的N個取樣點只儲
存觸發前的事件
現在考慮將延遲設定成與儲存長度完全配合的範例在
觸發發生後記憶體凍結前可以有N個取樣點進入記
憶體中然後記憶體包含觸發後N個訊號活動取樣點
只儲存觸發後的事件
如果延遲設成儲存長度的一部分既可以擷取預觸發事
件也可以擷取後觸發事件如果延遲設定成儲存深度
的一半則儲存的一半樣點是預觸發的取樣點儲存的
一半樣點是後觸發的取樣點這種概念與傳統掃頻分析
儀中零頻寬模式使用的觸發延遲類似但是RTSA可以擷取長得多的時間記錄然後可以在頻域時域和調
變域中分析這些資料這為訊號監測和裝置疑難排解等
應用提供了一個強大的工具
觸發模式和功能
自由運行模式擷取收到的中頻訊號取樣點而不考慮任
何觸發條件在擷取和處理時將顯示頻譜調變或其
他量測
已觸發模式要求觸發源及設定各種參數定義觸發條件
及對觸發響應的儀器行為
選擇連續觸發還是單次觸發決定著每次觸發發生時是
重複擷取還是每次在準備量測時只擷取一次觸發位
置可以在0-100範圍內調節可以選擇擷取區塊的哪
個部分是預觸發的部分如果選擇10則擷取的預觸
發資料是選擇的碼組的110擷取的後觸發資料是選擇
的區塊的910觸發坡度允許選擇上升邊緣下降邊緣
或其組合進行觸發上升和下降可以擷取整個脈衝上
升和下降可以擷取其他連續訊號中的間隔
圖 2-28 數位擷取系統中的觸發
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 33
即時頻譜分析儀觸發來源
Tektronix RTSA提供了多種內部觸發和外部觸發方
法表2-1概括了各種即時觸發來源其設定及與每種
設定有關的時間解析度
外部觸發允許外部TTL訊號控制擷取這一般是一個控
制訊號如來自待測系統的頻率切換命令這個外部訊
號會提示使用者在待測系統中擷取事件
內部觸發取決於待測訊號的特點各種RTSA機型都能
根據數位化訊號的位準濾波和取樣後的訊號功率或使
用FMT (註RSA306不支援頻率遮罩觸發) 在發生特定
頻譜分量時觸發擷取每個觸發源和觸發模式都在頻率
選擇度時間解析度和動態範圍方面提供了特定的優
勢圖2-29 (下一頁) 顯示了支援這些特點的功能單元
位準觸發將ADC輸出上的數位化訊號與使用者選擇的
設定進行比較即使在觀察要求進一步濾波和取樣的窄
頻寬時仍可以使用數位元化訊號的全部頻寬位準觸
發
採用全數位元化速率可以在全部取樣速率時偵測時長
短到一個取樣點的事件但是下行分析的時間解析度
受到取樣的有效取樣速率的限制部分RSA機型提供了
位準觸發功能
功率觸發計算濾波和取樣後的訊號功率每個濾波的
IQ取樣點對的功率 (I2+Q2) 與使用者選擇的功率設定
進行比較某些RTSA機型提供了濾波後的功率觸發
其中將帶有可選擇頻寬的濾波器應用到觸發路徑中的
訊號上
頻率邊緣觸發會將頻率中的變化視為時間函數並在指
定的位準變化上觸發觸發可在上升或下降頻率上完
成與時域位準觸發的運作方式類似
觸發也可以在 DPX 密度上進行由於 DPX 直方圖是以
頻率和振幅為單位的二維陣列所以可以定義一個具有
指定上下頻率和上下振幅的方框當指定方框中的資料
密度達到指定臨界值時即會建立觸發
觸發來源 觸發訊號 設定單位 不確定性 附註
外部 外部觸發接頭 V (可變) 或 TTL RSA306plusmn250 ns RSA5100plusmn 4 ns RSA6100plusmn 5 ns
RSA3061 個外部觸發輸
入 RSA510061002 個外
部觸發輸入 (前和後)
功率位準觸發 在目前的擷取 BW中計算的功率
功率或 dB (相對於全
刻度) plusmn1 時域點 (根據有效的
取樣速率) RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
頻率遮罩觸發 FFT 處理器輸出的
點對點比較 dB 和 Hz根據畫面上
所繪製的圖形遮罩 RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
DPX 密度觸發 DPX 資料的點對點
比較 臨界值根據 D 頻率 amp D 振幅
RSA306NA RSA51006100plusmn1 訊框長度
訊框長度根據有效的取樣
速率
頻率邊緣觸發 FFT 處理器輸出端
的頻率比較
Hz RSA306NA RSA51006100plusmn1 時域點
RSA51006100 將使用者
設定表濾波器頻寬至觸發
表 2-1 即時頻譜分析儀觸發源比較
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 34
圖 2-30 頻率遮罩定義
頻率遮罩觸發將頻譜形狀與使用者定義的遮罩進行對
比這種技術功能強大允許頻譜形狀變化觸發擷取
即使在存在位準高得多的其他訊號時頻率遮罩觸發仍
可以可靠地偵測遠遠低於全標的訊號這種在存在強訊
號時觸發弱訊號的能力對偵測間歇性訊號是否存在
互調產物暫態頻譜包容違規等至關重要比較訊號與
遮罩要求全面DFT要求一個完整的訊框頻率遮罩觸
發的時間解析度大約是一個DFT訊框並使用專用硬體
DFT 處理器在時域中確定觸發事件如圖2-31中的方
框圖所示
構建頻率遮罩
與其他形式的遮罩測試一樣頻率遮罩觸發 (也稱為頻
域觸發) 先要定義一個螢幕遮罩這種定義通過一個頻
點及振幅集合完成遮罩可以逐點定義也可以使用滑
鼠或其他指向設備以圖形方式畫出可以設成在遮罩邊
界外面的訊號「突入」邊界時觸發也可以設定成在遮
罩邊界內部的訊號「突出」邊界時觸發
圖2-30顯示了一個定義的頻率遮罩允許通過訊號的正
常頻譜但不允許瞬間畸變通過下一頁的圖2-31顯示
了在訊號暫態超過遮罩時觸發的擷取的頻譜圖圖2-32顯示了超過遮罩的第一個訊框的頻譜注意其收集了
觸發前的資料和觸發後的資料頻譜圖中同時顯示了這
些資料
圖 2-29 即時頻譜分析儀觸發處理
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 35
圖2-33 頻譜圖顯示了與載波相鄰的暫態訊號遊標設在觸發
點上因此遊標線以上顯示的是預觸發的資料遊標線以下
顯示的是後觸發的資料藍色區域左邊的窄白線表明了後觸
發的資料
調變分析
調變是射頻訊號承載資訊的手段使用Tektronix RTSA進行調變不僅可以提取傳輸的資料還可以量測訊號調
變的準確度此外還可以量化許多劣化調變品質的誤
差和損傷
現代通訊系統已經明顯提高了使用的調變格式的數
量RSA能夠分析最常見的格式並採用一個結構在
新格式出現時分析新的格式
振幅頻率和相位調變
射頻載波可以根據載波的振幅或相位變化通過多種方
式傳輸資訊頻率是相位的時間導數因此調頻 (FM)
圖2-34 頻譜圖的一個訊框顯示了暫態訊號越過頻率遮罩邊
界的暫態事件
是調相 (PM) 的時間導數正交相移鍵控 (QPSK) 是一種數位調變格式其中碼判定點發生在90度倍數的相
位上正交調幅 (AM) 是一種高階調變格式其中振幅
和相位會同時變化提供了多種狀態即使是高度複雜
的調變格式也可以分解成振幅和相位分量如正交頻
分複用 (OFDM)
振幅和相位可以視為極坐標系統中向量的長度和角
度同一點可以用Cartesian 座標或矩形座標 (X Y) 表示RTSA在記憶體中儲存的時間取樣點的IQ 格式在數學運算中相當於Cartesian 座標其中I代表水
平軸或X分量Q 代表垂直軸或Y分量
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 36
圖 2-33 振幅和相位的向量表示
圖 2-33 顯示了向量的幅度和相位及其 I 和 Q 分量AM解調變包括為記憶體中儲存的每個 IQ 取樣點計算暫態
幅度並繪製不同時間的結果PM 解調包括計算記憶
體中 IQ 取樣點的相位角並在考慮plusmnπ2 反正切函數的
不連續點後繪製其在量測期間的結果可以計算得出
FM因為頻率是相位的時間導數
數位調變
圖2-34說明瞭典型數位通訊系統中的訊號處理發送過
程先從要發送的資料和時脈開始資料和時脈穿過編碼
器編碼器重新排列資料增加同步位元進行誤碼恢
複編碼和加擾然後資料分到I和Q通路中進行濾波
升頻轉換至相應的通道然後在空中傳送
接收過程與傳輸過程相反但增加了某些步驟射頻訊
號降頻轉換為I和Q基頻訊號然後穿過通常為去掉碼間
幹擾而設計的Rx濾波器然後訊號通過一種演算法這
種演算法恢復確切的頻率相位和資料時脈這一點必
不可少以校正多通路延遲和通路中的都蔔勒偏移另
外Rx 和Tx 本振通常不是同步一旦恢復了頻率相
位和時脈將解調和解碼訊號校正誤碼恢復位元
圖 2-34 典型數位通訊系統
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 37
數位調變的種類很多包括使用者熟悉的FSKBPSKQPSKGMSKQAMOFDM等等數位調變通常與
通道分配濾波功率控制誤碼校正和通訊協議相結
合涵蓋了特定的數位通訊標準其目的是在連結相反
的兩端在無線電之間發送無差錯的資訊位元當訊號
在空中傳送或通過其他介質傳送時數位通訊格式中引
入的複雜度在很大程度上對補償進入系統的誤差和損
傷必不可少
圖2-35說明瞭數位調變分析要求的訊號處理步驟其基
本流程與接收器相同但有一點除外即調變準確度量
測要求比較收到的調變波形與理想的調變波形大多數
RSA調變品質量測中使用恢復的符號重建數學上理想
的I訊號和Q訊號這些理想的訊號與實際的或劣化的I和Q訊號進行比較產生要求的調變分析圖和量測
功率量測及統計
Tektronix RTSA可以在頻域和時域中進行功率量測通
過在規定時間間隔內對頻譜中的功率求積分可以進行
頻域量測可以使用許多以標準為基礎的量測要求的通
道濾波器獲得相應的通道功率另外還可以使用校準
和歸一化參數在所有規定條件下保持準確度
通訊標準通常會規定組件和使用者裝置的統計量測
RTSA擁有量測程式可以計算訊號的互補累積分佈函
數 (CCDF)其通常用來分析複雜調變訊號的統計特
點包括峰值均值功率比 (PAR)
圖 2-35 RTSA 調變分析方框圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 38
圖 3-1 頻譜圖顯示畫面會將頻譜的瀑布式曲線圖顯示為
OFDM 訊號的時間函數底部訊框則顯示 DPX 頻譜圖以供比
較
第 3 章時域和頻域量測間的相關性
頻譜分析儀主要是頻域儀器但在許多量測中也非常
適用於觀察時域的頻譜特性或控制頻譜量測是以時間
函數在何處進行由於其操作的性質真正的時間頻譜
分析儀可精確地找出時域和頻域中的事件擷取時域中
的量測並使用離散傅立葉轉換將該資訊轉換至頻域
顯示頻域資訊的典型方式包括射頻頻譜DPX 頻譜資
訊顯示和頻譜圖如前所述射頻頻譜可透過掃頻參考
振盪器並將混合向下振幅記錄為時間的函數 (掃頻頻
譜分析)射頻頻譜也可以透過允許各種頻率通過濾波
器利用固定基準振盪器降頻轉換訊號利用高解析度
的 ADC 數位化資料以及使用離散傅立葉轉換 (即時
頻譜分析) 高效率實作將時域序列轉換為頻譜進行記
錄由於傅立葉轉換可以使用演算法快速取得例如在
圖 3-2 來自 Tektronix RSA-5126B 即時頻譜分析儀的
OFDM 射頻訊號色階頻譜圖
FPGA 硬體中以平行方式或在現代處理器中以軟體方
式實作的 FFT (快速傅立葉轉換)所以相較於可在傳統
掃頻頻譜分析中進行掃頻的振盪器頻譜可以比更迅速
地顯示
此外由於系統可從 ADC 輸出取得時域資訊使用者
可輕鬆將特定頻譜特徵外觀與資料擷取時間建立關聯
頻譜圖
在這方面最實用的顯示畫面是頻譜圖其中會將完整頻
譜顯示為時間的函數並讓使用者看到不斷更新的事件
歷史記錄顯示此資訊的常見方式是瀑布式曲線圖 (頻譜偏移處的虛擬 3D 曲線圖) 和色碼標示的頻譜表示
其中振幅是以分級的色彩來表示圖 3-1 顯示的是三維
瀑布式顯示範例圖 3-2 顯示的是色階頻譜圖的範例
其中訊號是 OFDM 射頻傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 39
頻譜圖的時間解析度是由兩個因素決定1) ADC 的取
樣速率和 2) DFT 用於產生頻譜的長度DFT 的長度
可決定所取得的頻率解析度所以我們應保持其合理的
長度即時頻譜分析儀的典型取樣速率是每秒 400M 個
取樣 (或每秒 200 M 個 I-Q 資料點)針對相對較短的
256 點 DFT則可在 128 us 內擷取一個完整的頻譜
但是由於 DFT 可以在時間上重疊多個頻譜會同時
使用某些相同資料進行計算頻域事件的時序解析度則
可由重疊因數得到改善在本範例中具有 75的重疊
短擷取的時序解析度可以提升至 320 ns如果我們將
DFT 重疊在一個取樣增量頻譜的時序解析度可提升至
5 ns在上例中採用了 400 MSs ADC 和 256 點的
DFT可以檢查的最低頻率分離將約為 780 kHz
Tektronix RTSA 可以在擷取至記憶體的連續資料上對
任意取樣重疊執行 DFT 計算例如利用長記錄長度 (由觸發擷取至跳頻訊號的取樣記憶體所擷取)即可計
算具有良好頻率解析度和極短時間解析度的頻譜如上
述範例所示使用者可透過頻譜圖資料以粗細時間解
析度進行掃描並在頻譜視窗中顯示各個頻譜圖 3-3顯示地是一個頻譜圖擴展到有 20 ns的時間間隔頻譜之
間和與標記在頻譜顯示的視窗相關的頻譜如需有關
DFT 重疊處理的資訊請參閱 Tektronix 出版品「瞭解
FFT 重疊處理基礎知識」(出版品 37T-18839-1)
圖 3-3 跳頻訊號顯示由於 DFT 重疊所造成頻譜圖頻率變化並具有 20 ns 的時間解析度請注意重疊報告為 99在
這種情況下每個 DFT 均由 4 個 I-Q 取樣偏移
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 40
掃頻 FFT 分析
當要檢查的頻寬超過頻譜分析儀的即時頻寬 (在上例
中使用 400 MSs 的 ADC 時為 165MHz)則可將多個
即時頻譜拼接在一起以提供額外的頻譜涵蓋範圍雖然
這降低了可探索其頻譜特的變化的速度該技術仍大幅
改進了掃頻頻譜分析儀對窄解析度頻寬的量測時間對
於即時頻譜分析儀中的廣泛頻譜覆蓋範圍頻譜的第一
部分是將擷取頻率設定為待擷取頻率的第一區塊中心
來記錄然後基準振盪器步進至頻率的下一區塊中心並
執行第二次擷取重複這些步驟直至所需的頻譜完成
組裝完整頻譜所花費的時間量將取決於所選擇的 RBW (解析度頻寬)RBW 會決定 FFT 長度和是否使用平均
值來減少雜訊
除了單一頻譜掃頻 FFT 方法也可以應用於 DPX 分
析對於您將使用的 DPX 分析所有的頻譜資料將會
即時進行直方圖處理不會遺失任何資訊當 DPX 技
術擴展至超過即時頻寬的寬頻譜時基準振盪器必須在
頻譜期間調諧到新頻率且根據定義某些資訊會在掃描
期間遺失對於恆定或重複訊號這將不會發生問題
但若事件發生在不處理的掃頻部分時DPX 顯示將會
看不見發生的訊號可減輕這狀況的方法之一是使用
DPX 掃頻顯示中的駐留設定駐留功能可設定步進掃
頻中每一個步進的時間長度且可設定為 50 ms 至 100 s在駐留時間期間步進中的訊號攔截機率會與若儀
器在即時頻寬內運作但裝置看不見此時間內在掃頻的
其他步進內容的狀況相同所以如果您的掃頻需要 5個步進您可以在每個步進上註留所需要的時間以取
得頻譜活動的完顯示然後再移至下一個步進原則
上真正的 DPX 分析可透過將 ADC 的取樣速率擴展至
更高的頻率或實作平行 ADC 和濾波器路徑以同時擷
取多個頻譜區塊來擴展到更寬的頻率範圍在實際狀
況中超寬帶數位化器方法在實作極寬帶濾波器和處理
此類型 ADC 中的較高雜訊時皆存在缺點平行的做法
對單一儀器而言並不切實際因為這需要在儀器中具備
大量重複的硬體並存在複雜的顯示問題可能的方法
是同步化多個調諧到不同頻率的 RTSA以涵蓋所有感
興趣的頻帶然而多個 RTSA 的本地振盪器之間的相
位關係不同所以向量量測將無法執行但是這種方
法將會在頻帶之間查看時沒有間隙以找出頻域中不常
發生的事件
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 41
擷取和分析的時間控制
由於在即時頻譜分析儀鐘會持續收集時域資訊所以可
以用於改變儀器上的設定來控制資料收集時間和分析
方法隨資料擷取時間變動的主要控制是各種觸發函
數相關資訊可參閱第 2 章中的介紹當使用者試圖分
析罕見的訊號且該訊號具有獨特的頻率特徵 (可在其
他訊號存在時識別) 時DPX 中所提供的頻率遮罩觸發
功能將會非常實用但是在某些情況下振幅與時間
資訊在識別感興趣的訊號時更加重要跳頻訊號即是此
類型的一個例子
Tektronix 即時頻譜分析儀使用名為「Time Overview」
的視窗來控制擷取和分析時序圖 3-4 顯示由 2445277
GHz 載波所進行的脈衝調變串流範例Time Overview視窗可用來查看脈衝串並使用擷取設定依取樣數或
時間量來調整擷取長度修改擷取的脈衝量Overview視窗還會顯示頻域中的分析是使用哪一部分的擷取訊
號灰色「簾」可以來回移動並用於確定哪些取樣是
DFT 分析的一部分 (也是由視窗上方的紅色條顯示)在這種情況下分析是在單一脈衝上完成並包括一些
「關閉」時間視窗可以修改為納入多個脈衝或限定於
脈衝「開啟」時間部分取決於調變類型和所需的分析
而定請注意頻譜時間 (由 Time Overview 視窗的紅
色條指示) 必須足夠長才能包含至少一個 DFT如果
頻譜時間設定得過低而無法呈現 RBW使用者將會收
到警告訊息
圖 3-4 CW 調變脈衝在 2445 GHz 的 Time Overview 和頻譜
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 42
時域量測
有許多在射頻訊號上所進行的量測類型會將時間納入
為參數Tektronix 頻譜分析儀軟體中包含了以下幾種量
測 頻率 vs 時間 振幅或功率 vs 時間 I 和 Q vs 時間 相位 vs 時間 調變參數 vs 時間 (頻率偏差相位誤差振幅誤
差誤差向量振幅) 頻率安定 相位安定
隨時間變化的頻率量測檢查功能在診斷發射器問題時
非常實用調變通常會隨時間變動如頻率振幅或相位
等參數並檢查這些時間曲線圖能呈現如何的系統的行
為圖 3-5 顯示了 25 us 脈衝的分析其中頻率是線性
變化作為時間的函數的分析在這種情況下在顯示畫
面上方的「Time Overview」視窗中以藍條指示分析時
間紅條指示頻譜分析的分析長度
脈衝量測
時間和頻域之間最實用的相關性也許是脈衝量測的區
域Tektronix即時頻譜分析儀 (RSA) 非常適合進行脈
衝量測所有RSA 型號上都可以包括自動脈衝量測軟
體可以選擇對各個脈衝和脈衝趨勢資訊進行全面分
析與傳統頻譜分析儀不同各種型號的RSA 都指定
了系統上升時間 下降時間 (最高10 ns)最小脈衝週
期 (最短50 ns) 及高達110 MHz 的調變頻寬對更快
的上升時間脈沖和更寬的調變頻寬SignalVu-PC離
線軟體可以與Tektronix DPO70000系列示波器結合使
用自動進行脈衝量測支持幾十皮秒的週期及高達
70GHz的頻寬
圖 3-5 LFM 調變脈衝將相位和頻率顯示為時間的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 43
使用者可獲得多個脈衝量測的載波頻率上升時間下
降時間動態載變電壓漣波佔用頻譜和脈衝寬度的
個別脈衝資訊可在脈衝量測分析軟體上選擇和分析
脈衝趨勢統計資訊包括 PRF工作週期和脈衝對脈衝相
位資訊此外統計資訊可以顯示為一種趨勢或者快
速傅立葉轉換 (FFT) 可在取樣資料上執行以顯示重要
的診斷資訊
第 4 章即時頻譜分析儀應用
本章介紹了一些在測試中常使用即時頻譜分析儀的應
用領域對於每一個應用領域我們會討論相關的量測
類型並強調即時分析儀的優勢然而在開始之前
我們應先花點時間討論一些不同類型的即時頻譜分析
儀因為遺棄的特性將會影響在不同的應用領域中的使
用方式
即時分析儀實驗室到現場
目前為止大部分的討論皆適合任何類型的即時頻譜分
析儀平臺式實驗室分析儀一直在推動最新的技術現
在已超過二十年每個版本均具有更快的數位化器以提
高即時頻寬並利用改善的混波器放大器濾波器和
遮罩來提升射頻效能平臺式即時頻譜分析儀的無突波
動態範圍是由寄生訊號峰值 (由訊號鏈非線性元件產
生) 控制目前已經超過 80 dBc
新一代的掌上型即時頻譜分析儀目前已推出然而需
針對低功率和攜帶性而犧牲一些平臺式分析儀可達到
的射頻效能主要折衷狀況與功率有關平臺式分析儀
通常會使用 gt 300W 功率適用於接近線性射頻分量和
硬體數位訊號處理可執行快速 FFT 和進階觸發而
掌上型分析儀則通常使用 lt 5W 功率此類低功率分析
儀的開發可分為兩方面
RSA306 RSA5126B 頻率範圍 9 kHz - 62 GHz 1 Hz - 265 GHz 即時分析頻寬 40 MHz 25 MHz - 165 MHz IQ 取樣率 56 MSs 200 MSs 100 POI 脈衝持
續時間 100micros 043 micros
振幅準確度 (95 信心度至 3 GHz)
+- 125 dB +-03 dB
解析度 BW 範圍 1 Hz - 8 MHz 01 Hz - 20 MHz 最大 CW 功率 +20 dBm +30 dBm DANL (1 GHz 使用前置放大器)
-163 dBmHz -167 dBmHz
SSB 相位雜訊 (10 kHz)
-84 dBcHz -109 dBcHz
無突波動態範圍 gt 50 dBc gt 80 dBc 殘餘寄生訊號 (-50 dBm 參考)
lt -78 dBm lt -95 dBm
功率 lt 45 W lt 400 W 表 4-1 USB 和平臺式即時頻譜分析儀的比較
1) 已針對行動電話的使用開發了商品低功率射頻分
量和 2) 已經針對非常重視電池壽命的行動電話平
板電腦和筆記型電腦開發了具有極快處理速度的低功
率微處理器掌上型即時頻譜分析儀依類快速軟體處理
來將時域 ADC 取樣轉換為頻率頻譜並執行資料抽取
和濾波隨著處理器和演算法改善這些儀器的效能也
將隨之提升
表 4-1 中顯示 Tektronix USB 連接的頻譜分析儀與中範
圍平臺式即時頻譜分析儀的比較結果在應用和範例
中將會說明對各種應用而言兩種分析儀類型的適用
性
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 44
資料通訊WLAN
在過去十年中由於運算技術已普遍存在於辦公室住
家和個人通訊內使得無線區域網路已無所不在從最
初的 Wi-Fi 規格作為在不用執照的 24GHz 工業科學
和醫療 (ISM) 頻率頻帶中的 IEEE80211 標準Wi-Fi已經修訂多次並從 2 Mbs 通道進展至輸送量超過 1 Gbs 的多個通道頻率頻帶現在包括 24 GHz36 GHz5 GHz 和 60 GHz目前最流行的變體則是
80211g (24GHz)80211n (24和5GHz) 和80211ac (5GHz)80211g 標準 (2003) 使用了高達 54 Mbs 的
單一資料流且封包資訊的 OFDM 調變位在 20 MHz
通道內在 24GHz頻帶內提供高達 14個通道80211n標準 (2009) 使用多達 4 個 MIMO 資料串流與 20MHz或 40MHz 通道頻寬並具有 4 個天線和可高達 600 Gbs 的 40MHz 通道80211ac 標準 (2013) 使用多達
8 個 MIMO 資料串流並具有 204080 或 160MHz通道頻寬並能使用 8 個天線和 160MHz 通道頻寬達
到最高 677 Gbs 的最大資料速率後兩種標準會取決
於通道的配置使用不同的調變類型新標準 80211ad也稱為 WiGig最近已獲核准並允許在 60GHz 頻帶
內運行另一種規格 80211ah 目前仍在草案狀態將
可在低於 1 GHz 的頻帶內以適用於低功率傳輸的 100 kb 資料速率來提供擴展範圍的 Wi-Fi
圖 4-1 20 MHz 通道與 64QAM 調變的 80211g WLAN 發射器測試圖形
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 45
採用新標準的測試 WLAN 傳輸可能會遇到一些挑戰
針對通道頻寬調變類型和空間串流數量提供了可選的
實作例如在 80211ac 中所需的參數是 80MHz 通道
頻寬一個空間串流64QAM 調變以及具備長保護
間隔的 56 編碼在相同標準中的可選參數允許 160 MHz 的通道頻寬8 個空間串流256QAM 調變和具
備短保護間隔的 56 編碼頻譜分析儀應該具備適用於
測試 80MHz WLAN 通道的 120MHz 即時頻寬以量測
發射器頻譜發射遮罩測試除非有一些外部觸發方法
允許在中頻頻寬以外進行觸發同樣地對於 160MHz的 WLAN 通道則需要 240 MHz 頻寬 (雖然 160 MHz通道可能會實作為兩個非連續的 80MHz 通道)測試儀
器也應該具有足夠好的線性和雜訊規格才能量測
256QAM 調變實作所需的極低 EVM由於針對
256QAM56 編碼裝置 EVM 應小於 -32 dBm頻譜
分析儀應該至少比此限制更好 10dB或小於 -42 dBm以便準確地量測訊號而不會造成失真最後針對多個
空間串流的測試測試設備應該具有最多 8 個同步的獨
立擷取通道才能從多個天線執行相位準確的量測
Tektronix 的低階即時頻譜分析儀具有 40 MHz 的即時
頻寬可用於 40MHz WLAN 的通道特性分析和解碼
您可同步化這些儀器以針對多個 WLAN 的空間通道
進行擷取和分析針對寬於 40MHz 的通道Wi-Fi 發射
器也可以利用頻譜發射遮罩測試進行特性分析因為如
果在訊號脈衝上有可用的觸發方法 (如稍早的討論)此
類型的測試並不需要寬即時頻寬高階的 Tektronix 頻譜分析儀具有 165 MHz 的即時頻寬可用於執行完整
的 160 MHz WLAN 通道特性分析RSA5100B 具有-49 dBm 的殘餘 EVM 規格對於測試複雜調變 (如256QAM) 而言綽綽有餘圖 4-1 顯示使用 SignalVu WLAN標準量測軟體的一些可能WLAN特性分析量測
如需相關資訊請參閱 Tektronix 出版品 37T-29447-0「Wi-Fi80211 實體層和發射器量測概述」
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 46
資料通訊WPAN
無線個人區域網路是專為取代在短距離 (lt10 公尺) 內的低速電子連接所設計藍牙是最著名的和最廣泛使用
的個人區域網路用於連接短距離範圍內的電子設備
如行動電話和耳機此技術是以 IEEE802151 標準為
基礎 (但標準現在由藍牙技術聯盟 Bluetooth SIG 維
護)預期會廣泛地用於連接物聯網內的裝置藍牙訊
號在 24 GHz ISM 頻帶內從 2400 至 24835 GHz最初的藍牙規格採用 79 個通道與 1 MHz 的間距目前
的藍牙 40 規格 (2010) 則採用 40 個通道與 2 MHz 的
間距以符合藍牙低功耗規格藍牙基本速率 (BR) 具有 1 Mbs 的資料速率並使用高斯頻率偏移鍵控 (GFSK) 調變增強的資料速率 (EDR) 針對資料使用
π 4-DPSK 調變 (2 Mbs) 或 8DPSK 調變 (3 Mbs)標頭仍採用 GFSK 進行調變藍牙低功耗 (LE) (以藍牙
智慧型產品「Bluetooth Smart」銷售) 使用相同的頻譜
但具有 402 MHz 的通道以及每個使用 GFSK 調變的
通道均具有 1 Mbs 位元元速率並且被限制為低功率 (10 mW) 操作藍牙和藍牙智慧型產品會使用自適應
跳頻功能來盡量減少幹擾雖然細節有些許差異
圖 4-2 具有 PRBS9 負載的 DH1 封包藍牙頻譜圖 (色彩編碼頻譜垂直軸為時間)啟用跳頻線頻譜顯示在頻譜圖的標記
處
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 47
由於藍牙具有相對慢的無線電介面 (最大資料速率 ~ 3 Mbs)所以可以使用多種類型的儀器進行射頻分析
跳頻以每秒 1600 次跳頻的速率發生頻譜分析儀必須
具有足夠低的雜訊和低抖動時脈才能進行準確的調變
分析若使用調變類型和資料速率的軟體預設功能 (例如 SignalVu 中所提供的功能)可以使分析藍牙無線電
的工作容易得多
除了藍牙短距離無線通訊協定另一個通訊協定 Zigbee最近則因具備更低的速率更低的功率通訊標準即可連
接低資料速率感應器和裝置低而受到關注 IEEE 802154 (2003) 指定了直接序列展頻技術 (DSSS) 通訊協定在 20 或 40 kbits 和 868915 MHz 頻率頻
帶以及在 250 kbits 和 245 GHz 的頻率頻帶中操作
最新版本的標準 IEEE802154e (2012) 已增加了幾個
新的頻率頻帶調變格式和位元元速率任何即時頻譜
分析儀上的一般調變測試軟體均可提供有關無線連結
的資訊通訊協定特定的軟體可以自動判定調變類型
位元元速率等增加使用的便利性
另一種也使用 IEEE802154 無線電的通訊協定是
6LoWPAN 這是由網際網路工程小組 (Internet Engineering Task ForceIETF) 在 RFC6282 中所定義
的通訊協定此通訊協定使用無線電為裝置提供低資料
速率的 IPv6 網際網路連線能力雖然在無線電連結中
與 Zigbee 沒有太大的差別但更高的通訊協定層卻有
極大的不同並且定向成提供網際網路連線能力實體
層的測試類似於 Zigbee對於這些低資料速率和窄通
道如 RSA306 等可攜式頻譜分析儀即適用於射頻測
試
圖 4-3 在 RSA306 上使用 DH1 封包藍牙進行的基本速率射頻分析圖中顯示的是封包傳輸的 Time Overview 和頻譜以及
GFSK 調變的頻率偏差
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 48
語音和資料通訊蜂巢式無線電
現在有很大一部分的現代射頻資料傳輸會在蜂巢式智
慧型手機上進行雖然無線電介面只是蜂巢基礎架構的
一小部分但卻是使用者對於掌上型資料通訊經驗的關
鍵因素LTE 是在 GSMUMTS 和 CDMA2000 網路的
4G 升 級 路 徑 射 頻 傳 輸 是 在 3GPP 文 件 (TS36-1041250 版 12 版) 中所規定LTE 傳輸已在許
多不同的頻率上進行標準化視各個國家地區而定
在北美地區使用 7007508008501900170021002500 和 2600 MHz在當前標準中允許的
蜂巢頻譜為 14351015 和 20 MHz若使用 20 MHz 的頻譜和 4times4 MIMO 天線峰值下載速率為 2996 MBs而峰值上傳速率則為是 754 MbsOFDMA 調
變是用於下行鏈路而 SC-FDMA 調變則是用於上行鏈
路
LTE 發射器的測試主要涉及功率位準的驗證並驗證在
使用的頻帶之外沒有任何不想要的發射狀況圖 4-4 顯
示的是 LTE 基地台的相鄰通道洩漏比測試雖然與其他
無線技術相較之下通道相對較窄量測仍需要已校準
的頻譜分析儀與平坦頻率響應使用儀器軟體所進行的
自動量測將可有效協助量測的效率
無線電通訊
現在有越來越多的現代化無線電通訊的控制和操作是
由軟體來控制數位電路正在取代類比功能以進行調
變功率通道控制和通道負載的動態操作這些現代
無線電可以隨著時間迅速改變功率頻率調變編碼
和統計值
DPX 頻譜和 FMT 的結合為無線電除錯提供了一個強大
和獨特的功能DPX 可以探索不尋常的暫態事件例
如若因軟體故障或其他低位元準頻譜雜訊引起脈衝雜
訊FMT 可以設定為隔離這些事件使用外部觸發輸
出搭配 FMT 可讓您觸發其他儀器觸發示波器和邏輯
分析儀可讓您隔離事件深入檢查方框圖以找出其根
本原因Tektronix iView 功能和混合訊號示波器允許以
皮秒等級的準確度進行精確的時間調整及顯示類比和
數位訊號子程式和程式碼可以與感興趣的實際頻譜事
件建立時間關聯性
圖 4-4 LTE 發射測試顯示頻譜發射遮罩和相鄰通道洩漏比 (ACLR)
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 49
由於類比無線電的局限性自 1990 年代以來公共安
全無線電通訊已經轉移至數位領域在美國Project 25已演變為公共安全安全公共服務和商業應用的雙向
無 線 通 訊 標 準 此 標 準 是 由 電 訊 工 業 協 會 (Telecommunications Industry AssociationTIA) 公佈
並規定合規性要求使不同的無線電可以相互操作相
位 1 無線電會以 48kbaud 和 2 位元符號的速度來使用
連續的 4 位準 FM 調變 (C4FM) 以進行數位傳輸接
收器是專為解調變 CQPSK (相容正交相位偏移鍵控) 訊號所設計該訊號僅使用 625kHz 的頻寬及 C4FM
而相位 2 規格則是專為提高頻譜利用率所設計以在中
繼系統內容納其他發射器並使用 TDMA (時間分割多
址) 方案
P25 無線電測試也是低頻寬應用但測試設備需要具備
嚴格的頻率穩定性才能符合標準進行量測非常穩定的
振盪器則可與 Tektronix RTSA 搭配使用來確保測試符
合標準
針對無線電通訊應用使用 RTSATektronix 提供了數本
應用摘要和白皮書 37W-19680 使用即時頻譜分析儀執行軟體定義的無
線電測試 37W-30665 使用 Tektronix 解決方案測試 APCO Project 25 發射器
如需針對無線電通訊所提供解決方案資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationsatellite-radio-test- equipment
圖 4-5 P25 無線電符號解碼與星狀圖
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 50
視訊應用
數位射頻可用於在視訊廣播中的多種應用廣播資料是
使用 DVB-S 和 DVB-S2 格式透過衛星散佈而數位視
訊則是使用DVB-T格式進行廣播其標準是由ETSI (歐洲電訊標準協會wwwetsiorg) 公佈DVB-S 和
DVB-S2 現在常規地用於衛星視訊傳輸並使用
BPSKQPSK8PSK16APSK 和 32APSK 調變 (最常見的調變為 QPSK 和 8PSK)
DVB-T 是用於地面視訊的無線廣播現在已有 70 多個
國家使用圖 46 顯示了解碼的 QPSK DVB-S 訊號 (29270 M 符號s) 的眼狀圖和星狀圖這是擷取自以
5150 MHz (降頻轉換至 1210 MHz) 從 AampE 網路所進
行的 C 頻帶衛星傳輸
Tektronix RSA306 低成本 USB3 即時頻譜分析儀可以
利用誤差量測的遠端報告功能透過 API 在多個位置監
測視訊傳輸
圖 4-6 使用 QPSK 調變以每秒 2927 M 符號在 30 MHz 內的頻寬衛星 C 頻帶 DVB-S 視訊傳輸
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 51
頻譜管理和幹擾搜尋
不論是保護設施或是保護您的頻譜投資皆必須調節幹
擾若用大多數的頻譜分析儀工具將無法偵測到較大
訊號中出現的低位準暫態幹擾或針對脈衝式雜訊進行
特性分析
利用 DPX 顯示即時射頻功能您將可觀察到以往無法
察覺的訊號RTSA 亦可改變您蒐尋捉摸不定之訊號
的方式RTSA 擁有結合頻寬和動態範圍的業界領先
效能是唯一在感興趣的頻帶內可百分之百偵測訊號的
頻譜分析儀
頻率遮罩觸發 (FMT) 可讓 RTSA在低位準訊號或脈衝
上觸發且擷取和分析的機率可達 100
如需 Tektronix 所提供的最新頻譜管理資訊請造訪網
站httpwwwtekcomapplicationspectrum-management
裝置測試
行動通訊中的語音通訊傾向在某些具有平穩流量狀態
的位準下操作由於高速率資料服務整合至現代無線電
通訊標準輸出功率必須能快速適應不斷變化的負載
調變品質頻譜再生和功率效率一直都是放大器設計中
要權衡取捨的條件
不論線性化設計中的進步是來自於提高效率降低成本
或效能等因素各種使用某些形式的自適應數位預失真 (DPD) 的數位技術已經成為蜂巢式放大器設計中的常
見技術這些設計容易發生記憶體效應偏壓饋通和其
他暫態頻譜再生異常
RTSA 可使用 DPX 頻譜找出記憶體效應是否存在為
放大器設計人員提供獨特的見解針對振幅統計 (CCDF)調變品質 (EVM) 及相鄰通道功率 (ACP) 分析新增相關的多域分析能力而且 RTSA 也為放大器設
計人員提供了寶貴的見解
使用此應用摘要來深入瞭解關於現代放大器的特性分
析 37W-19560 使用即時頻譜分析儀執行寬頻射頻系統
的疑難排解和特性分析
雷達
將脈衝量測整合至可同時顯示時域和頻域的單一工
具可簡化雷達測試並提高測試可重複性RTSA 結合
了測試功能可取代在雷達發射器測試分析中所使用的
幾種常見工具 (示波器頻譜分析儀向量分析儀功
率計和峰值功率計)另外數位螢光顯示器 (DPX) 還可以顯示其他工具無法偵測的幹擾分量和非線性產品
如需有關使用 RTSA 來測試雷達的資訊請從 Tektronix取得下述應用摘要
37W-20229 使用即時頻譜分析儀執行進階的雷達測
試
如需 Tektronix 所提供的雷達測試解決方案資訊請造
訪網站httpwwwtekcomapplicationradar-test-and- electronic-warfare
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
入門手冊
twtekcomspectrum-analyzer 52
第 5 章術語
詞彙表
擷取整數的時間連續取樣
擷取時間由一個擷取代表的時間長度
振幅電子訊號的振幅
振幅調變 (AM)正弦波 (載波) 的振幅根據第二個電
子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
分析時間從一個區塊的時間連續取樣子集作為分析
視圖的輸入
分析視圖用於顯示即時量測結果的靈活視窗
載波進行調變的射頻訊號
載波頻率載波訊號的 CW 分量頻率
中心頻率對應於分析儀顯示器上頻譜的頻率頻距中心
的頻率
CZT 線性調頻 Z 轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法例如相較於需要額外計算傳統 FFT在選擇輸出頻率點的數量上CZT可提供更多的靈活性
CW 訊號連續波訊號正弦波
dBf表示功率位準的單位 (以全刻度功率為基準的分
貝數)根據內容這可能是在顯示畫面的全刻度或 ADC的全刻度
dBm表示功率位準的單位 (以 1 毫瓦功率為基準的分
貝數)
dBmV表示電壓位準的單位 (以 1 毫伏電壓為基準的
分貝數)
分貝 (dB)兩個電功率對比的對數的十倍
DFT 離散傅立葉轉換計算取樣時域訊號的頻率頻譜的
數學程式
顯示行波形顯示器上的水平或垂直線可與給定的位
準時間或頻率相較作為視覺 (或自動) 的參考值
失真訊號降解通常是非線性運作的結果會導致不
想要的頻率分量諧波失真和互調變失真是常見的失真
類型
DPX數位螢光分析一個訊號分析和壓縮方法允許
即時檢視隨時間改變的訊號可讓使用者探索罕見的暫
態事件
DPX 頻譜適用於頻譜分析的 DPX 技術DPX 頻譜提
供了即時射頻視圖並可讓使用者觀察頻域暫態
動態範圍同時出現在輸入上的兩個訊號 (可量測到指
定的準確度) 的最大位準比率
FFT快速傅立葉轉換計算離散傅立葉轉換 (DFT) 的有效計算方法常見的 FFT 演算法會要求輸入和輸
出的取樣數量相等且為 2 的次方數 (24816)
頻率訊號振盪的速率以 Hz 或每秒週期數為單位
頻域視圖訊號頻譜分量的功率表示為頻率的函數訊
號的頻譜
頻率漂移在指定的時間內逐步偏移或變更訊號頻率
其他條件保持不變以每秒 Hz 來表示
頻率遮罩觸發以發生在頻域中的特定事件為基礎的靈
活即時觸發觸發參數是由圖形遮罩所定義
頻率調變 (FM)電子訊號 (載波) 的頻率根據第二個
電子訊號 (調變訊號) 的瞬間電壓變動的過程
頻率範圍裝置運作的頻率範圍具有下限和上限
頻率頻距在 2 個頻率極限之間擴展的連續頻率範圍
標記波形軌跡上可以目視識別的點用於擷取由該點
表示的值域和範圍值讀數
調變為了改變訊號的特性通常是為了傳送資訊
雜訊疊加在訊號上的不想要的隨機擾動往往會掩蓋
訊號
基準雜訊系統本身的雜訊位準表示可觀察到輸入訊
號的最低限制最終會受到熱雜訊 (kTB) 限制
雜訊頻寬 (NBW)用於計算絕對雜訊功率或類雜訊訊
號的濾波器確切頻寬 (以 dBmHz 為單位)
訊號攔截機率在已定義的參數內可以偵測到訊號的確
定性
即時頻寬可以執行即時無縫擷取的頻率頻距這是數
位化器和即時頻譜分析儀 IF 頻寬的函數
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
即時頻譜分析基礎知識
twtekcomspectrum-analyzer 53
即時無縫擷取擷取和儲存不間斷時域取樣系列的能
力代表在長時間內的射頻訊號行為
即時頻譜分析以離散傅立葉轉換 (DFT) 為基礎的頻
譜分析技術能夠沒有時間差距而不斷地分析感興趣的
頻寬即時頻譜分析可提供指定頻距解析度頻寬和時
間參數內 100機率的顯示和暫態訊號波動的觸發
即時頻譜分析儀儀器能量測射頻訊號中難以捉摸的射
頻事件在該事件上觸發將其無縫地擷取至記憶體
並在頻域時域和調變域內進行分析
參考位準由分析儀顯示器的最高刻度線表示的訊號位
準
解析度頻寬 (RBW)在頻譜分析儀顯示器中最窄的可
量測頻率頻帶的寬度RBW 決定了分析儀可解析密集
訊號分量的能力
靈敏度頻譜分析儀顯示最低訊號位準的能力量測值
通常表示為顯示的平均雜訊位準 (DANL)
頻譜圖頻率與時間與振幅對比顯示其中頻率和 y 軸
為時間並以顏色來區分功率
頻譜訊號的頻域表示顯示其頻譜分量與頻率的功率
分配
頻譜分析用於確定射頻訊號的頻率內容的量測技術
向量訊號分析分析射頻訊號調變特性的量測技術向
量分析需要同時考量振幅和相位
縮寫參考資料
ACP相鄰通道功率 ADC類比對數位轉換器 AM振幅調變 BH4B黑色 man-Harris 4B 視窗 BW頻寬 CCDF互補累積分佈函數 CDMA分碼多重存取 CW連續波 dB分貝 dBfsdB 全刻度 DDC數位降頻轉換器 DFT離散傅立葉轉換 DPX數位螢光顯示器頻譜等 DSP數位訊號處理 EVM誤差向量振幅 FFT快速傅立葉轉換 FM頻率調變 FSK頻率偏移鍵控 IF中頻 IQ相位內正交 LO本地振盪器 NBW雜訊頻寬 OFDM正交頻分複用 PAR峰值均值比 PM相位調變 POI訊號攔截機率 PRBS擬隨機序列 PSK相位偏移鍵控 QAM正交振幅調變 QPSK正交相位偏移鍵控 RBW解析度頻寬 RF射頻 RMS均方根 RTSA即時頻譜分析儀 SA頻譜分析儀 VSA向量訊號分析儀
Copyright copy Tektronix Inc 版權所有Tektronix 產品受到已經簽發及正
在申請的美國和國外專利的保護本文中的資訊代替以前出版的所有資
料技術規格和價格如有變更恕不另行通知TEKTRONIX 和 TEK 是
Tektronix Inc 的註冊商標本文提到的所有其他商標均為各自公司的服務
標誌商標或註冊商標
2015 年 6 月 EA 37T-17249-5
![二Mt三a 7號柯婷儀[1]](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/556474d9d8b42a5b318b4f15/mta-71.jpg)
