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從而確保除了感興趣的頻率進(jìn)行測(cè)量以為，其它頻率都被排除。這個(gè)步驟滿(mǎn)足條件并確保對(duì)信號(hào)的帶寬進(jìn)行了限制。有兩個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致簡(jiǎn)單的抗混疊方法復(fù)雜化。個(gè)也是容易解決的因素是，抗混疊濾波器的滾降(rolloff)速率是有限的。如圖6所示，在實(shí)際濾波器的通帶和截止帶之間有一個(gè)過(guò)渡帶。這個(gè)過(guò)渡帶中的頻率可能產(chǎn)生混疊。為了避免這些混疊分量，濾波器的截止頻率必須低于理論頻率上限?s/2。解決這個(gè)問(wèn)題的簡(jiǎn)單辦法是使用過(guò)采樣(以高于Nyquist采樣率的速率進(jìn)行采樣)。使采樣頻率略高于?max的兩倍，也就是截止帶實(shí)際開(kāi)始頻率的兩倍，而不是要測(cè)量的頻率的兩倍。許多VSA的實(shí)現(xiàn)都使用保護(hù)帶以防止顯示混疊的頻率分量。
FFT計(jì)算超出50%?s(相當(dāng)于?s/2)的頻譜分量。保護(hù)帶大約在?s的40%至50%(或?s/2.56至?s/2)之間并且沒(méi)有顯示，因?yàn)樗赡鼙换殳B分量破壞。不過(guò)當(dāng)VSA軟件進(jìn)行逆FFT運(yùn)算時(shí)，在保護(hù)帶中的信號(hào)用于提供的時(shí)域結(jié)果。高滾降率濾波器再結(jié)合保護(hù)帶，會(huì)抑制潛在的混疊分量，并將它們衰減到遠(yuǎn)低于測(cè)量前端的底噪。另一個(gè)致使混疊(有限的頻率分辨率)復(fù)雜化的因素解決起來(lái)難得多。首先，為寬頻掃寬(高采樣率)設(shè)計(jì)的抗混疊濾波器不適用于測(cè)量小分辨率帶寬，原因有二個(gè):一是需要極大的樣本數(shù)量(內(nèi)存分)，二是需要驚人的FFT計(jì)算量(長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間)。例如，當(dāng)采樣率為10MHz時(shí)，一個(gè)10Hz分辨率帶寬的測(cè)量將需要超過(guò)100萬(wàn)點(diǎn)的FFT。
也就是需要使用巨大容量的存儲(chǔ)器和極長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間。這是不可接受的，因?yàn)樾》直媛蕩挼臏y(cè)量能力是VSA的一大優(yōu)勢(shì)。提高頻率分辨率的一個(gè)方法是減小?s，但代價(jià)是降低了FFT的頻率上限，也就是終分析儀的帶寬。不過(guò)，這仍不失為一個(gè)好方法，因?yàn)樗试S你控制測(cè)量分辨率和頻率范圍。當(dāng)采樣率降低時(shí)，抗混疊濾波器的截止頻率也必須降低，否則就會(huì)發(fā)生混疊。一種可能的解決方案是對(duì)每個(gè)掃寬提供一個(gè)抗混疊濾波器，或提供一個(gè)可選擇截止頻率的濾波器。使用模擬濾波器實(shí)現(xiàn)這種方案的困難很多，而且成本高昂，但是有可能通過(guò)DSP以數(shù)字形式添加額外的抗混疊濾波器。數(shù)字抽取濾波器和重采樣算法提供了頻率分辨率受限制問(wèn)題的解決方法。AgilentVSA軟件中就使用了這種方法。
數(shù)字抽取濾波器和重采樣執(zhí)行必要的操作以允許改變掃寬和分辨率帶寬。數(shù)字抽取濾波器同時(shí)降低采樣率并限制信號(hào)的帶寬(提供混疊)。輸入數(shù)字濾波器的采樣率為?s;輸出該濾波器的采樣率為?s/n，其中“n”是抽取因子，為整數(shù)值。類(lèi)似的，輸入濾波器的帶寬為“BW”，輸出濾波器的帶寬為“BW/n”。許多實(shí)現(xiàn)過(guò)程執(zhí)行二進(jìn)制抽取(采樣率按1/2的速度降低)，這意味著采樣率按2的整數(shù)冪改變，即步進(jìn)值為1/(2n)(1/1/1/8......)。通過(guò)“除以2n”得出的頻率掃寬稱(chēng)為基數(shù)掃寬。由于減少了DSP操作，通常在基數(shù)掃寬上進(jìn)行的測(cè)量比在任意掃寬上進(jìn)行的測(cè)量要快。抽取濾波器允許采樣率和掃寬以2的冪次改變。
要獲得任意掃寬，采樣率必須是無(wú)限可調(diào)的。這由抽取濾波器之后的重采樣或插值濾波器來(lái)完成。盡管數(shù)字重采樣濾波器在降低采樣率的同時(shí)提供了混疊的，模擬抗混疊濾波器仍然是必要的，因?yàn)閿?shù)字重采樣濾波器本身也是一個(gè)被采樣系統(tǒng)，必須被防止出現(xiàn)混疊。模擬抗混疊濾波器運(yùn)行于?s上，保護(hù)寬頻率掃寬上的分析。在模擬濾波器之后的數(shù)字濾波器，為較窄的、用戶(hù)定義的掃寬提供抗混疊能力。當(dāng)抗混疊涉及帶限信號(hào)，并使用示波器作為VSA軟件前端時(shí)，還必須采取額外的措施。下一個(gè)限制小分辨率帶寬分析的復(fù)雜因素來(lái)源于FFT算法自身的本質(zhì)特性;FFT實(shí)質(zhì)上是一個(gè)基帶轉(zhuǎn)換。這意味著FFT頻率范圍從0Hz(或DC)開(kāi)始，一直到某個(gè)大頻率(?s/2)結(jié)束。
在小頻段需要被分析的測(cè)量情況中，這可能是一個(gè)重大限制。例如，如果測(cè)量前端的采樣率為10MHz，頻率范圍將從0Hz到5MHz(?s/2)。如果時(shí)間樣本數(shù)量(N)為1024，那么頻率分辨率將為9.8kHz(?s/N)。這意味著接近9.8kHz的頻率可能無(wú)法分辨。如前所述，可以通過(guò)改變采樣率來(lái)控制頻率掃寬，但是由于掃描范圍的起始頻率是DC，所以分辨率仍然受到限制。頻率分辨率可以任意提高，但是付出的代價(jià)是高頻率的降低。這些限制的解決方法是帶寬選擇分析，又稱(chēng)為“縮放操作”或“縮放模式”。縮放操作使您可以在保持中心頻率不變的情況下減小頻率掃寬。這點(diǎn)非常有用，因?yàn)槟憧梢苑治龊筒榭催h(yuǎn)離0Hz的小頻率分量。縮放操作允許你將測(cè)量焦點(diǎn)放在測(cè)量前端頻率范圍內(nèi)的任意頻率點(diǎn)處(圖7)。
傳統(tǒng)的掃描調(diào)諧式頻譜分析是一個(gè)模擬系統(tǒng);而VSA基本上是一個(gè)使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和數(shù)學(xué)算法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的數(shù)字系統(tǒng)。VSA軟件可以接收并分析來(lái)自許多測(cè)量前端的數(shù)字化數(shù)據(jù)，使您的故障診斷可以貫穿整個(gè)系統(tǒng)框圖。圖1.矢量信號(hào)分析過(guò)程要求輸入信號(hào)是一個(gè)被數(shù)字化的模擬信號(hào)，然后使用DSP技術(shù)處理并提供數(shù)據(jù)輸出;FFT算法計(jì)算出頻域結(jié)果，解調(diào)算法計(jì)算出調(diào)制和碼域結(jié)果。VSA的一個(gè)重要特性是它能夠測(cè)量和處理復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，即幅度和相位信息。實(shí)際上，它之所以被稱(chēng)為“矢量信號(hào)分析”正是因?yàn)樗杉瘡?fù)數(shù)輸入數(shù)據(jù)，分析復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，并輸出包含幅度和相位信息的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果。矢量調(diào)制分析執(zhí)行測(cè)量的基本功能。在下一篇“矢量調(diào)制分析基礎(chǔ)”中。
您將了解到矢量調(diào)制與檢波的概念。在使用適當(dāng)前端的情況下，VSA可以覆蓋射頻和微波頻段，并能提供額外的調(diào)制域分析能力。這些改進(jìn)可以通過(guò)數(shù)字技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，以及包含數(shù)字中頻(IF)技術(shù)和快速傅立葉變換(FFT)分析的DSP。因?yàn)橐治龅男盘?hào)變得越來(lái)越復(fù)雜，一代的信號(hào)分析儀已經(jīng)過(guò)渡到數(shù)字架構(gòu)，并且往往具有許多矢量信號(hào)分析和調(diào)制分析的能力。有些分析儀在對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，或進(jìn)行一次或多次下變頻之后，就在儀器的輸入端數(shù)字化信號(hào)。在大部分現(xiàn)代分析儀中，相位連同幅度信息都被保留以進(jìn)行真正的矢量測(cè)量。另一方面，其它的前端如示波器和邏輯分析儀等對(duì)整個(gè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，同時(shí)也保留了相位和幅度信息。VSA無(wú)論作為合成的測(cè)量前端的一部分。
還是單獨(dú)在內(nèi)部運(yùn)行或在與前端相連的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的軟件，它的分析能力都依賴(lài)于前端的處理能力，無(wú)論前端是綜合測(cè)量專(zhuān)用軟件，還是矢量分析測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)并產(chǎn)生復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果。VSA相比模擬掃描調(diào)諧分析有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)是它能夠更好地測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)。動(dòng)態(tài)信號(hào)通常分為兩大類(lèi):時(shí)變信號(hào)或復(fù)數(shù)調(diào)制信號(hào)。時(shí)變信號(hào)是指在單次測(cè)量掃描過(guò)程中，被測(cè)特性發(fā)生變化的信(例如突發(fā)、門(mén)限、脈沖或瞬時(shí)信)。復(fù)數(shù)調(diào)制信號(hào)不能用簡(jiǎn)單的AM、FM或PM調(diào)制單獨(dú)描述，包含了數(shù)字通信中大多數(shù)調(diào)制方案，例如正交幅度調(diào)制(QAM)。掃描調(diào)諧分析顯示了一個(gè)窄帶IF濾波器對(duì)輸入信號(hào)的瞬時(shí)響應(yīng)。矢量分析使用FFT將大量時(shí)域采樣轉(zhuǎn)換到頻域頻譜。
傳統(tǒng)的掃描頻譜分析實(shí)際上是讓一個(gè)窄帶濾波器掃過(guò)一系列頻率，按順序每次測(cè)量一個(gè)頻率。對(duì)于穩(wěn)定或重復(fù)信號(hào)，這種掃描輸入的方法是可行的，然而對(duì)掃描期間發(fā)生變化的信號(hào)，掃描結(jié)果就不能地代表信號(hào)了。還有，這種技術(shù)只能提供標(biāo)量(僅有幅度)信息，不過(guò)有些信號(hào)特征可以通過(guò)進(jìn)一步分析頻譜測(cè)量結(jié)果推導(dǎo)得出。VSA測(cè)量過(guò)程通過(guò)信號(hào)“快照”或時(shí)間記錄，然后同時(shí)處理所有頻率，以仿真一系列并聯(lián)濾波器從而克服了掃描局限。例如，如果輸入的是瞬時(shí)信號(hào)，那么整個(gè)信號(hào)被捕獲(意味著該時(shí)刻信號(hào)的所有信息都被捕獲和數(shù)字化);然后經(jīng)過(guò)FFT運(yùn)算，得出“瞬時(shí)”復(fù)數(shù)頻譜對(duì)頻率的關(guān)系。這一過(guò)程是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，所以就不會(huì)丟失輸入信號(hào)的任何部分。
基于這些，VSA有時(shí)又稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)信號(hào)分析”或“實(shí)時(shí)信號(hào)分析”。不過(guò)，VSA跟蹤快速變化的信號(hào)的能力并不是無(wú)限制的。它取決于VSA所具有的計(jì)算能力。并行處理為高分辨率(窄分辨率帶寬)測(cè)量帶來(lái)另一個(gè)潛在的優(yōu)勢(shì)：那就是更短的測(cè)量時(shí)間。如果你曾經(jīng)使用過(guò)掃描調(diào)諧頻譜分析儀，就會(huì)知道在較小小頻率掃寬下的窄分辨率帶寬(RBW)測(cè)量可能非常耗時(shí)。掃描調(diào)諧分析儀對(duì)逐點(diǎn)頻率進(jìn)行掃描的速度要足夠慢以使模擬分辨率帶寬濾波器有足夠的建立時(shí)間。與之相反，VSA可以測(cè)量整個(gè)頻率掃寬。不過(guò)，由于數(shù)字濾波器和DSP的影響，VSA也有類(lèi)似的建立時(shí)間。與模擬濾波器相比，VSA的掃描速度主要受限于數(shù)據(jù)采集和數(shù)字處理的時(shí)間。但是，VSA的建立時(shí)間與模擬濾波器的建立時(shí)間相比通常是可以忽略不計(jì)的。
對(duì)于某些窄帶測(cè)量，VSA的測(cè)量速度可以比傳統(tǒng)的掃描調(diào)諧分析快1000倍。在掃描調(diào)諧頻譜分析中，掃描濾波器的物理帶寬限制了頻率分辨率。VSA沒(méi)有這一限制。VSA能夠分辨間隔小于100μHz的信號(hào)。VSA的分辨率通常受限于信號(hào)和測(cè)量前端的頻率穩(wěn)定度，以及在測(cè)量上希望花費(fèi)的時(shí)間的限制。分辨率越高，測(cè)量信號(hào)所需要的時(shí)間(獲得要求的時(shí)間記錄長(zhǎng)度)就越長(zhǎng)。另一個(gè)極為有用的特性是時(shí)間捕獲能力。它使你可以完整無(wú)缺地記錄下實(shí)際信號(hào)并在以后重放，以便進(jìn)行各種數(shù)據(jù)分析。捕獲的信號(hào)可用于各種測(cè)量。例如，捕捉一個(gè)數(shù)字通信的發(fā)射信號(hào)，然后既進(jìn)行頻譜分析也進(jìn)行矢量調(diào)制分析，以測(cè)量信號(hào)質(zhì)量或識(shí)別信號(hào)缺損。使用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)還帶來(lái)其它優(yōu)勢(shì)；
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