為什么使用頻譜儀？

認(rèn)識頻譜

電磁頻譜，是指按電磁波波長（或頻率）連續(xù)排列的電磁波族，是一種看不見摸不著但時(shí)刻伴隨我們的東西。當(dāng)我們使用電磁波將一串信息發(fā)送出去時(shí)，在時(shí)域上他是一段強(qiáng)度不同，疏密變化的時(shí)間信號，在其中的任意時(shí)刻，你所能獲取的只有他的強(qiáng)度；當(dāng)我們換個(gè)角度，站在頻域上來看時(shí)，在信號的每一個(gè)時(shí)刻，你都能看到他從時(shí)域的一個(gè)點(diǎn)延展成了頻域的一個(gè)面，你所能獲取到的信息量將成倍增加，這有助于我們從中解析出更豐富的內(nèi)容。

(資料圖)

因此，電磁頻譜的觀測，或者說使用頻譜儀，我們實(shí)際上是換一個(gè)角度來看待信號，正所謂“橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同”，頻譜監(jiān)測其實(shí)是為我們觀察信號的傳輸提供了一個(gè)更全面且獨(dú)特的視角。

頻譜監(jiān)測的作用

在當(dāng)前無線通信中，我們經(jīng)常會(huì)利用微波乃至毫米波（300MHz-300GHz）的光子或電磁（EM）能量，以模擬或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的形式傳輸信息，以便能夠以成本效益高的方式傳遞安全、軍事、商業(yè)或消費(fèi)者數(shù)據(jù)。近年來隨著用戶個(gè)人移動(dòng)終端的急速增長，以及物聯(lián)網(wǎng)（IoT），智能城市，自動(dòng)駕駛等新興技術(shù)的海量終端接入(mMTC)，從基本視頻流到整個(gè)公用電網(wǎng)的所有內(nèi)容現(xiàn)在都依賴于可靠，高速和不間斷的連接。

由于實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)信號傳輸和接收的組件、設(shè)備和系統(tǒng)需要經(jīng)過設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、驗(yàn)證和維護(hù)等幾個(gè)階段，因此能夠測量射頻信號能量并提供工具分析這些射頻載波及其調(diào)制信號的設(shè)備是非常有價(jià)值的，而實(shí)時(shí)頻譜分析儀在描述組件特性，驗(yàn)證設(shè)備行為，并確保現(xiàn)場操作時(shí)的正確性能方面是強(qiáng)大且高效的。例如，干擾監(jiān)測與獲取也利用RTSA來定位破壞性設(shè)備和現(xiàn)象，否則，這些因素可能會(huì)對安全造成威脅，或阻礙正常通信流量的運(yùn)行。

頻譜分析儀原理

實(shí)時(shí)頻譜分析實(shí)現(xiàn)過程

頻譜分析儀利用射頻能量捕獲技術(shù)，將射頻信號的頻域和調(diào)制信息數(shù)字化，并為進(jìn)一步分析準(zhǔn)備數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。由于頻譜分析儀是由非完美的設(shè)備組成的，任何給定的頻譜分析儀能夠有效捕獲和分析的射頻信號的頻率范圍、帶寬、功率水平和復(fù)雜性都有限制。

頻譜分析儀的信號一般由天線射頻輸入、射頻衰減器、預(yù)選器或低通濾波器（LPF）、混頻器、中頻增益放大器和中頻濾波器組成。然后，目標(biāo)信號到達(dá)模數(shù)(ADC)轉(zhuǎn)換器，將捕獲的信號數(shù)字化，一旦射頻信號被數(shù)字化，射頻信號的時(shí)間片就會(huì)被快速傅里葉變換（FFT）計(jì)算器處理，并將其轉(zhuǎn)換為連續(xù)的頻域掃頻數(shù)據(jù)，最后經(jīng)由視頻帶寬（VBW）濾波器并顯示出來。

此外，ADC在給定時(shí)間內(nèi)可以轉(zhuǎn)換的頻率帶寬是有限的，也就是所謂的瞬時(shí)帶寬，較小的瞬時(shí)帶寬可以提供更高的測量精度，但代價(jià)是可查看的頻譜，但如果測量掃描范圍超出瞬時(shí)帶寬，則每段掃描的更新會(huì)有延遲。然而，如果一個(gè)測量掃描范圍超出了瞬時(shí)帶寬，那么在更新掃描的每個(gè)部分時(shí)將會(huì)有一個(gè)延遲。但對于調(diào)制通信信號、隨機(jī)信號或脈沖信號來說，這可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。

頻譜分析儀的射頻前端

簡單來說，任何一臺頻譜分析儀都可以將其結(jié)構(gòu)簡單化為三個(gè)部分：射頻接收前端、數(shù)字化部分以及數(shù)據(jù)處理部分。

在無線通信逐漸發(fā)展的情況下，隨著通信技術(shù)的演進(jìn)，現(xiàn)代信號已經(jīng)變得相當(dāng)復(fù)雜，在這樣的情況下，頻譜分析的射頻前端也發(fā)展出了多種形式：超外差，零中頻以及直接數(shù)字化。

超外差（super-heterodyne）

在超外差接收機(jī)中，傳入的射頻信號被混頻成較低的中頻(IF)，在那里它被濾波并隨后數(shù)字化，這種方法久經(jīng)檢驗(yàn)，性能出色，通過適當(dāng)?shù)念l率規(guī)劃，外差接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)非常好的雜散能量和噪聲性能，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

零中頻/直接變頻(homodyne)

LO的頻率與傳入的射頻信號的頻率相同,信號被混合到一個(gè)零的中頻(基帶),之后再進(jìn)行數(shù)字化，這是對ADC帶寬使用效率最高的一種，兩個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器配合工作，對I/Q信號進(jìn)行采樣，從而提高用戶帶寬，同時(shí)又不會(huì)有交織難題。對于直接變頻架構(gòu)，困擾多年的主要挑戰(zhàn)是維持I/Q平衡以實(shí)現(xiàn)合理水平的鏡像抑制、LO泄漏和直流失調(diào)。近年來，整個(gè)直接變頻信號鏈的先進(jìn)集成加上數(shù)字校準(zhǔn)已克服了這些挑戰(zhàn)，直接變頻架構(gòu)在很多系統(tǒng)中已成為非常實(shí)用的方法。

直接采樣/直接數(shù)字化（Direct Digitization）

輸入信號將會(huì)直接進(jìn)行數(shù)字化，其障礙在于很難讓轉(zhuǎn)換器工作于直接射頻采樣所需的速率并且實(shí)現(xiàn)大輸入帶寬以及實(shí)現(xiàn)大輸入帶寬。

我們將三種接收機(jī)前端的原理圖與優(yōu)劣勢進(jìn)行一個(gè)匯總，方便對比：

目前有很多實(shí)時(shí)頻譜分析儀會(huì)使用以上一種或多種結(jié)構(gòu)來作為其射頻前端，虹科實(shí)時(shí)頻譜分析儀覆蓋頻率從9kHz-8/18/27GHz，在緊湊式機(jī)箱內(nèi)同時(shí)使用了這三種前端架構(gòu)，根據(jù)選擇的頻率或瞬時(shí)帶寬手動(dòng)/自動(dòng)進(jìn)行切換，以更好的適應(yīng)現(xiàn)代信號本身。

總結(jié)

隨著頻譜監(jiān)測行業(yè)的不斷發(fā)展，頻譜儀已經(jīng)不僅局限于文中所提到的頻譜監(jiān)測與獲取，更進(jìn)一步的實(shí)時(shí)解調(diào)與分析，對比與預(yù)警等等都已經(jīng)發(fā)展極快，本文只是按照頻譜儀最基本的原理進(jìn)行了介紹和補(bǔ)充。我們將在以后的文章中總結(jié)現(xiàn)有的頻譜監(jiān)測方案，并就如何更好的使用頻譜分析儀做更詳細(xì)的解讀。