中心議題:
- 信號的矢量表示方法
- 頻譜儀數(shù)字中頻處理技術
- 信號解調方法
- 實時頻譜分析
- 雷達信號測試分析
- 發(fā)射機和頻綜源穩(wěn)定時間測量
隨著現(xiàn)代頻譜儀數(shù)字中頻處理技術的發(fā)展和應用,使其在通信、航天、計量以及軍工各個領域中的使用愈加廣泛。不僅使數(shù)字信號解調成為可能,并且為模擬調制信號的解調提供的更優(yōu)秀的方法。同時,對于發(fā)射機和頻綜源的頻率及相位穩(wěn)定時間,也可以進行精確的分析。
信號的矢量表述方法
理解信號的矢量表達以及IQ信號的概念,是現(xiàn)代頻譜分析和信號分析理解和應用的基礎。作為一個圖解工具,矢量是一個直角坐標系中的旋轉的箭頭。箭頭的長度代表信號的峰值幅度。逆時針旋轉方向為正方向。箭頭與橫軸正半軸的夾角為相位。信號周期對應于箭頭旋轉一周的時間。信號每秒鐘完成旋轉的次數(shù)對應于信號頻率。
信號矢量在縱軸上的投影長度等于信號的峰值幅度乘以相位正弦值,因此,如果信號是一個正弦波,該投影就對應于信號的瞬時幅度(見圖1)。
圖1 時域表述的正弦波與矢量信號的對應關系
用矢量表述信號,可以完整地描述信號的幅度、頻率和相位。因此,在信號分析中,我們常把信號進行矢量分解,也就是將信號分解為頻率相同、峰值幅度相同但相位相差90的兩個分量。通常,我們采用一個正弦信號(Asinwt)和一個余弦信號(Acoswt)描述這兩個分量,其中余弦分量被稱為同相分量,即I分量;正弦分量被稱為正交分量,即Q分量。
頻譜儀數(shù)字中頻處理技術
輸入頻譜儀的射頻信號經過混頻后變?yōu)橹蓄l信號IF,再經過帶通濾波器(中頻濾波器)進入A/D轉換器。在數(shù)字處理部分,對下變頻為基帶的IQ信號進行低通濾波和欠采樣,存儲在內存中,準備進一步處理,存儲的數(shù)據(jù)表述IQ信號的電壓值。
在頻譜儀設置過程中,模擬中頻濾波器帶寬為IFBW,數(shù)字處理部分的低通濾波器帶寬為解調帶寬。欠采樣使IQ信號的采樣率除以2的n次方,當解調帶寬較窄時,過高的采樣速率是毫無意義的。
圖2 頻譜儀中頻信號處理原理圖
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信號解調方法
對應內存中的IQ信號,可以采用的處理方法有:幅度分析、頻率分析、相位分析和FFT頻譜分析。在頻譜儀的矢量分析過程中,頻譜儀設置為零SPAN,也就是在固定輸入頻率處,中頻帶寬之內進行分析。
1.分析處理
(1)
其中,Am為輸入信號的幅度。根據(jù)IQ信號的每一個采樣值,可以計算出對應采樣時刻的幅度值,顯示單位可以是線性電壓值 (V), 對數(shù)電壓 (dBmV) 或功率值(dBm)。在測量時間內的所有Am數(shù)值構成IQ幅度數(shù)組Am-DC。
(2)
其中,Φm為輸入信號的相位。根據(jù)IQ信號的每一個采樣值,可以計算出對應采樣時刻的相對相位值。在測量時間內的所有Φm數(shù)值構成IQ幅度數(shù)組Φm-DC。
(3)
其中,F(xiàn)m為輸入信號的頻率。對相鄰點相位差值對時間求導,得出頻率值。在測量時間內的所有Fm數(shù)值構成IQ幅度數(shù)組Fm-DC。
(4)
其中,Spec為輸入信號中頻帶寬內的頻譜。
2. 解調方法
如前所述,對應于載波信號,可以得到隨時間變化的幅度、相位和頻率曲線以及實時頻譜。
2.1 AM解調
對AM-DC數(shù)組進行分析,此數(shù)組對應射頻功率-時間曲線TRF。
對此數(shù)組進行FFT計算,得到AF頻譜,其基波頻率即調制頻率fmod ,根據(jù)AF頻譜,可以計算調制諧波失真和信納比。
對此數(shù)組進行窄帶低通濾波,獲得載波幅度數(shù)組Vc ,計算AM-DC與Vc的差分數(shù)組,它與Vc的比值AMdeep 數(shù)組表述調制深度,對其進行檢波:正峰值 (+pk):數(shù)組中的最大值;負峰值 (+pk):數(shù)組中的最小值;峰-峰值/2 (1/2pk-pk):數(shù)組中的最大值與最小值差值的一半;均方根值 (rms):數(shù)組中數(shù)值的均方根值。
圖3 AM解調原理
2.2 FM解調
對FM-DC數(shù)組進行分析,此數(shù)組對應頻率曲線TFM 。
對此數(shù)組進行FFT計算,得到AF頻譜,其基波頻率即調制頻率fmod ,根據(jù)AF頻譜,可以計算調制諧波失真和信納比;
對此數(shù)組進行檢波,與AM解調類似,獲得峰值和均方根值。
圖4 FM解調原理
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2.3 ΦM解調
對ΦM-DC數(shù)組進行分析,此數(shù)組對應頻率曲線ΦFM 。
對此數(shù)組進行FFT計算,得到AF頻譜,其基波頻率即調制頻率fmod ,根據(jù)AF頻譜,可以計算調制諧波失真和信納比。
對此數(shù)組進行檢波,與AM解調類似,獲得峰值和均方根值。
圖5 ΦM解調原理
2.4 FM解調實例
圖6是羅德與施瓦茨公司頻譜儀選件FS-K7在分析調頻信號的應用。它采用上述解調原理,可以實時解調調頻、調幅、調相和實時頻譜。
圖6 FM解調分析
實時頻譜分析
實時頻譜分析與傳統(tǒng)的頻譜儀分析技術不同,是在傳統(tǒng)超外差式頻譜儀的基礎上,對中頻信號進行FFT分析(見公式4)。由于其實時快速的特點,在現(xiàn)代通信與雷達信號的分析中,尤其是跳頻信號的監(jiān)測,得到越來越多的應用。
實時頻譜分析同時包含AF頻譜監(jiān)測,分析AM或RF power的解調頻譜,有助于分析未知信號的符號速率。對應于非等幅連續(xù)數(shù)字調制信號(如PSK、QAM信號),在AF頻譜上,大于0Hz的第一個峰值點通常對應于信號的符號速率,使未知信號的矢量分析成為可能。
圖7 實時頻譜分析
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雷達信號測試分析
由于頻譜儀的矢量分析功能可以實時分析信號的頻率、功率、相位和實時頻譜,因此在現(xiàn)代雷達的研發(fā)和測試之中,具有矢量分析功能的頻譜儀已經成為雷達發(fā)射機及其器件的必備工具。
雷達信號分析原理與“信號解調方法”一致,分析幅度、頻率和相位在時域內的特性曲線。對于常用雷達信號,如線性調頻,巴克碼等,可以分析它們的脈內特性,包括升降沿分析、頻率特性、相位特性以及矢量圖等。
圖8 線性調頻信號分析
圖9 瞬態(tài)特性測試
雷達信號測試分為功率和頻譜測試以及脈內調制測試。圖8所示為線性調頻脈內調制測試,觀察脈內頻率變化情況,包括線性度和調頻帶寬,采用頻譜儀的矢量分析功能。在頻譜儀基本頻譜分析功能的頻域測試,可以觀察信號頻譜以及測試功率,頻譜儀時域測試或矢量分析的AM解調,可以測試脈沖波形、升降沿等信息。
發(fā)射機和頻綜源穩(wěn)定時間測量
對于發(fā)射機和頻綜源來說,它們的幅度、頻率和相位瞬態(tài)特性是重要的測試指標。一般來說,頻率穩(wěn)定時間是指發(fā)射機在輸出電平達到一定數(shù)值(通常為穩(wěn)定輸出功率-30dB)開始,監(jiān)測FM解調頻譜,直到頻率穩(wěn)定到設計限值之內的這一段時間。
其分析原理與前文“信號解調方法”一致,分析幅度、頻率和相位在時域內的特性曲線,用AM曲線定義起始時間,觀察FM和PM曲線,獲得測試結果。
結語
在現(xiàn)代頻譜分析技術中,矢量分析技術是及其重要的一環(huán),具有廣闊的發(fā)展和應用前景。同時,這也是解調分析中必不可少的手段,適用于各種模擬和數(shù)字調制信號的解調,包括一些特殊調制信號如應用在航空系統(tǒng)的VOR/ILS等。在通信信號解調分析(模擬和數(shù)字)、雷達信號分析以及頻綜瞬態(tài)分析等領域,矢量信號分析的應用在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。