圖1. TEK049平臺和超低噪聲前端TEK061

 

數字下變頻 (DDC)

 

基于TEK049/TEK061 創(chuàng )新平臺的Spectrum View頻譜分析功能，采用了數字下變頻技術(shù)，得到數字IQ信號后再進(jìn)行FFT，從而保證了頻譜測試的靈活性和快捷性。圖2給出了信號采集和處理架構示意圖，模擬信號經(jīng)過(guò)ADC轉換為數字信號后，時(shí)域和頻域是并行處理的，使得時(shí)域和頻域捕獲時(shí)間可以獨立設置。

 

圖2. TEK049/TEK061信號采集和分析架構示意圖

 

數字下變頻廣泛應用于無(wú)線(xiàn)通信系統中，下變頻的過(guò)程如圖3所示，包括數字IQ解調、低通濾波和樣點(diǎn)抽取 (或稱(chēng)為重采樣) 等功能部分。數字IQ解調器的本振頻率與Spectrum View中設置的中心頻率相同，從而完成載波對消得到零中頻信號；低通濾波器用于濾除高階混頻產(chǎn)物，最后經(jīng)過(guò)樣點(diǎn)抽取得到IQ信號。

 

Spectrum View處理的是數字IQ信號，這也是相對于傳統FFT的一大特色。相對于原始采集信號，IQ信號攜帶的頻率要低很多，對IQ數據重采樣無(wú)需太高采樣率，大大降低了數據量，而捕獲時(shí)間 (SpectrumTime) 又不受影響，即使需要較低的RBW，仍然具有非常高的處理速度。

 

圖3. 數字下變頻后得到IQ數據

 

圖4. 對I/Q樣點(diǎn)數據重采樣示意圖

 

為了便于理解，圖4給出了對I/Q樣點(diǎn)重采樣的示例，假設重采樣率為原始采樣率的1/5，重采樣的過(guò)程就是從5個(gè)原始樣點(diǎn)中抽取一個(gè)樣點(diǎn)的過(guò)程，該過(guò)程并沒(méi)有改變相對時(shí)序關(guān)系，這意味著(zhù)經(jīng)過(guò)樣點(diǎn)抽取后，相同的樣點(diǎn)數目具有更大的Spectrum Time，從而實(shí)現高頻率分辨率。

 

頻譜泄露 (Spectral Leakage)

 

FFT變換是在一定假設下完成的，即認為被處理的信號是周期性的。圖5給出了一正弦信號的采集樣點(diǎn)波形，如果對Frame 1作FFT運算，則會(huì )對其進(jìn)行周期擴展。顯然，在周期擴展的時(shí)候，造成了樣點(diǎn)的不連續，樣點(diǎn)不連續等同于相位不連續，這將導致產(chǎn)生額外的頻率成分，該現象稱(chēng)為頻譜泄露。

 

頻譜泄露產(chǎn)生了原本信號中并不包含的頻率成分，如圖6所示，信號的頻率本應只在虛線(xiàn)位置，但由于樣點(diǎn)不連續，FFT之后導致產(chǎn)生了諸多頻率點(diǎn)，如圖所示的實(shí)線(xiàn)位置。頻譜泄露會(huì )擾亂測試，尤其在觀(guān)測小信號時(shí)，較強的頻譜泄露成分可能淹沒(méi)比較微弱的信號。

 

如何避免或者降低頻譜泄露呢？這就需要使用下文介紹的時(shí)間窗 (Window) 技術(shù)。

 

圖5. 正弦信號采集樣點(diǎn)(上)和Frame 1周期擴展波形(下)

 

圖6. 樣點(diǎn)不連續導致頻率泄露

 

時(shí)間窗 (Window)

 

如果能夠消除樣點(diǎn)不連續，就可以消除頻譜泄露。為了實(shí)現這一點(diǎn)，需要引入時(shí)間窗 (Window)，時(shí)間窗包含的樣點(diǎn)數目與信號相同，而且兩端的樣點(diǎn)值通常為0。在FFT之前，時(shí)間窗與波形相乘，周期擴展后可以保證樣點(diǎn)的連續性。

 

圖7. 引入時(shí)間窗(Kaiser Window)降低了樣點(diǎn)不連續

 

時(shí)間窗相當于一個(gè)濾波器，不同的時(shí)間窗具有不同的頻響特性，比如邊帶抑制、矩形因子等，相應的幅度測試精度也不同。雖然基于FFT的頻譜分析中沒(méi)有IF filter，但是依然有RBW的概念，時(shí)間窗就決定了RBW的形狀和大小。

 

常見(jiàn)的時(shí)間窗類(lèi)型包括：Kaiser、Rectangular、Hamming、Hanning、Blackman-Harris、Flat-Top等。作為示例，圖8給出了Kaiser時(shí)間窗的時(shí)域波形及幅頻響應，其中幅頻響應的3dB帶寬即為RBW。

 

RBW稱(chēng)為分辨率帶寬，決定了頻率分辨率，RBW越小，分辨率越高。RBW與時(shí)間窗寬度 (即SpectrumTime) 成反比，但即使時(shí)間窗寬度相同，不同的時(shí)間窗類(lèi)型對應的RBW也不同，存在一個(gè)因子k，并滿(mǎn)足如下關(guān)系：

 

 

表格1給出了不同時(shí)間窗類(lèi)型對應的比例因子 (Window Factor)。

 

圖8. Kaiser Window (β=16.7)的時(shí)域波形(左)和幅頻響應(右)

 

表1. 不同時(shí)間窗對應的窗口因子

 

Spectrum View支持多種時(shí)間窗，那么測試時(shí)如何選擇時(shí)間窗呢？

 

不同類(lèi)型時(shí)間窗的應用場(chǎng)合也不相同，應根據待測信號的特點(diǎn)加以選擇。表格2分別從頻譜泄露、幅度測試精度及頻率分辨率三個(gè)方面加以對比。值得一提的是，除了Rectangular時(shí)間窗，其它窗口類(lèi)型均適用于寬帶調制、寬帶噪聲信號的頻譜測試。

 

表2. 不同時(shí)間窗的特點(diǎn)及應用場(chǎng)景

 

小結

 

文中介紹得Spectrum View功能，側重描述了所采用的數字下變頻技術(shù)及其相對于示波器傳統FFT測試頻譜的優(yōu)勢。對于FFT過(guò)程中可能遇到的頻譜泄露效應，為什么采用時(shí)間窗可以進(jìn)行規避或減弱，時(shí)間窗與分辨率帶寬RBW有什么關(guān)系，以及測試不同的信號時(shí)，應該如何選擇時(shí)間窗，這些內容文中都有所描述。通過(guò)文中的介紹，可以使用戶(hù)更好地理解和掌握Spectrum View的應用。

 

 

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