引言

隨著現代頻譜儀數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

圖2 頻譜儀中頻信號處理原理圖

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，存儲的數據表述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。

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

其中，Am為輸入信號的幅度。根據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), 對數電壓 (dBmV) 或功率值(dBm)。在測量時間內的所有Am數值構成IQ幅度數組Am-DC。

其中，Φm為輸入信號的相位。根據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數值構成IQ幅度數組Φm-DC。

其中，Fm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數值構成IQ幅度數組Fm-DC。

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。

AM解調

對AM-DC數組進行分析，此數組對應射頻功率-時間曲線TRF。

對此數組進行FFT計算，得到AF頻譜，其基波頻率即調制頻率fmod ，根據AF頻譜，可以計算調制諧波失真和信納比。

對此數組進行窄帶低通濾波，獲得載波幅度數組Vc ，計算AM-DC與Vc的差分數組，它與Vc的比值AMdeep 數組表述調制深度，對其進行檢波：正峰值 (+pk)：數組中的最大值;負峰值 (+pk)：數組中的最小值;峰-峰值/2 (1/2pk-pk)：數組中的最大值與最小值差值的一半;均方根值 (rms)：數組中數值的均方根值。

圖3 AM解調原理

圖4 FM解調原理

圖5 ΦM解調原理

FM解調

對FM-DC數組進行分析，此數組對應頻率曲線TFM 。

對此數組進行FFT計算，得到AF頻譜，其基波頻率即調制頻率fmod ，根據AF頻譜，可以計算調制諧波失真和信納比;

對此數組進行檢波，與AM解調類似，獲得峰值和均方根值。

ΦM解調

對ΦM-DC數組進行分析，此數組對應頻率曲線ΦFM 。

對此數組進行FFT計算，得到AF頻譜，其基波頻率即調制頻率fmod ，根據AF頻譜，可以計算調制諧波失真和信納比。

對此數組進行檢波，與AM解調類似，獲得峰值和均方根值。

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

圖7 實時頻譜分析

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。

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。