CN101300498B - 利用实时频谱分析仪的瞬时信号的宽带宽频谱分析 - Google Patents

Abstract

一种利用实时频谱分析仪(RTSA)对瞬时信号进行宽带宽频谱分析的系统和方法。选择用于RTSA获取的频率窗口，该频率窗口的带宽比感兴趣频谱的带宽窄。将RTSA连续调谐到在感兴趣的频谱内的多个不同的频率，其中基于该信号的特性来控制该连续调谐。接收RF信号，以及对多个不同频率中的每一个，在该频率为中心的频带内获得该信号的功率数据，并使带宽等于该频率窗口。然后，根据在RTSA的连续调谐期间获得的功率数据构造感兴趣频谱的表示。

Description

利用实时频谱分析仪的瞬时信号的宽带宽频谱分析

相关申请的交叉参考

本申请要求2005年11月4日提交的申请号为60,733,521的美国临时申请的权益，其全部内容通过参考包括在本申请中。

背景技术

频谱分析仪已长期用于RF信号的频率分析。存在有各种类型的频谱分析仪，其中一种较新的类型是实时频谱分析仪(RTSA)。RTSA设备的有效技术提高计算能力，以执行RF信号的近瞬时(near-instant)频域变换。与仅在给定时刻的相对窄的带宽内监控频域信息的扫描频谱分析仪相比，可监控并同时更新相对宽范围的频率，。

通过允许光谱事件的实时观察，RTSA设备在现代RF环境中非常有用，该RF环境的复杂性增加，包括不能用传统的扫描频谱设备进行分析的暂态特性。然而，目前的RTSA设备确实有带宽限制。因此，当感兴趣的频谱在带宽方面增加时，RTSA设备提供实时光谱显示的能力降低。

附图说明

附图1是扫描频谱分析仪的示意图。

附图2是实时频谱分析仪(RTSA)的示意图。

附图3是零档位(zero-span)FPGA组件的示意图，该组件与附图2的分析仪连接以促进改进的宽带宽RTSA分析。

附图4所示的是用RTSA设备执行宽带宽频谱分析的一种典型方法。

具体实施方式

附图1示意性地描绘了扫描频谱分析仪10。分析仪10的前端12包括接收待分析信号的输入端14。分析仪的前端还包括具有向混频器22馈送的输出端的可调扫描发生器16，混频器22也接收待分析的输入信号。混频器22的输出通过IF滤波/RBW块24被滤波。混频器22和滤波器24执行RF下变频并对结果信号进行放大(例如用放大器30)，通过视频BW 34对包络线进行检测(例如通过32)以及对视频进行滤波。在显示器36上显示结果信号，通常显示在显示器的y轴上。换句话说，对RF前端的扫描是在感兴趣的频率范围中。在扫描中的每个频率上，电路都执行滤波、检测和显示RF功率。

一般地，分析仪10配置为提供连续频率扫描，其能够在非常宽的频带上测量RF功率。除了具有非常好的频率覆盖范围之外，典型实施例中，分析仪10还具有高动态范围和良好的本地振荡器相位噪声性能。

然而，扫描频谱分析仪并不是对所有的应用都是理想的。分析仪的前端处的频率预选器和IF滤波/分辨率带宽是窄带，这样在任意给定时间分析仪仅呈现小带宽的数据。扫描频谱分析仪不能提供RF信号频率分量的实时测量。就是说，即使观察到的频谱可能是非常宽的，在特定时间也仅能测量当前扫描所在的频率处。扫描之间未分析的空白期间是未决的(problematic)，尤其是对于表现暂态现象的信号，例如脉冲、跳频等。

附图2示意性地描绘了执行频谱分析的不同类型的设备，其在这里称作实时频谱分析仪(RTSA)。与分析仪10类似，图示的分析仪(一般用40表示)具有前端RF下变频器41，该RF下变频器41包括混频器42和滤波器44，接收输入RF信号并且是可调谐的(通过46)，由此分析输入的RF信号的频率或频率范围。前端RF下变频器41被配置为将仪器的频率范围(例如8GHz)内的任何信号下变频为IF信号。与之前的分析仪相比，RTSA 40的前端被逐步调谐，并且RTSA的IF带宽通常比传统的SA宽。即，离散地调谐分析仪的前端以覆盖频率范围，而不是扫描全部感兴趣的频谱。换句话说，将扫描频谱分析仪被调谐为相对窄的带宽，但扫描全部感兴趣的频谱，而RTSA具有前端，调谐该前端以覆盖未被扫描的感兴趣的频谱。

因此，RTSA40具有比扫描频谱分析仪10更宽的捕获带宽。在RTSA中，采样IF信号(即下变频器的下游)并且用高速模数转换器50在RTSA的整个捕获带宽上对其进行数字化。这产生来自ADC的RF信号的连续时域表示。捕获之前，DSP 52执行实时处理，例如时域内的采样速率变换以及平坦度和相位校正。RTSA体系通过数字化RF信号和在存储器中存储时间上连续的采样来允许输入信号以时间上无间隙地被连续捕获。正如下面解释的，可如期望的那样将RTSA的捕获带宽设置在小于该设备的最大可能值的水平。实时捕获和前端处理也允许在时域、频域和调制域内同时分析RF信号。一般地，RTSA也包括存储器54和显示器56。也可提供零档位FPGA 60，其配置为促进经过滤波的时域表示的生成和实时的信号功率的计算。

由于具有实时处理频谱数据的能力以及利用一系列相对窄带的时域功率测量来执行宽带分析的能力，附图2中的RTSA可有利地用于在各种设置中。RTSA甚至可用于分析非常宽的频域分布。在一些情况中，频域分布会比RTSA的最大捕获带宽更宽。例如，具有窄脉冲宽度的某些脉冲RF信号可产生宽频域分布。

例如，假设RTSA设备的最大捕获带宽是110MHz，而感兴趣的频率范围是500MHz。在这种情况下，RTSA不能立刻实时捕获整个范围。

为了捕获整个频谱的频域表示，可以因此期望将RTSA 40调谐到要获得的期望频谱的多个不同部分。然后，合并多个不同频率处的信号功率信息以形成相对宽的感兴趣频谱的频域轨迹。这样，以与扫描频谱分析仪类似的方式操作RTSA。具体地，将分析仪调谐到频谱中的不同位置以获得相应频谱部分的频率信息(例如信号能量电平)。

一种方法，包括逐步地在全部感兴趣的频率范围内连续调谐RTSA。在每一被调谐的位置的时候，RTSA就获得该位置的功率信息，例如频率带中的峰值功率电平。然而，为了在宽频范围上生成包含频谱分量的瞬时信号的正确频谱，当出现感兴趣的的信号特性(例如RF脉冲)时，必须要捕获希望范围(一段时间))的每一部分。

利用没有任何参考的逐步调谐方法，当出现信号特性时，导致减缓频谱获取。如果RTSA快速逐步通过要获得的整个频谱，可以在任何给定调谐中都不出现调谐带宽中的RF信号的包含分量的部分。在一些情况下，RTSA将不得不先在整个感兴趣的频谱中循环多次，对于给定频带，RTSA时序与正被分析的信号的相应带内频率分量一致。

另一种方法，包括用外部触发使RTSA的调谐与正在被分析的信号同步。一般地，利用待分析的信号产生该外部触发，并由此要求访问信号源。可选地，基于对接收信号的分析产生或推测外部触发；然而，这个方法会需要额外的硬件和复杂性。但是，在应用时，外部触发可用于智能化地调谐RTSA，以使获取整个频谱的功率信息所需时间最少化。在该外部触发是可能和可行的情况下，它比之前的非同步的例子有所改进。该改进由必须调谐RTSA到给定频带的时间减小而产生，这是为了获得出现在那个频带中的频率分量的相关功率信息。

取代外部触发，频谱分析仪也可产生内部触发。例如，这可利用现有的诸如频率掩蔽触发或功率触发的内部触发来实现。在一些情况下，这可能要求多变量频率掩蔽或功率触发电平(与频谱的每一接合段一样多)。另外，依据信号特性，范围内的一些频率可能实际上不包含要触发的信号功率。在许多设置中，由于在典型的RTSA配置中仅存在一条RF信号路径，这一方法明显地受到限制。

现在参考附图3和4，其中示出使用RTSA设备的又一方法。这一典型方法将主要结合上述的设备实施例进行描述。然而，应当理解，该方法可用于不同的设备，和/或设备组合。

虽然它们已经证明在形成瞬时信号的频谱表示方面特别有用，其中感兴趣的频率范围超过由RTSA使用的捕获带宽，但该方法仍可用于各种不同的设置中。这能够在感兴趣的频谱的带宽比RTSA设备的最大捕获带宽能力更宽时发生。例如，一些RTSA具有110MHz的最大捕获带宽。因此这里所描述的典型方法由此可用于这样的设备，以分析具有500MHz频谱分布的信号。在这种情况下，RTSA设备可以用于零档位模式，基于被检测信号的脉冲重复速率或一些其它特性同步进行内频谱调谐和再调谐。另外，在一些情况下，有意设置RTSA的捕获带宽比该设备的最大捕获能力小是有利的。然后，在达到捕获带宽比期望频谱分布窄的程度下，该方法可有利地用于以更高分辨率分析频谱。

为了用这里描述的方式使用RTSA，使用零档位FPGA60。在附图3的示例中，FPGA60配置为接收来自DSP 52的输出并基于在频带中检测的功率电平产生迹线点，其中在该频带调谐RTSA设备。零档位性能和功率检测特征将在下面更详细地描述。

现在参考附图4，在102，该方法可首先包括检测或触发感兴趣的频谱事件。这种检测可通过RTSA设备内执行的依据频率掩蔽来实现。一旦感兴趣的事件出现，该方法包括进入捕获控制程序，如104所示。然而，应当理解，在许多应用中可省略触发步骤。实际上，如下所解释的，所描述的典型方法的一个好处是，其可用于有效地执行宽带分析而不依赖触发或任何特定的频谱事件。

在捕获控制期间，选择采集窗口，如106所示。该采集窗口还可称作频率窗口或捕获带宽。如上所述，在一些情况下，这简单地是RTSA设备的最大捕获带宽，而在另外一些情况下可以使用较窄的频率窗口，如希望的分辨率或其它要考虑的情况所规定的。

然后在108，调谐RTSA设备到感兴趣的频谱内的位置。一般地，每次调谐都保持一定的时间间隔。如下详细的描述，该间隔(例如，对特定频率点进行功率测量的时间)可基于被检查信号的特性被控制，例如脉冲宽度。在捕获控制期间(即，调谐到感兴趣频谱内的不同频率位置，并在每次调谐维持的时间间隔)，可获得每个调谐位置的功率数据(110)，并且产生的捕获数据可以用于更新感兴趣频谱的显示(112)。

如图所示，捕获一般包括多次连续调谐RTSA设备到感兴趣频谱内的不同位置(频带)。可以选择、排序和/或定时子谱带的调谐，以获得任何期望调谐方案。例如，可以在感兴趣的频谱内连续逐步调谐RTSA，在每一被调谐位置都保持相同的时间。可选择地，分辨率和/或时序可以与位置有关，这样，在某些频率，产生的频谱的分辨率比其它位置更高或更低。时序也可以依照频谱中的位置而改变。另外，为了获得接合(stitching)过程的所有功率电平轨迹，该调谐可以在感兴趣的频谱周围跳跃，而不是从较低频带到较高频带逐步地通过频谱，反之亦然。

一般地，选择时序、分辨率和/或其它参数以有效地产生期望频谱。实际上，经常会期望仅在每次更新轨迹的时候通过将RTSA调谐到跨度内的每个位置来产生频谱，或是另外采用策略减少产生感兴趣频谱所需的时间。

在一些设置中，通过基于输入信号的特性控制RTSA调谐的时序可实现有效频谱的产生。例如，可基于被分析的脉冲RF信号的脉冲宽度、脉冲重复速率、脉冲关/开时间/占空系数来触发或同步RTSA时序。作为一个例子，脉冲重复速率可以是再调谐的决定因子，而脉冲宽度可以用于时间间隔控制，但实施例并不限于这些应用。此外，在108执行的RTSA调谐(即，“捕获控制”)可以根据脉冲宽度(例如，从最初的信号分析得出的估计脉冲宽度)保持一个时间间隔。基于脉冲宽度的RTSA调谐的捕获控制可以确保：当RTSA被调谐到特定位置时，系统实际上将接收对应于被调谐的频率带的信号分量。换句话说，基于脉冲宽度的捕获控制可以确保：对于发生对应给定频带的频谱事件，给定频带调谐保持足够长的时间间隔。并且，一般地，执行脉冲宽度控制以使调谐保持的时间不长于出现频谱事件所需要的时间，从而使产生期望频谱锁需要的时间最小化。

因此，将期望频谱接合到一起的连续调谐可以包括(a)选择捕获带宽；(b)选择将RTSA调谐到给定位置的时间；和/或(c)选择调谐发生的顺序或次序-例如从一段到一段地增加、减小、或随机地进行，或者以某种控制方案而不是仅仅增加或减小。

在110获得的功率数据可以包括下述的一个或更多：(1)获得间隔期间的频带的峰值功率电平；(2)获得频带的最小功率电平；(3)获得频带的平均功率。

如112所示，在获得功率电平数据时更新显示的频谱。另外或可选择的，在获得所有的功率电平之后，可以通过组合所有获得的感兴趣频谱的功率数据来将感兴趣的频谱接合在一起，如114所示。

仍参考关于附图4所描述的捕获特征，当获得更多关于被分析信号的信息时，RTSA调谐的同步可以随时间动态适应。例如，基于脉冲宽度的间隔控制可以利用脉冲宽度的大致估计来开始执行。获得关于该信号的信息越多，得到的估计越精确，使得能够调节至RTSA调谐的同步(例如，通过使用更新的估计)。另外，可以最初完全不触发调谐，并且仅以预设的再调谐速率循环通过感兴趣的频谱。在该模式期间，获得关于信号的一些信息。在某点处，获取充足的信息以允许估计脉冲宽度、脉冲重复速率、脉冲关/开时间/占空系数等，在该点处，这个估计可以用于控制RTSA调谐的时序。

虽然已经对当前实施例和方法执行进行了具体的显示和描述，但是，本领域技术人员应当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以作多种修改。说明书应当理解为包括这里描述部分的所有新颖和非显而易见的组合，并且权利要求书可出现在这个或者随后的申请中，以及这些部分的任何新颖和非显而易见的组合。在权利要求书中的“一个”或“第一”元件或类似的表述地方，这个权利要求应理解为包括一个或多个这种元件的组合，既不要求也不排除两个或多个这种元件。

Claims (24)

1.一种在感兴趣频谱内对信号执行频谱信号分析的方法，包括：

选择用于实时频谱分析仪获取的频率窗口，所述频率窗口的带宽比所述感兴趣频谱的带宽窄；

将实时频谱分析仪连续调谐到所述感兴趣频谱内的多个不同频率，其中这样的连续调谐是基于所述信号的特性予以控制的；

接收所述信号并且对于所述多个不同频率中的每一个，在以该频率为中心的频带内获取所述信号的功率数据，并且使带宽等于所述频率窗口的带宽；和

根据在对实时频谱分析仪的连续调谐期间获取的所述功率数据来构建所述感兴趣频谱的表示。

2.依照权利要求1所述的方法，其中所述特性是下面中的至少一个：脉冲宽度、脉冲重复率、和脉冲关/开时间/占空系数，并且其中该方法包括基于所述特性来定时所述实时频谱分析仪的所述连续调谐。

3.依照权利要求2所述的方法，其中基于所述特性定时所述实时频谱分析仪的所述连续调谐包括：使用初始脉冲宽度估计，和然后随后获得的改进的脉冲宽度、脉冲重复率、和脉冲关/开时间/占空系数估计。

4.依照权利要求1所述的方法，其中选择所述频率窗口和所述多个不同频率，以便基本上跨越整个感兴趣频谱。

5.依照权利要求1所述的方法，其中基于对所述信号的特性的初始估计来开始定时所述连续调谐，以及然后基于对所述信号的特性的更新估计进行随后的定时。

6.依照权利要求1所述的方法，还包括：在显示设备上显示所述感兴趣频谱的表示。

7.依照权利要求1所述的方法，其中获取功率数据包括获取所述频带的峰值功率电平。

8.依照权利要求1所述的方法，其中获取功率数据包括获取所述频带的平均功率电平。

9.依照权利要求1所述的方法，其中获取功率数据包括获取所述频带的最小功率电平。

10.一种电子测量设备，包括：

配置为用以接收信号的可调谐接收器；

在工作中与所述可调谐接收器耦合的模数转换器；

数字信号处理器，配置为对接收自所述模数转换器的时域数字信号执行预捕获实时处理，在经由所述可调谐接收器的操作所选择的频带上执行这样的实时处理；

在工作中与所述可调谐接收器和数字信号处理器耦合的控制器和存储器，所述控制器和存储器被配置为：

使所述可调谐接收器连续调谐到感兴趣频谱内的多个不同频带中的每一个上，每个频带具有比所述感兴趣频谱窄的带宽；

对于所述多个不同频带中的每一个，使所述数字信号处理器在接收的数字信号的各自频带内产生要保存在所述存储器中的时域采样；和

对于所述多个不同频带中的每一个，获得各自时域采样的功率电平，

其中所述控制器被配置为根据针对所述多个不同频带中的每一个所获得的功率电平，针对所述感兴趣频谱构造所接收的数字信号的频率轨迹。

11.依照权利要求10所述的电子测量设备，其中所述控制器被配置为基于所接收的数字信号的特性来控制所述可调谐接收器的所述连续调谐。

12.依照权利要求11所述的电子测量设备，其中所述特性是所接收的数字信号的脉冲宽度、脉冲重复率和脉冲关/开时间/占空系数中的至少一个。

13.依照权利要求12所述的电子测量设备，其中所述控制器被配置为使所述可调谐接收器到所述多个不同频带中的每一个上的调谐保持一时间间隔，所述时间间隔是基于所述特性来确定的。

14.一种对RF信号执行频谱分析的方法，包括：

调谐实时频谱分析仪到第一频率范围，所述第一频率范围处于所述RF信号的期望频谱分布内且在带宽方面比这样的频谱分布窄；

在间隔期间保持所述实时频谱分析仪调谐到所述第一频率范围，其中基于所述RF信号的特性控制所述间隔的持续时间；

在所述间隔期间，操作所述实时频谱分析仪以在所述第一频率范围内获得所述RF信号的功率数据；和

在所述间隔结束时，将所述实时频谱分析仪再调谐到第二频率范围，所述第二频率范围处于所述期望频谱分布内且在带宽方面比所述期望频谱分布窄，其中执行这样再调谐以在所述第二频率范围内获得所述RF信号的功率数据。

15.依照权利要求14所述的方法，其中获得针对所述第一和第二频率范围的功率数据包括获得在每一频率范围内的最小功率电平。

16.依照权利要求14所述的方法，其中获得针对所述第一和第二频率范围内的功率数据包括获得每一频率范围内的峰值功率电平。

17.依照权利要求14所述的方法，其中获得针对所述第一和第二频率范围的功率数据包括获得每一频率范围内的平均功率电平。

18.依照权利要求14所述的方法，还包括将所述实时频谱分析仪连续再调谐到所述期望频谱分布内的多个另外的频率范围，和获得针对这样的另外的频率范围的功率数据。

19.依照权利要求18所述的方法，还包括组合针对所述频率范围而获得的所述功率数据以产生所述RF信号的频谱表示。

20.依照权利要求18所述的方法，其中基于所述RF信号的脉冲宽度、脉冲重复率、或脉冲关/开时间/占空系数使所述实时频谱分析仪的连续再调谐同步。

21.一种针对感兴趣频谱对RF信号实施频谱分析的方法，包括：

利用实时频谱分析仪在所述感兴趣频谱内的不同频率位置执行多个零档位功率电平测量，如下连续执行每个零档位功率电平测量；

(a)调谐所述实时频谱分析仪到所述频率位置和使用比所述感兴趣频谱窄的实时频谱分析仪捕获带宽；

(b)使位于调谐的频率位置处的对实时频谱分析仪的调谐保持一时间间隔；和

(c)在所述时间间隔期间测量该频率位置的功率电平并储存所述功率电平；和

根据针对所述感兴趣频谱内的不同频率位置所测量的所述功率电平，构造针对所述感兴趣频谱的频域轨迹。

22.依照权利要求21所述的方法，还包括：对于每个不同的频率位置，控制开始调谐的时序，并且控制所述时间间隔的长度，在所述时间间隔期间保持调谐，其中，所述两个控制是基于所述RF信号的脉冲宽度、脉冲重复率、和脉冲关/开时间/占空系数中的至少一个。

23.依照权利要求22所述的方法，其中，所述两个控制是独立于从所述RF信号产生的触发而执行的。

24.依照权利要求22所述的方法，其中所述控制提高所述频域轨迹的更新率。

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