安捷倫高性能PXA信號分析儀新增實時頻譜分析功能

在航空航天、國防和無線通信等領(lǐng)域中，不斷涌現(xiàn)出來的諸多挑戰(zhàn)致使系統(tǒng)表征和故障診斷變得更加困難。以雷達和電子戰(zhàn)(EW)系統(tǒng)為例，這些系統(tǒng)正變得動態(tài)范圍更大，運動速度更快，覆蓋戰(zhàn)場上的更大空間。這種多制式、高速率通信系統(tǒng)的擴展提升了互操作性問題的出現(xiàn)概率。

隨著信號變得更加復(fù)雜和靈敏，無間隙測量技術(shù)——實時頻譜分析和時間捕獲——逐步獲得主流應(yīng)用的認可。Agilent PXA 信號分析儀更進一步將這些新增功能集成到傳統(tǒng)信號分析儀，使用戶不必購買專用或單用途儀器。(圖 1)

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圖 1. 實時 PXA 是一款經(jīng)濟高效的解決方案，可以借助傳統(tǒng)的掃描分析來識別雜散信號，切換至實時模式以觀測脈沖雜散信號。

安捷倫實時頻譜分析(RTSA)作為新型和現(xiàn)有 PXA 的升級選件，使得 PXA 成為業(yè)界首款支持在購買后添加實時分析功能的傳統(tǒng)信號分析儀。使得用戶可以新實時頻譜儀十分之一的價格用用實時功能。

RTSA 支持用戶在實驗室工作臺或現(xiàn)場中查看、捕獲和認知難以捕捉的信號。為進行更深入的分析，用戶可以搭配使用實時 PXA 與 Agilent 89600 VSA 軟件，對復(fù)雜的調(diào)制信號進行全面表征。

實時分析定義

盡管不同用戶對“實時分析”的理解不同，但它包含一個一致的核心概念：對于擁有數(shù)字中頻(IF)部分的頻譜或信號分析儀，針對某個測量結(jié)果或觸發(fā)操作而言，實時操作將對全部信號的采樣進行處理。(圖 2)多數(shù)情況下，相對于傳統(tǒng)的頻譜測量結(jié)果，測量結(jié)果屬于標量(例如功率或幅度)。

圖 2：實時操作存在于當(dāng)計算速度足夠快且能夠?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進行無間隙分析時。在本例中，CALC 操作包括快速傅立葉變換(FFT)計算或功率譜計算，以及平均值計算、顯示更新等。

除了無間隙分析之外，實時射頻分析儀還具備四個關(guān)鍵屬性：高速測量、穩(wěn)定的測量速度、先進的復(fù)合顯示和頻率模板觸發(fā)(FMT)。

通常，實時處理過程中的頻譜流被用于下述兩種用途：頻譜可與復(fù)合頻譜顯示結(jié)合，或與一個限制模板進行比較，以實施頻率模板測試FMT。配有選件 RTSA 的實時 PXA 同時支持這兩種功能。

使用 PXA 執(zhí)行實時頻譜分析

和專用實時頻譜分析儀一樣，實時 PXA 使用 ASIC 和 FPGA 將采樣信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信號頻譜，速度接近 300,000 頻譜/秒。頻譜數(shù)據(jù)被整合用于構(gòu)建信息詳盡的顯示，例如密度或直方圖?；蛘?，根據(jù)限制條件和邏輯標準對頻譜流依次順數(shù)進行測試，以生成針對特定頻譜和特定行為的頻率模板觸發(fā)。

為增強實時頻譜分析的性能，安捷倫設(shè)計團隊專注于四個關(guān)鍵方面：帶寬、動態(tài)范圍、截獲概率(POI)和集成分析能力。

帶寬

因為被分析的信號帶寬和頻帶寬度越來越高，用戶有必要使用更高的帶寬。配有 RTSA 的 PXA 可為實時測量提供高達 160 MHz 的分析帶寬，足以應(yīng)對當(dāng)前的寬帶信號和信號環(huán)境。無間隙帶寬不僅適用于實時頻譜分析，而且還適用于 FMT、無間隙時間捕捉以及中頻觸發(fā)的實時幅度計算。

另一個關(guān)鍵點是：實時 PXA 不同于部分類似產(chǎn)品，它始終能夠在高達 160 MHz 的帶寬范圍內(nèi)收集無間隙數(shù)據(jù)。實時模式始終可以捕獲間歇信號或快速變化的信號的細節(jié)，用戶對這一點充滿信心。

動態(tài)范圍

實時 PXA 可在 160 MHz 帶寬范圍內(nèi)提供高達 -75 dB 的無雜散動態(tài)范圍，當(dāng)存在大信號時，支持用戶對小型的快速偶發(fā)信號進行檢測。動態(tài)范圍通過 PXA 的低本底噪聲而得到增強，在處理極小信號時，還可通過添加“低噪聲路徑”選件(在處理高電平信號的同時還能改進靈敏度)得到進一步加強。在所有情況下，PXA 的低本底噪聲會增強區(qū)分小信號和噪聲的能力。

截獲概率

POI 是實時頻譜分析的關(guān)鍵基準。實時 PXA 能夠檢測低至 5.0 ns 的信號，保證100%截獲概率時(全幅度精度)可檢測低至 3.57 µs 的信號。無間隙分析只是 POI 的其中一部分，影響儀器分析性能的其它因素包括分析儀和處理器動態(tài)范圍(包含靈敏度)、采樣帶寬、處理的連續(xù)性和 FFT 重疊處理(用于窗功能形狀補償)。

集成分析能力

在某些情況下，只需找出偶發(fā)信號就夠了：例如只需知道某個信號存在，或者只需找到大致頻譜形狀，就足夠解答某些疑問、確認問題或建議解決方案了。在其它情況下，找出偶發(fā)信號只是解決系統(tǒng)或信號環(huán)境中問題的第一步。

結(jié)合使用 VSA 軟件和實時 PXA，可對在實時模式中采集的信號進行全面分析與解調(diào)。此外，實時 FMT 可將VSA全部的測量功能——包括解調(diào)和時間捕獲(圖 3)聚焦于難以捕捉的信號上。在對信號源(例如壓控振蕩器 VCO)當(dāng)中的調(diào)制瞬態(tài)信號、跳頻信號、頻率穩(wěn)定過程、無意瞬態(tài)信號進行測量時，上述功能尤為適用。

圖 3. FMT 可用于實時捕獲瞬時事件。矢量信號分析提供多種視圖，顯示時間選通頻譜(頂部)等細節(jié)，并同時顯示功率包絡(luò)(藍色)和時間波形(綠色)。

充分利用在實時模式中采集的信號

您需要額外關(guān)注兩個功能：直方圖/密度顯示和頻率模板觸發(fā)。

直方圖或密度顯示

實時頻譜分析儀每秒鐘可以生成數(shù)千個頻譜，以便捕獲捷變頻信號或轉(zhuǎn)瞬即逝的信號的動態(tài)。這種高速信號超出了人眼的分辨能力范圍，因而有必要通過單個顯示軌跡來顯示海量的測量數(shù)據(jù)。實時 PXA 每秒鐘可生成將近 300,000 個頻譜。然而，大多數(shù)人只能看到 30 個頻譜。為了更好地觀察實時測量結(jié)果，每種顯示更新都應(yīng)當(dāng)顯示大約 10,000 個結(jié)果。

通過編譯統(tǒng)計數(shù)據(jù)并顯示特定測量值的出現(xiàn)頻率(例如在特定頻率上的特定幅度)，實時分析儀將會構(gòu)建信息豐富的顯示圖。測量結(jié)果直方圖屬于增強的頻譜測量特性，用以顯示測量值的出現(xiàn)頻率。有些人可能將其視為概率的一種原始表達方式。

顯示結(jié)果以彩色或強度編碼顯示。隨著舊數(shù)據(jù)的消失，可通過添加持久函數(shù)來重點觀測近期事件。軌跡數(shù)據(jù)(最近次顯示更新或平均值)被加以覆蓋產(chǎn)生軌跡，看起來類似于傳統(tǒng)頻譜測量。

這種方法幫助工程師能夠查看并關(guān)注偶發(fā)事件或瞬時事件，并把它們和其它事件區(qū)分開來。通過改變余輝和加權(quán)值或方案，特定事件將被突出顯示。實時 PXA 為余輝顯示提供完整的軌跡游標功能，支持用戶對測量結(jié)果進行解釋和分析。

FMT 技術(shù)與應(yīng)用

在查看特定信號時，F(xiàn)MT 可對高速數(shù)據(jù)流與用戶定義的頻譜模板進行比較。模板范圍被超出或信號進入模板區(qū)域內(nèi)，就會生成一個觸發(fā)。當(dāng)信號進入或重新進入模板區(qū)域時，可對其進行條件觸發(fā)。這個功能在信號離開模板或重新進入模板等情況下的條件觸發(fā)時尤其有用。

在實時 PXA 中，模板由上限和下限構(gòu)成，能以數(shù)字或圖形方式輸入。分析儀利用測量信號環(huán)境自動生成一個模板，允許用戶根據(jù)需求修改，從而節(jié)省測量時間。為了簡化這一過程，模板與實時測量軌跡同時顯示。

FMT 能夠用來生成相對頻繁的連續(xù)觸發(fā)。與此相比，F(xiàn)MT 的一個最強大的用處在于測量那些被測行為非常偶現(xiàn)，間隔長達數(shù)分鐘乃至數(shù)小時的行為事件。借助 VSA 軟件，預(yù)觸發(fā)和后觸發(fā)時延功能可以捕獲事件的起始和結(jié)束，或是兩個時間點之間的任意信號。

提升常見工具的利用率

目前的經(jīng)濟形勢使得大多數(shù)企業(yè)面臨更大的壓力，它們必須充分發(fā)揮傳統(tǒng)信號分析儀等現(xiàn)有設(shè)備的效用。另一方面，嚴格的支出控制使得調(diào)整更換單用途工具(例如專用實時分析儀)的變得更加困看。

這正是安捷倫致力于開發(fā) RTSA 升級選件的主要原因之一，該選件可添加至新型或現(xiàn)有 PXA 信號分析儀。同時也是 PXA 在設(shè)計之初就支持后續(xù)功能添加(例如 RTSA)的原因所在。由此，安捷倫為用戶交付集傳統(tǒng)功能和實時分析功能于一體的綜合型儀器，無論采用哪一種模式，均可提供始終如一的性能。