頻譜儀矢量信號分析的應用

引言

　　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(diào)成為可能，并且為模擬調(diào)制信號的解調(diào)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
　
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(shù)字中頻處理技術

　　輸入頻譜儀的射頻信號經(jīng)過混頻后變?yōu)橹蓄l信號IF，再經(jīng)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(nèi)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(diào)帶寬。欠采樣使IQ信號的采樣率除以2的n次方，當解調(diào)帶寬較窄時，過高的采樣速率是毫無意義的。

信號解調(diào)方法

　　對應內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)的頻譜。