FPGA实时频谱分析与数字荧光显示电路的设计与研究(2)
1.1.1 传统分析工具的瓶颈 随着射频信号在现代世界中变得无所不在，生成射频信号的设备之间的干扰问题也随之增长，射频工程师们遇到了众多棘手的问题。比如：捕获和分析瞬时及动态信号、检测间歇性干扰以及监测频谱使用情况等等。每种测量都涉及随时间变化的射频信号，这些信号通常是不可预测的[1]。为有效检定这些信号的特点，工程师需要一种工具，这种工具要能够触发已知事件或不可预测的事件，无缝捕获信号，把信号存储在内存中，分析频率和幅度参数在不同时间的特点。而现有的两种频谱分析工具都不能满足这一要求。 （1）扫频频谱分析仪（SA）：传统频域分析 传统的频谱仪以扫描的方式处理数据，所以又叫扫频仪或者叫超外差式频谱仪。这种仪表产生于二十世纪六十年代，这种仪表具有测试频带宽，可以达到几十个GHz，动态范围大，噪声低等特点，所以被广泛的用于生产、研发等领域。扫频频谱分析仪最初是使用纯模拟器件构建的，之后一直随着其应用的不断发展。当前一代扫频频谱分析仪也加入各种数字单元，如 ADC、DSP 和微处理器，但其基本扫描方法在很大程度上保持不变，其最适合观测受控的静态信号。由于其技术方面的天生缺陷，扫频仪无法分析数字信号，也很难捕获瞬态信号，越来越难满足现代瞬态复杂信号的测试挑战[2]。 （2）矢量信号分析仪（VSA）：数字调制分析 随着数字调制信号的普遍出现，简单的频谱测试难以满足要求。大约在二十世纪九十年代出现了矢量信号分析仪。矢量信号分析仪是为进行数字调制分析专门设计的工具，但并不完全适合瞬态信号的捕获和分析。在实际的仪表设计中往往采用批处理技术 ，一次采集许多帧的数据然后再进行处理，这样需要的处理时间就更长，丢失瞬态信号的可能性很大。除非数字信号处理的速度非常快，但这是非常难的，因为一般的 VSA 是采用软件做运算处理，速度受到很大的限制。与扫频频谱分析仪一样，触发功能一般也局限于中频电平触发和外部触发，这些触发方式对于异常的频谱事件无能为力，如果这些瞬态信号刚好出现在 VSA 的捕获时间内就可以被显示出来，但更多的情况是瞬态信号出现在处理时间(因为处理时间远远大于捕获时间)内，则就会丢失该信号[2]。 显然，两种传统的频谱分析仪都无法满足现代射频测量的需要。
1.1.2实时频谱分析仪的突破 实时频谱分析仪（RTSA,Real-time Spectrum Analyzer）是应对射频领域新挑战的最新产物，它可以无缝地测量和显示时域波形和频域幅谱，实现实时射频频谱的捕捉和显示功能，帮助快捷、轻松地分析故障和确定信号特征。 实时频谱分析仪之所以能够实时显示、源]自{优尔·~论\文}网·www.youerw.com/ 存储和分析复杂信号，是它在数字信号处理和显示技术上有了新的突破，尤其采用的数字荧光技术，利用三维信息（振幅、频率及多层次辉度）充分展现信号的特征，通过多层次辉度或彩色能够显示长频域内信号的变化情况，可以轻松地捕捉到瞬时及动态信号[3]。 下面介绍它的两个主要技术突破： (1)连续高速的处理能力 传统频谱仪的数据采集处理架构基于串行处理的架构，注定了其无法突破瞬态信号捕获率低下的瓶颈。VSA 的数据采集处理流程可总结为：采集，存储，再由微处理器以软件方式处理波形数据并进行显示。整个处理过程采用串行体制依次进行，数据处理和显示期间不进行任何数据采集与存储，必须等待波形数据被处理和显示完成之后才能开始新一轮的采集。VSA 在每两次采集之间存在着因处理数据而无法采集的时间，称为信号采集的死区时间（Dead time），这段时间内待采集信号中的异常成分（如毛刺、噪声等），将无法被捕获。区时间越长，波形捕获率就越低。 实时频谱分析在数据的采集处理架构上进行了重大的改进，从根本上提升了波形捕获速率：采用了一种并行的处理架构，加入专用的硬件电路（用 ASIC 或 FPGA实现）进行数据的处理和显示，从而达到了用软件处理无法满足的实时运算要求。实时频谱分析数据采集处理流程可分为信号调理、采集、处理、存储，及同步进行的波形显示与后续分析。在数据采集的同时，专用硬件电路将处理后的数据快速地转换为具有荧光效果的波形图像；而微处理器仅需完成显示控制、后续波形分析处理等操作，二者并行同步运行，大大降低了采集死区时间，提高了瞬时信号捕获率，并显著提高了实时频谱分析系统对波形数据的分析处理能力。
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