技术文章

　　引言
　　
　　随着现代频谱仪数字中频处理技术的发展和应用，使其在通信、航天、计量以及各个领域中的使用愈加广泛。不仅使数字信号解调成为可能，并且为模拟调制信号的解调提供的更的方法。同时，对于发射机和频综源的频率及相位稳定时间，也可以进行的分析。
　　
　　一、信号的矢量表述方法
　　
　　理解信号的矢量表达以及IQ信号的概念，是现代频谱分析和信号分析理解和应用的基础。作为一个图解工具，矢量是一个直角坐标系中的旋转的箭头。箭头的长度代表信号的峰值幅度。逆时针旋转方向为正方向。箭头与横轴正半轴的夹角为相位。信号周期对应于箭头旋转一周的时间。信号每秒钟完成旋转的次数对应于信号频率。
　　
　　信号矢量在纵轴上的投影长度等于信号的峰值幅度乘以相位正弦值，因此，如果信号是一个正弦波，该投影就对应于信号的瞬时幅度（见图1）。　　　　　　
　　用矢量表述信号，可以完整地描述信号的幅度、频率和相位。因此，在信号分析中，我们常把信号进行矢量分解，也就是将信号分解为频率相同、峰值幅度相同但相位相差90的两个分量。通常，我们采用一个正弦信号（Asinwt）和一个余弦信号（Acoswt）描述这两个分量，其中余弦分量被称为同相分量，即I分量；正弦分量被称为正交分量，即Q分量。
　　
　　二、频谱仪数字中频处理技术
　　
　　输入频谱仪的射频信号经过混频后变为中频信号IF，再经过带通滤波器（中频滤波器）进入A/D转换器。在数字处理部分，对下变频为基带的IQ信号进行低通滤波和欠采样，存储在内存中，准备进一步处理，存储的数据表述IQ信号的电压值。
　　
　　在频谱仪设置过程中，模拟中频滤波器带宽为IFBW，数字处理部分的低通滤波器带宽为解调带宽。欠采样使IQ信号的采样率除以2的n次方，当解调带宽较窄时，过高的采样速率是毫无意义的。
　　
　　三、信号解调方法
　　
　　对应内存中的IQ信号，可以采用的处理方法有：幅度分析、频率分析、相位分析和FFT频谱分析。在频谱仪的矢量分析过程中，频谱仪设置为零SPAN，也就是在固定输入频率处，中频带宽之内进行分析。
　　
　　1．分析处理
　　
　　（1）
　　
　　其中，Am为输入信号的幅度。根据IQ信号的每一个采样值，可以计算出对应采样时刻的幅度值，显示单位可以是线性电压值（V）,对数电压（dBmV）或功率值（dBm）。在测量时间内的所有Am数值构成IQ幅度数组Am-DC。
　　
　　（2）
　　
　　其中，Φm为输入信号的相位。根据IQ信号的每一个采样值，可以计算出对应采样时刻的相对相位值。在测量时间内的所有Φm数值构成IQ幅度数组Φm-DC。
　　
　　（3）
　　
　　其中，Fm为输入信号的频率。对相邻点相位差值对时间求导，得出频率值。在测量时间内的所有Fm数值构成IQ幅度数组Fm-DC。
　　
　　（4）
　　
　　其中，Spec为输入信号中频带宽内的频谱。
　　
　　2．解调方法
　　
　　如前所述，对应于载波信号，可以得到随时间变化的幅度、相位和频率曲线以及实时频谱。
　　
　　AM解调
　　
　　对AM-DC数组进行分析，此数组对应射频功率－时间曲线TRF。
　　
　　对此数组进行FFT计算，得到AF频谱，其基波频率即调制频率fmod，根据AF频谱，可以计算调制谐波失真和信纳比。
　　
　　对此数组进行窄带低通滤波，获得载波幅度数组Vc，计算AM-DC与Vc的差分数组，它与Vc的比值AMdeep数组表述调制深度，对其进行检波：正峰值（+pk）：数组中的zui大值；负峰值（+pk）：数组中的zui小值；峰－峰值/2（1/2pk-pk）：数组中的zui大值与zui小值差值的一半；均方根值（rms）：数组中数值的均方根值。　　　　　　　　
　　FM解调
　　
　　对FM-DC数组进行分析，此数组对应频率曲线TFM。
　　
　　对此数组进行FFT计算，得到AF频谱，其基波频率即调制频率fmod，根据AF频谱，可以计算调制谐波失真和信纳比；
　　
　　对此数组进行检波，与AM解调类似，获得峰值和均方根值。
　　
　　ΦM解调
　　
　　对ΦM-DC数组进行分析，此数组对应频率曲线ΦFM。
　　
　　对此数组进行FFT计算，得到AF频谱，其基波频率即调制频率fmod，根据AF频谱，可以计算调制谐波失真和信纳比。
　　
　　对此数组进行检波，与AM解调类似，获得峰值和均方根值。
　　
　　解调实例
　　
　　图6是罗德与施瓦茨公司频谱仪选件FS-K7在分析调频信号的应用。它采用上述解调原理，可以实时解调调频、调幅、调相和实时频谱。
　　　　
　　实时频谱分析
　　
　　实时频谱分析与传统的频谱仪分析技术不同，是在传统超外差式频谱仪的基础上，对中频信号进行FFT分析（见公式4）。由于其实时快速的特点，在现代通信与雷达信号的分析中，尤其是跳频信号的监测，得到越来越多的应用。
　　
　　实时频谱分析同时包含AF频谱监测，分析AM或RFpower的解调频谱，有助于分析未知信号的符号速率。对应于非等幅连续数字调制信号（如PSK、QAM信号），在AF频谱上，大于0Hz的*个峰值点通常对应于信号的符号速率，使未知信号的矢量分析成为可能。
　　
　　四、雷达信号测试分析
　　
　　由于频谱仪的矢量分析功能可以实时分析信号的频率、功率、相位和实时频谱，因此在现代雷达的研发和测试之中，具有矢量分析功能的频谱仪已经成为雷达发射机及其器件的*工具。
　　
　　雷达信号分析原理与“信号解调方法”一致，分析幅度、频率和相位在时域内的特性曲线。对于常用雷达信号，如线性调频，巴克码等，可以分析它们的脉内特性，包括升降沿分析、频率特性、相位特性以及矢量图等。
　　　　
　　雷达信号测试分为功率和频谱测试以及脉内调制测试。图8所示为线性调频脉内调制测试，观察脉内频率变化情况，包括线性度和调频带宽，采用频谱仪的矢量分析功能。在频谱仪基本频谱分析功能的频域测试，可以观察信号频谱以及测试功率，频谱仪时域测试或矢量分析的AM解调，可以测试脉冲波形、升降沿等信息。
　　
　　五、发射机和频综源稳定时间测量
　　
　　对于发射机和频综源来说，它们的幅度、频率和相位瞬态特性是重要的测试指标。一般来说，频率稳定时间是指发射机在输出电平达到一定数值（通常为稳定输出功率-30dB）开始，监测FM解调频谱，直到频率稳定到设计限值之内的这一段时间。
　　
　　其分析原理与前文“信号解调方法”一致，分析幅度、频率和相位在时域内的特性曲线，用AM曲线定义起始时间，观察FM和PM曲线，获得测试结果。
　　
　　六、结束语
　　
　　在现代频谱分析技术中，矢量分析技术是及其重要的一环，具有广阔的发展和应用前景。同时，这也是解调分析中*的手段，适用于各种模拟和数字调制信号的解调，包括一些特殊调制信号如应用在航空系统的VOR/ILS等。在通信信号解调分析（模拟和数字）、雷达信号分析以及频综瞬态分析等领域，矢量信号分析的应用在不断发展和创新。