矢量信号分析仪原理

矢量信号分析仪是常用的进行雷达和无线通讯信号分析的仪器。

模拟扫描调谐式频谱分析仪使用超外差技术覆盖广泛的频率范围 ; 从音频、微波直到毫米波频率。快速傅立叶变换 (FFT) 分析仪使用数字信号处理(DSP) 提供高分辨率的频谱和网络分析。如今宽带的矢量调制 ( 又称为复调制或数字调制 ) 的时变信号从 FFT 分析和其他 DSP 技术上受益匪浅。VSA 提供快速高分辨率的频谱测量、解调以及高级时域分析功能，特别适用于表征复杂信号，如通信、视频、广播、雷达和软件无线电应用中的脉冲、瞬时或调制信号。

图 1 显示了一个简化的 VSA 方框图。VSA 采用了与传统扫描分析截然不同的测量方法 ; 融入 FFT 和数字信号处理算法的数字中频部分替代了模拟中频部分。传统的扫描调谐式频谱分析是一个模拟系统 ; 而 VSA 基本上是一个使用数字数据和数学算法来进行数据分析的数字系统。VSA 软件可以接收并分析来自许多测量前端的数字化数据，使您的故障诊断可以贯穿整个系统框图。

图 1. 矢量信号分析过程要求输入信号是一个被数字化的模拟信号，然后使用 DSP 技术处理并提供数据输出 ; FFT 算法计算出频域结果，解调算法计算出调制和码域结果。

VSA 的一个重要特性是它能够测量和处理复数数据，即幅度和相位信息。实际上，它之所以被称为“矢量信号分析”正是因为它采集复数输入数据，分析复数数据，并输出包含幅度和相位信息的复数数据结果。矢量调制分析执行测量接收机的基本功能。在下一篇“矢量调制分析基础”中，您将了解到矢量调制与检波的概念。

在使用适当前端的情况下，VSA 可以覆盖射频和微波频段，并能提供额外的调制域分析能力。这些改进可以通过数字技术来实现，例如模拟 - 数字转换，以及包含数字中频 (IF) 技术和快速傅立叶变换 (FFT) 分析的 DSP。

因为要分析的信号变得越来越复杂，最新一代的信号分析仪已经过渡到数字架构，并且往往具有许多矢量信号分析和调制分析的能力。有些分析仪在对信号进行放大，或进行一次或多次下变频之后，就在仪器的输入端数字化信号。在大部分现代分析仪中，相位连同幅度信息都被保留以进行真正的矢量测量。另一方面，其它的前端如示波器和逻辑分析仪等对整个信号进行数字化，同时也保留了相位和幅度信息。VSA 无论作为合成的测量前端的一部分，还是单独在内部运行或在与前端相连的计算机上运行的软件，它的分析能力都依赖于前端的处理能力，无论前端是综合测量专用软件，还是矢量分析测量动态信号并产生复数数据结果。

VSA 相比模拟扫描调谐分析有着独特的优势。一个主要的优势是它能够更好地测量动态信号。动态信号通常分为两大类 : 时变信号或复数调制信号。时变信号是指在单次测量扫描过程中，被测特性发生变化的信号 ( 例如突发、门限、脉冲或瞬时信号 )。复数调制信号不能用简单的 AM、FM 或 PM 调制单独描述，包含了数字通信中大多数调制方案，例如正交幅度调制 (QAM)。

图 2. 扫描调谐分析显示了一个窄带 IF 滤波器对输入信号的瞬时响应。矢量分析使用 FFT 将大量时域采样转换到频域频谱。

传统的扫描频谱分析实际上是让一个窄带滤波器扫过一系列频率，按顺序每次测量一个频率。对于稳定或重复信号，这种扫描输入的方法是可行的，然而对扫描期间发生变化的信号，扫描结果就不能精确地代表信号了。

还有，这种技术只能提供标量 ( 仅有幅度 ) 信息，不过有些信号特征可以通过进一步分析频谱测量结果推导得出。

VSA 测量过程通过信号“快照”或时间记录，然后同时处理所有频率，以仿真一系列并联滤波器从而克服了扫描局限。例如，如果输入的是瞬时信号，那么整个信号事件被捕获 ( 意味着该时刻信号的所有信息都被捕获和数字化 ); 然后经过 FFT 运算，得出“瞬时”复数频谱对频率的关系。这一过程是实时进行的，所以就不会丢失输入信号的任何部分。基于这些，VSA 有时又称为“动态信号分析”或“实时信号分析”。不过， VSA 跟踪快速变化的信号的能力并不是无限制的。它取决于 VSA 所具有的计算能力。

并行处理为高分辨率 ( 窄分辨率带宽 ) 测量带来另一个潜在的优势：那就是更短的测量时间。如果你曾经使用过扫描调谐频谱分析仪，就会知道在较小小频率扫宽下的窄分辨率带宽 (RBW) 测量可能非常耗时。扫描调谐分析仪对逐点频率进行扫描的速度要足够慢以使模拟分辨率带宽滤波器有足够的建立时间。与之相反，VSA 可以一次性测量整个频率扫宽。不过，由于数字滤波器和 DSP 的影响，VSA 也有类似的建立时间。与模拟滤波器相比，VSA 的扫描速度主要受限于数据采集和数字处理的时间。但是，VSA 的建立时间与模拟滤波器的建立时间相比通常是可以忽略不计的。对于某些窄带测量，VSA 的测量速度可以比传统的扫描调谐分析快 1000 倍。

本文介绍了矢量信号分析 (VSA) 的操作理论和测量概念的入门知识。贯穿分析了整个系统方框图，并逐一说明了每个功能以及与 FFT 测量过程的关系。你可以看到，VSA 的实现与传统的模拟扫频调谐信号分析有很大差异。VSA 基本上是一个包含全数字 IF、DSP 和 FFT 分析的数字系统，它提供时域、频域、调制域和码域信号分析能力的测试与测量解决方案。