引言
由于种类繁多的无线系统和电子设备的大量存在，特别是数字射频技术的大量使用，使本来已经拥挤的频谱空间变得越来越复杂。电磁辐射的互扰和自扰已经成为一个无法回避的问题。在某些特殊应用中，如：跳频通信、雷达、自适应调制等，除具有一般无线设备的技术特点外，还具有瞬时大功率射频发射的特点。大功率的跳频设备在工作时射频功率变化率很高，持续时间短，发射时会产生大量的杂散发射分量，这些杂散发射会对附近的设备带来严重的干扰。准确掌握这类无线设备发射特性对电磁防护和频谱空间的合理利用具有重要的指导作用。因此，跳频信号的实时捕获、分析是频谱监测的首要工作。
此外，由于认知无线电、软件无线电(SDR)等技术的出现，对实时频谱分析提出前所未有的要求。
1实时频谱分析特性
一般信号的测量可以从频域和时间域两个方面进行，例如，跳频信号需要测量瞬时发射功率、瞬时杂散发射、瞬时频谱、频率表、跳频序列、跳频速度、频道建立时间、频道驻留时间等。跳频信号测试对测试系统本身要求很高，测量系统不但要具备常规测试功能，还应具备实时频谱测量、频率及功率测量、触发捕获以及时间测量等功能。常规扫频式频谱分析系统和矢量信号分析系统的结构都限制检测瞬态事件的能力，难以完成这些测试。
要完成这些信号的捕获和分析必须同时对扫描跨度内多个频率成分进行测量并绘制成频谱图。同一幅频谱图内各频值的测量时间不能存在差异，这样才能保证信号测试具有良好的实时性。
实时频谱分析系统在硬件上要具备多路信号同时采集的能力(见图1)。采集到的射频信号首先变换成中频，再对中频信号进行调整、A/D采样，然后对采样得到的跨度内的时域数据进行快速傅立叶变换(FFT)，得到频域数据。分析滤波器采用FFT实现。由于多路FFT同时处理，转换后各数据没有时间差，采样点数可以根据频率分辨力要求设定，如65536点。
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2实时频谱分析系统原理与设计
为达到实时测量的目的，实时频谱分析借鉴软件无线电的设计思想，最大限度地利用软件来分析各种信号，实现频谱分析的各项功能。
软件无线电的关键思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件实现系统的各项功能。功能的软件化势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理(A/D和D/A变换)尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新改变硬件的配制结构，实现系统新的功能。软件无线电采用标准、高性能的开放式总线结构，以便硬件模块的不断升级和扩展。
软件无线电主要由天线、射频前端、A/D-D/A转换器、数字信号处理器(DSP)以及各种软件组成。软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段，例如1MHz～2GHz，要求每个频段的特性均匀，以满足各种业务的需求。
射频前端主要完成滤波、功率放大等任务。它把收到的信号变换至适合A/D转换器处理的信号频率和电平范围之内，同时把宽带D/A转换器输出信号变换至能被其他电台接收的频率和电平范围之内。A/D(D/A)在软件无线电中起着重要的作用，因为不同的采样方式将决定射频处理前端的组成结构，也影响其后处理器的处理方式和对处理器速度的不同要求，A/D的性能如何将制约整个软件无线电性能的提高。
DSP是整个软件无线电的核心。软件无线电的灵活性、开放性、兼容性等特点主要通过以DSP为中心的通用硬件平台及DSP软件来实现。它主要完成所有基带信号的处理。由于目前的DSP无论在功能上还是在性能上，还不能完全满足软件无线电的要求，为此，在DSP和A/D-D/A转换器之间添加一个预处理芯片，即数字变频器。
数字下变频器(DDC)主要完成降低数据流速率的作用，并把信号变至基带，然后传送给DSP进行处理，从而极大减轻DSP的数据处理压力;数字上变频器(DUC)主要完成对输入数据进行各种调制和频率变换，即在数字域内实现调制和混频。软件无线电的结构(见图2)。
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2.1实时频谱分析系统硬件设计
实时频谱分析系统硬件结构(见图3)。它将宽带A/D变换尽可能地靠近天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号数字化。硬件增加射频下变频、ADC、DSP等模块，计算机控制部分使用微软的操作系统。信号分析如频谱分析、解调分析、参数测量、时间测量、脉冲信号测试分析等功能由软件实现。2.1.1A/D转换器(ADC)在实时频谱分析系
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统中，要达到尽可能多的以数字形式处理射频信号，必须把A/D转换尽可能地向天线端推移，这样就对ADC的性能提出更高的要求。ADC处于中频信号之后，对中频信号进行采样和转换，它将连续的中频信号变换为数字数据流，从而将所有的后续信号处理操作转换到数字域。ADC的性能将直接影响到频谱分析系统的噪声和信噪比等指标，还影响到频谱分析系统的失真指标，包括谐波、杂散和互调失真等。
为保证抽样后的信号保持原信号的信息，A/D转换要满足Nyquist抽样准则，即ADC的取样率最少应等于输入信号带宽的2倍，从而避免将带外信号变换到感兴趣的频带，对有用信号造成混叠。比如，频率上限是100MHz的实时频谱分析系统需要ADC具有200ms/s以上的取样率。在实际应用中，为保证系统更好的性能，通常抽样率为带宽的2.5倍。
2.1.2数字信号处理器数字信号处理器主要完成系统内部数据处理、调制解调和编码/解码、滤波、变频等工作。由于系统内部数据流量大。进行滤波、变频等处理运算次数多，所以必须采用高速、实时、并行的数字信号处理器模块或专用集成电路才能达到要求。
对于一些固定功能的模块，如图2中的滤波器、下变频器等，采用具有可编程能力的专用芯片来实现。例如用FPGA(现场可编程门阵列)就可以同时满足速度和灵活性两方面的要求，而且支持软件无线电中的动态系统设置的功能。通常来说系统的分配方式是：计算密集型的部分在DSP内部完成。功能相对固定的部分，就由FPGA来完成。
2.1.3数字荧光显示技术(DPXTM)由图3可以看出，实时频谱分析系统还采用数字荧光显示技术。数字荧光显示技术源于早期示波器和频谱分析系统中使用的传统阴极射线管，它为查看动态射频信号以及不频繁的短时间信号提供一个工具。实时频谱分析系统中把DPXTM与专用DSP硬件结合在一起，
其执行频率变换的速度较传统频谱分析系统提高几个数量级。这种组合以一目了然的方式处理和显示空前数量的信息。每次变换的信息组合在DPXTM引擎中，以全面的运动速度生成显示画面。
2.2实时频谱软件设计
实时频谱分析系统的软件是基于实时操作系统的控制和分析软件，是整个实时频谱分析的最顶层软件。系统软件负责配制分析软硬件环境，使之互相匹配;根据用户要求控制测量流程;在硬盘上存储结果，以便进行后期的分析处理。系统软件除对整个实时频谱分析系统进行控制调度以外，还要提供全面的时域、频域和调制域的信号分析功能。如：频谱分析、解调分析、参数测量、时间测量、脉冲信号测试等。
3复杂信号参数测量
实时频谱具有以下常规功能：频道功率测试、相邻频道功率抑制比测量、载噪比测量、占用带宽测量、载频频率测量、发射带宽测量、杂散发射测量等。下面扼要介绍几个参数的测量。
频道功率测试：测量频道频率、带宽等参数可根据需要设置，系统根据设定的范围进行自动测量。频道功率测试结果(见图4)。频道功率值显示在界面下方。
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相邻频道功率抑制比测量：测量需要的主频道带宽、邻频道带宽、频道间隔等参数可根据需要设置。相邻频道功率抑制比测量(见图5)。
载噪比测量：系统可自动测量并在显示界面下方给出载频功率值与指定频点带内噪声功率的比值。测量需要的噪声测量频点及带宽、偏移频率、载频带宽等参数，可以在测量设置界面中根据需要设置(见图6)。
发射带宽测量：系统可自动测量并在显示界面下方给出发射带宽测量结果。所需参数可以在测量设置界面中根据需要设置。发射带宽测量(见图7)
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实时频谱除具有以上常规功能外，还具有许多特殊的功能。
3.1快速检测脉冲之间的信号
传统扫频分析和矢量信号分析目前已不能完成对数字射频信号和设备的测试任务。比如，传统频谱分析无法对许多间歇性信号、迅速变化的信号以及脉冲间的信号进行准确、快速的测量，而这部分信号可能又是最为关心的。实时频谱分析则能解决这些问题。例如，TEKTRONIX专有的DPX技术。它使用基于FFT算法分析手段，DPX硬件处理器具有超强的显示处理速度，每秒处理48000多个频谱测量,而传统的扫频分析每秒最多处理50个频谱测量,其频谱测量速率提高近1000倍。它对持续时间超过24μs的信号实现100%的侦听。利用DPX技术可以查看信号随时间变化的全部行为，它可以立即显示强信号中的弱信号，突出显示不频繁的短时间信号。它可以揭示传统频谱分析所无法查看的信号细节。
3.2触发捕获功能
跳频通信是在多频道快速跳变的过程中实现信息传输，各频道射频发射在时间上并不连续，而且工作在各频道上的时间是随机的。要分析设备在各频道的工作状态(如频道建立过程、频道驻留信息传送过程等)，就需要利用实时频谱分析系统的触发功能。雷达信号具有低占空比、大功率的特点。要测量这些短时间的射频信号也需要利用频谱分析系统的触发功能。
实时频谱分析系统具备强大触发功能，除简单的功率电平触发、行触发和外部触发功能外，它提供实时频域触发和其它直观的触发模式。例如，TEKTRONIX使用独特的瞬态射频信号触发功能，能够捕获传统分析系统发现不了的信号，并将捕获的信号保存在内存中，执行与时间关联的多域全面分析。实现一次捕获，多次分析。
实时频谱分析系统的一个重要功能是实时频率模板触发，它允许用户根据频域中的特定事件触发采集。频率模板触发模式是首先在频谱图上设置一条限值线，并在IN、OUT、INANDOUT、OUTANDIN中选择一种触发条件，然后设置等待。当触发条件满足时，频谱分析系统会自动捕获信号数据并予以显示。
图8是使用频率模板触发方式捕捉到的跳频信号的频谱图。当信号频谱满足已经定义的频率模板触发条件时，实时频谱分析系统被触发并将触发前/后的信号信息记录在存储器中。图8中右侧是三维频谱图，左侧是标记帧所对应的一帧频谱图。移动标记可以逐帧观察信号频谱图。从三维频谱图可以清晰的看出信号频率跳动的整个过程。这种工作方式可以用于跳频信号的跳频速度、跳频频道建立时间、跳频信号驻留时间等参数的测试。也可以用来测量雷达信号的脉冲宽度和占空比等参数。
3.3实时频谱和时间测量功能
实时频谱分析系统还具有实时频谱和时间测量
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功能。这些功能对跳频/雷达信号的测试提供方便。图9为实时频谱测试界面。下部是以频率、时间、幅度表示的三维频谱图。横轴是频率轴。纵轴以帧号代表时间，最下面的0帧是当前时间帧或数据结束时刻帧，上面是以负数的帧号表示的过去各帧频谱图，以彩色表示各帧频谱图的幅度值。其实时捕获带宽为36MHz，频谱长度20μs，每帧间隔为20μs，NBW为100kHz。之所以称之为实时频谱是因为它不同于扫频频谱，它没有扫描的概念，也就是说测量得到的频谱图中在整个SPAN内各频率所对应的电平值之间没有时间差异，不是靠频谱扫描得到的，而是由采集获取的数据经FFT得到的频域数据。实时频谱分析系统设置状态的相邻帧的时间差为20μs。
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实时频谱分析系统启动时间测量后，可以设置两个标记。标记1到标记2的频率差值、幅度差值、时间差值被分别显示在三维频谱图的左上角。由图9可见，标记1到标记2间隔10帧，两个标记的时间差为195.312ns。显然，使用这种功能可以方便地进行射频脉冲信号时间参数的测量。
3.4雷达系统信号监测
随着技术的发展，雷达的信号变的越来越复杂，从过去的周期信号，到现在出现的频率捷变，瞬态信号，甚至单次脉冲信号。如何发现和捕获这些瞬态雷达信号及如何对复杂脉冲进行调制显得尤为重要，而传统的频谱分析很难或同时做到。实时频谱分析系统拥有完善的脉冲测试软件。脉冲测量套件作为高级测量软件的一部分，具有全面的自动脉冲测量功能。例如，Tektronix独特的自动脉冲测量功能。利用自动脉冲测量(包括脉冲功率、脉冲重复频率、脉冲宽度以及上升与下降时间)从而缩短检测时间和避免错误。捕获频率9kHz~14GHz，捕获带宽达110MHz。图10为内嵌在实时频谱系统里面的脉冲信号测量分析软件，它可以同时分析多个脉冲的参数。
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4结束语
实时频谱分析不但具有一般频谱分析的功能，而且还具有时间测量、实时频谱、解调分析、发射参数测量、触发捕获等特殊功能。数字荧光显示技术和强大的触发捕获功能可以对特定的脉冲信号进行发现和捕获，可以用于跳频/雷达信号的捕捉;时间测量功能可以用于跳频信号跳频频率表、跳频序列、跳频速度、跳频频道建立时间、跳频频道驻留时间等参数的测量，也可以用于雷达信号有关时间参数的测量。此外，实时频谱分析系统拥有独特的脉冲测量分析软件，可以全面的对复杂调制脉冲进行分析，特别适合对雷达信号参数的测量和分析。
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