- 矢量信号分析仪原理

在扫描调谐频谱分析中，扫描滤波器的物理带宽限制了频率分辨率。VSA 没有这一限制。VSA 能够分辨间隔小于 100 μHz 的信号。VSA 的分辨率通常受限于信号和测量前端的频率稳定度，以及在测量上希望花费的时间的限制。分辨率越高，测量信号所需要的时间 ( 获得要求的时间记录长度 ) 就越长。

另一个极为有用的特性是时间捕获能力。它使你可以完整无缺地记录下实际信号并在以后重放，以便进行各种数据分析。捕获的信号可用于各种测量。例如，捕捉一个数字通信的发射信号，然后既进行频谱分析也进行矢量调制分析，以测量信号质量或识别信号缺损。

使用数字信号处理 (DSP) 还带来其它优势；它可以同时提供时域、频域、调制域和码域的测量分析。集这些能力于一身的仪器更有价值，它可改善测量质量。VSA 的 FFT 分析使你可以轻松和准确地查看时域和频域数据。DSP提供了矢量调制分析，其中包括模拟和数字调制分析。模拟解调算法可提供与调制分析仪类似的 AM、FM 和 PM 解调结果，使您可以看到幅度、频率和相位随时间变化的曲线图。数字解调算法可适用于许多数字通信标准 ( 例如GSM、cdma2000®、WiMAXTM、LTE 等 ) 的广泛的测量，并获得许多有用的测量显示和信号质量数据。

很明显 VSA 提供了许多重要的优势，当配合使用合适的前端时，还可以提供更多、更大的优势。例如，当 VSA 与传统的模拟扫描调谐分析仪结合使用时，可提供更高的频率覆盖率和更大的动态范围测量能力 ; 与示波器结合使用时，可提供宽带分析 ; 与逻辑分析仪结合使用时，可探测无线系统中的FPGA 和其它数字基带模块。

如前所述，VSA 本质上是一个数字系统，它使用 DSP 进行 FFT 频谱分析，使用解调算法进行矢量调制分析。FFT 是一种数学算法，它对时间采样数据提供时域－频域的转换。模拟信号必须在时域中被数字化，再执行 FFT 算法计算出频谱。从概念上说，VSA 的实施是非常简单直接的 : 捕获数字化的输入信号，再计算测量结果。参见图 3。不过在实际中，必须考虑许多因素，才能获得有意义和精确的测量结果。

图 3. 1 kHz FFT 分析举例 : 先数字化时域信号，再使用 FFT 将其转换到频域

如果你熟悉 FFT 分析，就知道 FFT 算法针对所处理的信号有几点假设条件。算法不校验对于所给输入这些假设是否成立，这就有可能产生无效的结果，除非用户或仪器可以验证这些假设。

图 1 为一般的 VSA 系统方框图。在 DSP 过程中，不同的环节可能使用不同的功能。VSA 测量过程包括这些基本阶段:

测量前端
1. 包括频率转换的信号调整。基于所使用的前端硬件，可能需要和 / 或可以使用不同的信号调整步骤。
2. 模数转换器
3. 正交检波
VSA 软件
4. 数字滤波和重采样
5. 数据窗口
6. FFT 分析 ( 对于矢量调制，由解调模块替代模块 5 和 6)

测量过程的第一个阶段称为信号调整。这个阶段包括几个重要的功能，对信号进行调整和优化，以便于模拟- 数字转换和 FFT 分析。第一个功能是AC 和 DC 耦合。如果您需要移除测量装置中无用的 DC 偏置，就必须使用这一项。接下来信号被放大或衰减，以达到混频器输入的最佳信号电平。混频器阶段提供信号频率的转换或射频到中频的下变频，并将信号最后混频为中频。

这一操作与扫描调谐分析中的超外差功能相同，将 FFT 分析能力扩展到微波频段。实际上，要获得最后的中频频率，可能需要经过多个下变频阶段。有些信号分析仪提供外部 IF 输入能力 ; 你可以通过提供自己的 IF，延展 VSA 的频率上限范围，从而与自己提供的接收机相匹配。

信号调整过程的最后阶段是预防信号混叠，它对于采样系统和 FFT 分析极为重要。抗混叠滤波执行这一功能。如果 VSA 测量没有对混叠做出足够的预防，那么它可能会显示不属于原始信号的频率分量。采样定律告诉我们，如果信号采样速率大于信号中最高频率分量的两倍，被采样的信号就可以被准确重建。最低的可接受的采样率称为奈奎斯特 (Nyquist) 采样率。

因此，ƒs > 2 (ƒmax)
其中 ƒs = 采样率
ƒmax = 最高频率分量