利用實(shí)時(shí)頻譜分析儀捕獲突發(fā)的RF干擾源

由于無(wú)線(xiàn)電頻譜資源的有限及不可再生，而用戶(hù)數(shù)量及無(wú)線(xiàn)電應(yīng)用的急劇增加，當(dāng)前的RF頻譜正在變得越來(lái)越擁擠，越來(lái)越繁忙。如何更加高效地利用有限的RF頻譜資源，是當(dāng)前無(wú)線(xiàn)電從業(yè)者所要面臨的首要問(wèn)題。

同時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)及測(cè)試難度也因此加劇。工程師們不僅要保證自己的產(chǎn)品符合相關(guān)法規(guī)的規(guī)范，還需要時(shí)刻注意其他RF干擾源對(duì)自身產(chǎn)品的影響。如何捕獲到這些偶發(fā)的RF干擾源，并全面地了解信號(hào)頻率、功率、概率、時(shí)間等多維度信息，是當(dāng)前RF工程師面臨的重要挑戰(zhàn)。

相對(duì)于傳統(tǒng)射頻接收機(jī)或頻譜分析儀，實(shí)時(shí)頻譜分析儀為無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)和頻譜管理應(yīng)用提供了許多卓越的功能。利用實(shí)時(shí)頻譜分析儀的實(shí)時(shí)分析特性，能夠快速可靠的捕獲到瞬變的、突發(fā)的、難以捉摸的復(fù)雜信號(hào)；可是，光捕獲到還不夠，如何呈現(xiàn)出信號(hào)的細(xì)節(jié)及特征呢？這就需要用到實(shí)時(shí)頻譜分析模式下的概率密度譜顯示功能，也是我們常說(shuō)的余輝顯示。

什么是概率密度譜？

圖1 概率密度譜示意圖

概率密度是指在一個(gè)采集間隔內(nèi)，一個(gè)頻率和幅度點(diǎn)出現(xiàn)的次數(shù)，通常也叫余輝圖。用X軸代表頻率，Y軸代表幅度，Z軸代表出現(xiàn)的次數(shù)，T軸代表時(shí)間；通過(guò)用顏色表示Z軸、用亮度表示 T軸時(shí)間的方式，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)二維的界面顯示四維的數(shù)據(jù)。

如圖1所示，在密度譜視圖中，同時(shí)還會(huì)顯示一條白色的跡線(xiàn)。這條跡線(xiàn)顯示最近一次采樣間隔的實(shí)時(shí)頻譜。當(dāng)用正峰值、負(fù)峰值或平均檢波時(shí)，白色跡線(xiàn)從采樣間隔內(nèi)所有數(shù)據(jù)獲取檢波數(shù)據(jù)；當(dāng)用抽樣檢波時(shí)，采用最后一個(gè)FFT計(jì)算結(jié)果。為了顯示在更長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)的信號(hào)狀況，可以將多幅概率密度圖在顯示屏上顯示，最新的概率密度圖用最大亮度顯示，距離當(dāng)前時(shí)間越久，概率密度圖亮度越低。

發(fā)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的詳細(xì)特征概率密度譜特別適合分析那些傳統(tǒng)手段很難發(fā)現(xiàn)的信號(hào)特征。我們通過(guò)比較傳統(tǒng)頻譜分析儀的單色頻譜顯示和RSA實(shí)時(shí)頻譜儀的概率密度譜分析畫(huà)面，來(lái)說(shuō)明兩者之間的差異。

圖2 左圖為傳統(tǒng)掃頻單色頻譜顯示，右圖為概率密度譜顯示

圖2是傳統(tǒng)掃頻單色頻譜和概率密度譜對(duì)同一個(gè)Wlan信號(hào)的分析顯示畫(huà)面。我們可以明顯地觀(guān)察到，概率密度譜能夠清晰地顯示W(wǎng)lan信號(hào)的上行和下行內(nèi)容，而傳統(tǒng)頻譜儀只能使用單色軌跡顯示信號(hào)的峰值幅度。這是因?yàn)楦怕拭芏茸V采用顏色等級(jí)的色溫技術(shù)，用顏色表示不同信號(hào)出現(xiàn)的頻次和時(shí)間信息。

首先通過(guò)顏色的深淺，來(lái)表示信號(hào)出現(xiàn)的頻次信息，出現(xiàn)頻次低的事件用較淺的顏色表示，出現(xiàn)頻次高的事件用較深的顏色表示；

其次通過(guò)對(duì)顏色明暗度的調(diào)整，來(lái)表現(xiàn)信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間信息，剛剛出現(xiàn)的信號(hào)用最高亮度顯示，距離當(dāng)前時(shí)間越久，信號(hào)的亮度越低。

相比之下，傳統(tǒng)掃描式頻譜儀由于采用“功率累加”原理，在最大保持跡線(xiàn)中只能顯示能量最高的信號(hào)而無(wú)法分辨同一頻點(diǎn)或頻段上是否有其他信號(hào)存在。

發(fā)現(xiàn)隱藏的信號(hào)

概率密度譜用來(lái)檢測(cè)很難發(fā)現(xiàn)的瞬時(shí)信號(hào)，或查找隱藏在其他信號(hào)頻譜下面的時(shí)變小能量信號(hào)是非常有效的。

圖3 概率密度譜發(fā)現(xiàn)隱藏信號(hào)

通常藏匿在大信號(hào)下面的瞬態(tài)小信號(hào)是很難被發(fā)現(xiàn)的，卻會(huì)對(duì)信號(hào)的質(zhì)量和安全性造成嚴(yán)重的影響。隨著實(shí)時(shí)頻譜分析儀的出現(xiàn)，即便這個(gè)小信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間無(wú)規(guī)律，信號(hào)持續(xù)時(shí)間很短，利用概率密度譜，這個(gè)小信號(hào)也能在屏幕中呈現(xiàn)，“雁過(guò)留痕”，這為信號(hào)的進(jìn)一步分析和干預(yù)提供可能。

分辨同頻信號(hào)當(dāng)一個(gè)頻段中存在多個(gè)信號(hào)且重疊在一起時(shí)，傳統(tǒng)分析儀幾乎不能分開(kāi)的查看這些信號(hào)。顯示屏通常只會(huì)顯示每個(gè)頻率點(diǎn)上信號(hào)能量疊加的結(jié)果。

圖4中，2.4GHz頻段下，有WLAN信號(hào)，藍(lán)牙傳輸信號(hào)，同時(shí)還有多個(gè)重復(fù)率低，頻段寬的信號(hào)覆蓋整個(gè)頻段。傳統(tǒng)的單色掃頻頻譜，當(dāng)存在多個(gè)不同的同頻段信號(hào)時(shí)很難查看存在哪些信號(hào)，甚至根本不能分辨不同的信號(hào)。應(yīng)用概率密度譜，整個(gè)問(wèn)題就很容易解決了。

圖4 概率密度譜分辨同頻信號(hào)

在兩個(gè)隨時(shí)間變化的信號(hào)重疊時(shí)， 概率密度譜可以簡(jiǎn)便地顯示不同的信號(hào)。在上圖中， 我們可以非常容易地把同一條通道上多個(gè)重疊的信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)。信號(hào)顏色告訴我們每個(gè)信號(hào)出現(xiàn)的頻次情況，信號(hào)的明暗度告訴我們每個(gè)信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間信息。

另外，我們還可以很容易地分析出，發(fā)生頻次低的類(lèi)似噪聲的寬帶信號(hào)干擾了所有其它信號(hào)，而且從顯示屏上可以很容易看出哪個(gè)信號(hào)比干擾信號(hào)能量強(qiáng)，哪個(gè)信號(hào)比干擾信號(hào)弱。

觀(guān)察擁擠的頻譜

圖5 概率密度譜觀(guān)察擁擠頻譜

圖5是某些動(dòng)態(tài)變化的信號(hào)、瞬態(tài)突變信號(hào)以及同一頻段范圍內(nèi)多個(gè)信號(hào)分時(shí)顯示的示例。如果不能有效地查看所有這些信號(hào)，我們可能不知道它們是否在有效地分時(shí)工作或是否會(huì)相互帶來(lái)嚴(yán)重干擾。

概率密度譜不僅可以幫助我們查看以前無(wú)法分開(kāi)顯示、甚至根本無(wú)法顯示的時(shí)變RF信號(hào)，甚至可以精準(zhǔn)分析信號(hào)包含的具體信息，即使在其完全重疊時(shí)，概率密度譜顯示畫(huà)面仍可以分辨和揭示隨時(shí)間變化的多個(gè)信號(hào)的屬性，可以清楚地分辯和查看其發(fā)生的幅度和頻率。在傳統(tǒng)單色顯示中，是不可能呈現(xiàn)這種結(jié)果的。

總結(jié)：

上述演示的概率密度譜，僅僅是RIGOL RSA系列實(shí)時(shí)頻譜分析儀的一項(xiàng)小小功能， 如果想解鎖普源實(shí)時(shí)頻譜分析儀的更多功能，歡迎訪(fǎng)問(wèn)安泰測(cè)試網(wǎng)。
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