矢量信号剖析仪是常用的进行雷达和无线通讯信号剖析的仪器。
模仿扫描调谐式频谱剖析仪运用超外差技能掩盖广泛的频率规模;从音频、微波直到毫米波频率。快速傅立叶改换 (FFT) 剖析仪运用数字信号处理(DSP) 供给高分辩率的频谱和网络剖析。现在宽带的矢量调制 ( 又称为复调制或数字调制 ) 的时变信号从 FFT 剖析和其他 DSP 技能上收获颇丰。VSA 供给快速高分辩率的频谱丈量、解调以及高档时域剖析功用，特别适用于表征杂乱信号，如通讯、视频、播送、雷达和软件无线电运用中的脉冲、瞬时或调制信号。
图 1 显现了一个简化的 VSA 方框图。VSA 采用了与传统扫描剖析天壤之别的丈量办法 ; 融入 FFT 和数字信号处理算法的数字中频部分代替了模仿中频部分。传统的扫描调谐式频谱剖析是一个模仿体系 ; 而 VSA 根本上是一个运用数字数据和数学算法来进行数据剖析的数字体系。VSA 软件可以接纳并剖析来自许多丈量前端的数字化数据，使您的故障诊断可以贯穿整个体系框图。
图 1. 矢量信号剖析进程要求输入信号是一个被数字化的模仿信号，然后运用 DSP 技能处理并供给数据输出 ; FFT 算法核算出频域成果，解调算法核算出调制和码域成果。
VSA 的一个重要特性是它可以丈量和处理复数数据，即起伏和相位信息。实践上，它之所以被称为“矢量信号剖析”正是由于它收集复数输入数据，剖析复数数据，并输出包含起伏和相位信息的复数数据成果。矢量调制剖析履行丈量接纳机的根本功用。鄙人一篇“矢量调制剖析根底”中，您将了解到矢量调制与检波的概念。
在运用恰当前端的状况下，VSA 可以掩盖射频和微波频段，并能供给额定的调制域剖析才干。这些改进可以经过数字技能来完结，例如模仿 – 数字转化，以及包含数字中频 (IF) 技能和快速傅立叶改换 (FFT) 剖析的 DSP。
由于要剖析的信号变得越来越杂乱，最新一代的信号剖析仪现已过渡到数字架构，并且往往具有许多矢量信号剖析和调制剖析的才干。有些剖析仪在对信号进行扩大，或进行一次或屡次下变频之后，就在仪器的输入端数字化信号。在大部分现代剖析仪中，相位连同起伏信息都被保存以进行真实的矢量丈量。另一方面，其它的前端如示波器和逻辑剖析仪等对整个信号进行数字化，一起也保存了相位和起伏信息。VSA 不管作为组成的丈量前端的一部分，仍是独自在内部运转或在与前端相连的核算机上运转的软件，它的剖析才干都依赖于前端的处理才干，不管前端是归纳丈量专用软件，仍是矢量剖析丈量动态信号并产生复数数据成果。
VSA 比较模仿扫描调谐剖析有着共同的优势。一个首要的优势是它可以更好地丈量动态信号。动态信号一般分为两大类 : 时变信号或复数调制信号。时变信号是指在单次丈量扫描进程中，被测特性产生改动的信号 ( 例如突发、门限、脉冲或瞬时信号 )。复数调制信号不能用简略的 AM、FM 或 PM 调制独自描绘，包含了数字通讯中大大都调制计划，例如正交起伏调制 (QAM)。
图 2. 扫描调谐剖析显现了一个窄带 IF 滤波器对输入信号的瞬时呼应。矢量剖析运用 FFT 将许多时域采样转化到频域频谱。
传统的扫描频谱剖析实践上是让一个窄带滤波器扫过一系列频率，按次序每次丈量一个频率。关于安稳或重复信号，这种扫描输入的办法是可行的，然而对扫描期间产生改动的信号，扫描成果就不能准确地代表信号了。
还有，这种技能只能供给标量 ( 仅有起伏 ) 信息，不过有些信号特征可以经过进一步剖析频谱丈量成果推导得出。
VSA 丈量进程经过信号“快照”或时刻记载，然后一起处理一切频率，以仿真一系列并联滤波器然后克服了扫描约束。例如，假如输入的是瞬时信号，那么整个信号事情被捕获 ( 意味着该时刻信号的一切信息都被捕获和数字化 ); 然后经过 FFT 运算，得出“瞬时”复数频谱对频率的联系。这一进程是实时进行的，所以就不会丢掉输入信号的任何部分。根据这些，VSA 有时又称为“动态信号剖析”或“实时信号剖析”。不过， VSA 盯梢快速改动的信号的才干并不是无约束的。它取决于 VSA 所具有的核算才干。
并行处理为高分辩率 ( 窄分辩率带宽 ) 丈量带来另一个潜在的优势：那便是更短的丈量时刻。假如你从前运用过扫描调谐频谱剖析仪，就会知道在较小小频率扫宽下的窄分辩率带宽 (RBW) 丈量或许十分耗时。扫描调谐剖析仪对逐点频率进行扫描的速度要满意慢以使模仿分辩率带宽滤波器有满意的树立时刻。与之相反，VSA 可以一次性丈量整个频率扫宽。不过，由于数字滤波器和 DSP 的影响，VSA 也有相似的树立时刻。与模仿滤波器比较，VSA 的扫描速度首要受限于数据收集和数字处理的时刻。可是，VSA 的树立时刻与模仿滤波器的树立时刻比较一般是可以忽略不计的。关于某些窄带丈量，VSA 的丈量速度可以比传统的扫描调谐剖析快 1000 倍。
在扫描调谐频谱剖析中，扫描滤波器的物理带宽约束了频率分辩率。VSA 没有这一约束。VSA 可以分辩距离小于 100 μHz 的信号。VSA 的分辩率一般受限于信号和丈量前端的频率安稳度，以及在丈量上期望花费的时刻的约束。分辩率越高，丈量信号所需求的时刻 ( 取得要求的时刻记载长度 ) 就越长。
另一个极为有用的特性是时刻捕获才干。它使你可以完好无损地记载下实践信号并在今后重放，以便进行各种数据剖析。捕获的信号可用于各种丈量。例如，捕捉一个数字通讯的发射信号，然后既进行频谱剖析也进行矢量调制剖析，以丈量信号质量或辨认信号残缺。
运用数字信号处理 (DSP) 还带来其它优势;它可以一起供给时域、频域、调制域和码域的丈量剖析。集这些才干于一身的仪器更有价值，它可改进丈量质量。VSA 的 FFT 剖析使你可以轻松和准确地检查时域和频域数据。DSP供给了矢量调制剖析，其间包含模仿和数字调制剖析。模仿解调算法可供给与调制剖析仪相似的 AM、FM 和 PM 解调成果，使您可以看到起伏、频率和相位随时刻改动的曲线图。数字解调算法可适用于许大都字通讯规范 ( 例如GSM、cdma2000?、WiMAXTM、LTE 等 ) 的广泛的丈量，并取得许多有用的丈量显现和信号质量数据。
很明显 VSA 供给了许多重要的优势，当合作运用适宜的前端时，还可以供给更多、更大的优势。例如，当 VSA 与传统的模仿扫描调谐剖析仪结合运用时，可供给更高的频率掩盖率和更大的动态规模丈量才干 ; 与示波器结合运用时，可供给宽带剖析 ; 与逻辑剖析仪结合运用时，可勘探无线体系中的FPGA 和其它数字基带模块。
如前所述，VSA 实质上是一个数字体系，它运用 DSP 进行 FFT 频谱剖析，运用解调算法进行矢量调制剖析。FFT 是一种数学算法，它对时刻采样数据供给时域-频域的转化。模仿信号有必要在时域中被数字化，再履行 FFT 算法核算出频谱。从概念上说，VSA 的施行是十分简略直接的 : 捕获数字化的输入信号，再核算丈量成果。参见图 3。不过在实践中，有必要考虑许多要素，才干取得有意义和准确的丈量成果。
图 3. 1 kHz FFT 剖析举例 : 先数字化时域信号，再运用 FFT 将其转化到频域
假如你了解 FFT 剖析，就知道 FFT 算法针对所处理的信号有几点假定条件。算法不校验关于所给输入这些假定是否建立，这就有或许产生无效的成果，除非用户或仪器可以验证这些假定。
图 1 为一般的 VSA 体系方框图。在 DSP 进程中，不同的环节或许运用不同的功用。图 4 显现了安捷伦一般运用的技能图。VSA 丈量进程包含这些根本阶段:
丈量前端
1. 包含频率转化的信号调整。根据所运用的前端硬件，或许需求和 / 或可以运用不同的信号调整进程。
2. 模数转化器
3. 正交检波
VSA 软件
4. 数字滤波和重采样
5. 数据窗口
6. FFT 剖析 ( 关于矢量调制，由解调模块代替模块 5 和 6)
丈量进程的第一个阶段称为信号调整。这个阶段包含几个重要的功用，对信号进行调整和优化，以便于模仿- 数字转化和 FFT 剖析。第一个功用是AC 和 DC 耦合。假如您需求移除丈量设备中无用的 DC 偏置，就有必要运用这一项。接下来信号被扩大或衰减，以到达混频器输入的最佳信号电平。混频器阶段供给信号频率的转化或射频到中频的下变频，并将信号终究混频为中频。
这一操作与扫描调谐剖析中的超外差功用相同，将 FFT 剖析才干扩展到微波频段。实践上，要取得终究的中频频率，或许需求经过多个下变频阶段。有些信号剖析仪供给外部 IF 输入才干 ; 你可以经过供给自己的 IF，延展 VSA 的频率上限规模，然后与自己供给的接纳机相匹配。
图 4. 简化的方框图显现了射频硬件前端和矢量信号剖析软件。
信号调整进程的终究阶段是防备信号混叠，它关于采样体系和 FFT 剖析极为重要。抗混叠滤波履行这一功用。假如 VSA 丈量没有对混叠做出满意的防备，那么它或许会显现不属于原始信号的频率重量。采样规律告知咱们，假如信号采样速率大于信号中最高频率重量的两倍，被采样的信号就可以被准确重建。最低的可承受的采样率称为奈奎斯特 (Nyquist) 采样率。
因而，ƒs > 2 (ƒmax)
其间 ƒs = 采样率
ƒmax = 最高频率重量
假如违反了采样规律，就会得到“混叠的”过错重量。因而，为了防备所给最大频率呈现混叠成果，在 1/2 采样率以上不能有太大的信号能量。图5 显现了一组采样点，合适两种不同的波形。频率较高的波形违反了采样规律。
除非运用抗混叠滤波器，不然这两个频率在进行数字处理时将会混杂。为了防备混叠，有必要满意两个条件 ：
1、进入数字转化器 / 采样器的输入信号有必要是带限的。换句话说，有必要存在一个最大频率 (?max)，没有任何频率重量高于这个频率。
2、有必要以契合采样规律的速率对输入信号进行采样。
处理混叠问题的计划看起来很简略。首要挑选前端硬件即将丈量的最大频率 (?max)，然后保证采样频率 (?s) 是该最大频率的两倍。这个进程满意了条件 2，并保证 SA 软件可以对感兴趣的频率进行准确剖析。接下来刺进低通滤波器 ( 抗混叠滤波器 )，以去除高于 ?max 的一切频率，然后保证除了感兴趣的频率进行丈量认为，其它频率都被扫除。这个进程满意条件 1，并保证对信号的带宽进行了约束。
图 5. 混叠重量呈现在信号进行欠采样时。无用的频率呈现在其它 ( 基带 ) 频率的混叠下。
有两个要素会导致简略的抗混叠办法杂乱化。第一个也是最简略处理的要素是，抗混叠滤波器的滚降 (roll off) 速率是有限的。如图 6 所示，在实践滤波器的通带和截止带之间有一个过渡带。这个过渡带中的频率或许产生混叠。为了避免这些混叠重量，滤波器的截止频率有必要低于理论频率上限 ƒs/2 。
处理这个问题的简略办法是运用过采样 ( 以高于 Nyquist 采样率的速率进行采样 )。使采样频率略高于 ?max 的两倍，也便是截止带实践开端频率的两倍，而不是要丈量的频率的两倍。许多 VSA 的完结都运用维护带以避免显现混叠的频率重量。FFT 核算超出 50% ?s ( 相当于 ƒs/2) 的频谱重量。维护带大约在ƒs的40% 至 50% ( 或 ƒs/2.56 至 ƒs/2) 之间并且没有显现，由于它或许被混叠重量损坏。不过当 VSA 软件进行逆 FFT 运算时，在维护带中的信号用于供给最准确的时域成果。高滚降率滤波器再结合维护带，会按捺潜在的混叠重量，并将它们衰减到远低于丈量前端的底噪。
另一个致使混叠防备 ( 有限的频率分辩率 ) 杂乱化的要素处理起来难得多。首要，为宽频扫宽 ( 高采样率 ) 规划的抗混叠滤波器不适用于丈量小分辩率带宽，原因有二个 : 一是需求极大的样本数量 ( 内存分 )，二是需求惊人的 FFT 核算量 ( 长丈量时刻 )。例如，当采样率为 10 MHz 时，一个 10 Hz 分辩率带宽的丈量将需求超越 100 万点的 FFT，也便是需求运用巨大容量的存储器和极长的丈量时刻。这是不行承受的，由于小分辩率带宽的丈量才干是 VSA 的一大优势。
进步频率分辩率的一个办法是减小ƒs，但价值是下降了 FFT 的频率上限，也便是终究剖析仪的带宽。不过，这仍不失为一个好办法，由于它答应你操控丈量分辩率和频率规模。当采样率下降时，抗混叠滤波器的截止频率也有必要下降，不然就会产生混叠。一种或许的处理计划是对每个扫宽供给一个抗混叠滤波器，或供给一个可挑选截止频率的滤波器。运用模仿滤波器完结这种计划的困难许多，并且本钱昂扬，可是有或许经过 DSP 以数字方式增加额定的抗混叠滤波器。
图 6. 抗混叠滤波器衰减高于 ƒs/2 的信号。屏幕上不显现介于 40% 至 50% ƒs 之间的维护带。
数字抽取滤波器和重采样算法供给了频率分辩率受约束问题的处理办法。 Agilent VSA 软件中就运用了这种办法。数字抽取滤波器和重采样履行必要的操作以答应改动扫宽和分辩率带宽。数字抽取滤波器一起下降采样率并约束信号的带宽 ( 供给混叠防备 )。输入数字滤波器的采样率为ƒs; 输出该滤波器的采样率为 ƒs/n，其间“n”是抽取因子，为整数值。相似的，输入滤波器的带宽为“BW”，输出滤波器的带宽为“BW/n”。许多完结进程履行二进制抽取 ( 采样率按 1/2 的速度下降 )，这意味着采样率按 2 的整数幂改动，即步进值为 1/(2n) (1/2、1/4、1/8……)。经过“除以 2n”得出的频率扫宽称为基数扫宽。由于减少了 DSP 操作，一般在基数扫宽上进行的丈量比在恣意扫宽上进行的丈量要快。
抽取滤波器答应采样率和扫宽以 2 的幂次改动。要取得恣意扫宽，采样率有必要是无限可调的。这由抽取滤波器之后的重采样或插值滤波器来完结。
虽然数字重采样滤波器在下降采样率的一起供给了混叠的防备，模仿抗混叠滤波器仍然是必要的，由于数字重采样滤波器本身也是一个被采样体系，有必要被避免呈现混叠。模仿抗混叠滤波器运转于 ƒs上，维护最宽频率扫宽上的剖析。在模仿滤波器之后的数字滤波器，为较窄的、用户界说的扫宽供给抗混叠才干。
当抗混叠触及带限信号，并运用示波器作为 VSA 软件前端时，还有必要采纳额定的防备措施。
下一个约束小分辩率带宽剖析的杂乱要素来源于 FFT 算法本身的实质特性 ; FFT 实质上是一个基带转化。这意味着 FFT 频率规模从 0 Hz ( 或 DC) 开端，一直到某个最大频率 (?s/2) 完毕。在小频段需求被剖析的丈量状况中，这或许是一个严重约束。例如，假如丈量前端的采样率为 10 MHz，频率规模将从 0 Hz 到 5 MHz (?s/2)。假如时刻样本数量 (N) 为 1024，那么频率分辩率将为 9.8 kHz (?s/N)。这意味着挨近 9.8 kHz 的频率或许无法分辩。
