解读频谱分析中100% POI 的误区

解读频谱分析中100% POI 的误区引言二十年前，第一代实时频谱分析仪诞生，“触发、采集、分析”成为主打词。

然而当时人们在理解实时频谱分析技术时，往往忽视了“触发”，却更多地关注采集与分析，特别是所谓的“无缝采集”，使得许多人误解为只要实现了“无缝”采集，就是所谓的实时。

八年前，当DPX数字荧光频谱推出后，100% 侦听概率（POI）的概念又成为新的主打词，随后又被广泛接受，多款具有“余晖”技术的频谱分析仪也应运而生。

在这些频谱分析仪中，100% 侦听概率指标最优的达一点几个微秒。

最近市场上又推出一款号称具有1微秒100% POI指标的便携式频谱仪，它也是建立在IQ分析基础上的，很难想象价格仅相当于前面提到的那些频谱仪四分之一的便携式频谱仪具有这种逆天的指标。

实际上这种不切实际的指标的提出，是对100% POI指标理解的误区，明确地说，提出这样指标的人，犯了20年前人们对实时频谱分析技术理解的错误，将IQ分析的频谱分辨率与频谱仪的100% POI指标混为一谈。

为此，我们很有必要深入解读什么是频谱仪100% POI指标，什么是IQ分析的频谱时间分辨率，让大家从误区中走出。

一.100% POI 的定义什么是频谱仪的100% POI 指标？简单来说，就是频谱仪在分析带宽内，自由运行状态下，以100% 的概率发现频域中的事件，该事件所需最短的驻留时间。

100% POI 指标是一个时间值，比如这个指标为125us，即表示该频谱仪在自由运行状态下，可以在分析带宽内，以100% 的概率发现频域驻留时间大于125us的事件。

那么如果一个事件在频域里的驻留时间小于125us，比如50us，那么这台频谱仪是否就不能发现这个信号？非也，这台频谱仪仍然可能发现这一事件，只是概率降低而已。

这里特别强调了自由运行。

什么是频谱仪自由运行状态？这要从频谱仪的实现方式谈起。

图一示意出市场上的两种频谱仪的原理框图。

上图是传统的扫频频谱仪原理框图，下图为IQ分析仪或矢量信号分析仪实现频谱显示的原理框图。

传统扫频频谱仪几乎都工作在自由运行模式（除了某些特定的模拟触发运行）。

图一不同频谱仪原理框图扫频频谱分析仪在某一跨度下的扫描时间，就是该频谱仪在该跨度下的100% POI 指标，这一点无需赘述。

对IQ分析仪，其100% POI指标则是以该类仪器在某一跨度下自由运行时频谱的刷新时间来确定。

IQ分析仪实际上有两大功能，一是IQ分析（矢量信号分析）功能，这应该是IQ分析仪的主要功能，二是频谱分析功能，其主要机理是FFT。

从这一点来看，IQ分析仪的频谱分析功能实际上只是它的“副业”。

在做IQ分析（矢量信号分析）时，IQ分析仪工作在采集模式下，即采集一定时长的IQ数据后，再做离线的IQ分析（矢量信号分析），这些分析中当然也包括频谱分析。

这种采集模式可以重复运行，即IQ分析仪首先进行一个单次采集，完成全部离线分析后，再按相同条件重复采集，重复离线分析。

严格地说，IQ分析仪都工作在采集模式下，那它的自由运行从何而来？这一点我们将在下一节详细讨论，简而言之，IQ分析仪的自由运行，是它在仅显示频谱功能时，在设定的RBW状态下，仅用必需的采集时间采集IQ数据，再做FFT显示频谱。

也就是说，IQ分析仪自由运行的频谱有两个条件，一是IQ分析仪仅开启频谱功能，其它任何分析功能全部关闭，二是IQ分析仪的采集时长仅仅是某一频谱设置下的必需的长度，多一点都不是自由运行。

关于第二点，需要深入阐述，为此我们在下一节从原理上对IQ分析仪的频谱显示做进一步阐述。

二.IQ 分析仪中的频谱显示IQ分析仪的频谱显示，其基本原理是FFT，这里不做过多的赘述。

本节中我们将对IQ分析仪中的一些重要参数做深入地说明，因为这些参数在扫频频谱仪中是没有的。

IQ 分析仪中的重要参数有两类，下面分别介绍。

a)与采样定理相关的参数首先需要说明的是采样定理，因为FFT频谱的前提是采样及A/D转换。

采样定理又称香农采样定理，或奈奎斯特采样定理，是信息论，特别是通讯与信号处理学科中的一个重要基本结论，其原理为在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中最高频率（简单滴说就是信号的带宽）的2倍时，采样之后的数字信号可以完整地保留原始信号中的信息，一般实际应用中通常采样频率为信号最高频率的2.5～10倍，这中情况被称为过采样。

采样定理已经在仪器界被广泛应用，数字存储示波器是采样定理最直接的应用，由于示波器需要在时域中测试信号的细节，因此示波器的采样频率通常高于带宽的5倍以上。

IQ分析并非直接应用采样定理，而是将采样后的IQ数据对做各种数学变换，从而得到分析结果。

因此，任何数字存储示波器都可以做IQ分析，但本文提到的IQ分析仪专指以频谱分析为基础的分析仪器。

IQ分析仪的频谱显示，虽然无需观测时域中的细节，但仍采样过采样，其合成后的采样频率一般高于IQ分析仪分析带宽的2.5倍。

在IQ分析仪中，有两个参数与采样定理相关：采样率与分析带宽，因此我们首先对这两个参数做进一步阐述。

i.采样率与时域的时间分辨率采样率即采样定理中提到的采样频率，它一方面决定IQ分析仪的分析带宽，另一方面决定IQ分析仪时域的时间分辨率。

所谓时域的时间分辨率，其实就是采样率的倒数。

IQ分析仪的时域分辨率，影响其分析脉冲信号的最小脉宽指标。

比如采样率为150Ms/S，其时域的时间分辨率为6.7ns，在做脉冲分析时，每个脉冲顶端应至少有三个样点才能分辨，因此该IQ分析仪最小的脉冲分辨率为20ns。

需要指出的是，IQ分析仪在采样时，将输入端的RF信号分为I、Q两路分别采样，对输入端的RF信号的采样率相当于IQ分析仪标称的采样率的一倍。

比如某IQ分析仪标称的采样率为200Ms/S，相当于对RF输入端的采样率为400Ms/S，但该IQ分析仪的时间分辨率并不能改善，仍为5ns，而分析带宽应该按照RF输入端合成后的采样率来计算。

按照采样定理，该IQ分析仪理论上具有200MHz的分析带宽，但实际上该仪器标称的分析带宽为165MHz，这就是前面提到的过采样。

下面我们具体说明一下IQ分析仪另一个参数–分析带宽。

ii.分析带宽IQ分析仪的分析带宽，一方面受其前端RF通道带宽的影响，更主要的是受采样率的影响。

上节提到的数字存储示波器，通常具有几个乃至上百GHz的采样率，理论上的分析带宽可以超过1GHz。

但受A/D位数等因素的影响，示波器做IQ分析时，动态范围很低。

本文所指的IQ分析仪，其分析带宽通常比较小，目前业内最宽的分析带宽不超过500MHz，因此RF通道的影响可以忽略。

由于IQ分析仪都采用过采样，其分析带宽都小于标称的采样率。

比如一款便携式IQ分析仪，采样率为28Ms/S，合成采样率为56Ms/S，但标称的分析带宽为20MHz，而不是28MHz。

某款新推出的便携式IQ分析仪，标称的采样率为32Ms/S，合成采样率为64Ms/S，但该仪器给出一个CBW指标为32MHz，这一指标并没有考虑过采样，是一个虚指标，其真实的分析带宽在其样本中仍标注为20MHz。

IQ分析仪标称的分析带宽是其最大的指标，当IQ分析仪的分析带宽被设定为小于其指标值时，IQ分析仪的采样率会做相应的调整，即其采样率会降低。

特别需要指出的是实时频谱分析仪。

实时频谱分析仪是特殊的IQ分析仪，实时频谱分析仪的实时分析带宽，也是和采样率相关的一个参数。

实时分析带宽与IQ分析带宽有相似性，但又是不同的指标，目前业内最大的实时分析带宽是165MHz。

有关实时频谱分析技术的原理，已经有许多文章提及，本文不做深入阐述。

iii.采集时长介绍完采样率和分析带宽这两个重要参数后，附带介绍一下IQ分析仪的采集时长。

前文已叙，IQ分析仪的主业是IQ分析（矢量信号分析），这些分析实际上是离线进行的，也就是说IQ分析仪在分析带宽内，以其标称的采样率，按照设定的时长，采集一段IQ数据对后，所有的分析都是基于这采集下来的IQ 数据对进行的。

采集时长越长，IQ分析仪采集时间也就越长，当然其离线处理各种分析结果所需的时间也就越长。

举例说明，如果IQ分析仪的采集时长被设置为500ms，那么IQ 分析仪首先要将这500ms IQ数据对采集下来，这必然要耗时500ms。

如果对这些采集下来的IQ数据对做矢量信号分析，其耗时与计算量的大小及仪器内部CPU处理能力相关，无法估算。

即使我们不考虑这些计算时间，该IQ分析仪一次采集也耗费500ms时间，这也就是我们不采用IQ分析仪的采集模式来计算100% POI指标的原因。

IQ分析仪的最大采集时长与其采集内存及采样率有关，比如对150Ms/S采样率的IQ分析仪，1GB内存可以最大采集1.7秒的IQ数据对，4GB内存可以采集7秒的IQ数据对。

当然，如果真采集1.7秒的IQ数据，此时该IQ分析仪将需要半个小时以上处理数据，这种情况下100% POI指标根本无从谈起，因为这种模式本身是用来分析信号特征的，不是用来发现异常信号的。

b)与FFT相关的参数采样率、分析带宽以及采集时长，这些参数本身还未涉及到FFT，下面我们将深入阐述IQ分析仪与FFT相关的一些参数。

i.FFT 点数与频谱的RBW有关FFT 的理论我们不做赘述，但IQ分析仪做频谱显示时，FFT的点数将与其显示的频谱的RBW相关。

IQ分析仪在显示频谱时，设定SPAN后，其RBW=SPAN/FFT点数。

ii.FFT 窗函数FFT变换后，IQ分析仪在做频谱显示时，需要加窗，这一点我们可以用图二加以说明。

图二第一行表示FFT前的原始信号被用方框长度进行FFT变换，第二行表示窗函数的概念，第三行是不加窗函数与加窗函数的信号对比，第四行是不加窗函数与加窗函数的信号对比。

实际上，在不加窗函数时，如果FFT的起始点刚好在正弦波的零点，则加窗与不加窗显示的频谱是相同的。

关键是被测信号通常是非周期信号，如果不加窗，必然产生频谱的畸变。

图二常见的FFT窗函数如图三所示，对不同特点的信号，有最佳的窗函数与之适应。

对某些特定的信号，窗函数不同，得到的频谱会截然不同。

一般情况下，凯撒窗是首选。

图三不同的窗函数具有不同的窗口因子，窗口因子将决定IQ分析仪显示频谱时的频域时间分辨率。

iii.IQ分析仪频谱的时间分辨率IQ分析仪在显示频谱时，FFT的长度与RBW相关，按照频谱仪的操作习惯，我们通常设定RBW，而不是FFT长度。

当SPAN与RBW设定后，FFT长度也就确定下来。

一个FFT长度，实际上占用了一段时间，这段时间称为频谱时间，即一个FFT频谱所占用的时间，也称为IQ分析仪的频谱时间分辨率。

IQ分析仪的频谱时间分辨率Tsp，仅与设定的RBW及FFT窗函数Wf有关，与其它参数无关，具体公式为Tsp=Wf/RBW。