由于無線電頻譜資源的有限及不可再生，而用戶數(shù)量及無線電應(yīng)用的急劇增加，當(dāng)前的RF頻譜正在變得越來越擁擠，越來越繁忙。如何更加高效地利用有限的RF頻譜資源，是當(dāng)前無線電從業(yè)者所要面臨的首要問題。
同時，產(chǎn)品設(shè)計及測試難度也因此加劇。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，還需要時刻注意其他RF干擾源對自身產(chǎn)品的影響。如何捕獲到這些偶發(fā)的RF干擾源，并全面地了解信號頻率、功率、概率、時間等多維度信息，是當(dāng)前RF工程師面臨的重要挑戰(zhàn)。
相對于傳統(tǒng)射頻接收機或頻譜分析儀，實時頻譜分析儀為無線電監(jiān)測和頻譜管理應(yīng)用提供了許多卓越的功能。利用實時頻譜分析儀的實時分析特性，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；可是，光捕獲到還不夠，如何呈現(xiàn)出信號的細(xì)節(jié)及特征呢？這就需要用到實時頻譜分析模式下的概率密度譜顯示功能，也是我們常說的余輝顯示。
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采集間隔內(nèi)，一個頻率和幅度點出現(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軸代表時間；通過用顏色表示Z軸、用亮度表示 T軸時間的方式，實現(xiàn)在一個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，同時還會顯示一條白色的跡線。這條跡線顯示最近一次采樣間隔的實時頻譜。當(dāng)用正峰值、負(fù)峰值或平均檢波時，白色跡線從采樣間隔內(nèi)所有數(shù)據(jù)獲取檢波數(shù)據(jù)；當(dāng)用抽樣檢波時，采用最后一個FFT計算結(jié)果。為了顯示在更長時間范圍內(nèi)的信號狀況，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)前時間越久，概率密度圖亮度越低。
發(fā)現(xiàn)被測信號的詳細(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)的信號特征。我們通過比較傳統(tǒng)頻譜分析儀的單色頻譜顯示和RSA實時頻譜儀的概率密度譜分析畫面，來說明兩者之間的差異。
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同一個Wlan信號的分析顯示畫面。我們可以明顯地觀察到，概率密度譜能夠清晰地顯示W(wǎng)lan信號的上行和下行內(nèi)容，而傳統(tǒng)頻譜儀只能使用單色軌跡顯示信號的峰值幅度。這是因為概率密度譜采用顏色等級的色溫技術(shù)，用顏色表示不同信號出現(xiàn)的頻次和時間信息。
首先通過顏色的深淺，來表示信號出現(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；
其次通過對顏色明暗度的調(diào)整，來表現(xiàn)信號出現(xiàn)的時間信息，剛剛出現(xiàn)的信號用最高亮度顯示，距離當(dāng)前時間越久，信號的亮度越低。
相比之下，傳統(tǒng)掃描式頻譜儀由于采用“功率累加”原理，在最大保持跡線中只能顯示能量最高的信號而無法分辨同一頻點或頻段上是否有其他信號存在。
發(fā)現(xiàn)隱藏的信號
概率密度譜用來檢測很難發(fā)現(xiàn)的瞬時信號，或查找隱藏在其他信號頻譜下面的時變小能量信號是非常有效的。
圖3 概率密度譜發(fā)現(xiàn)隱藏信號
通常藏匿在大信號下面的瞬態(tài)小信號是很難被發(fā)現(xiàn)的，卻會對信號的質(zhì)量和安全性造成嚴(yán)重的影響。隨著實時頻譜分析儀的出現(xiàn)，即便這個小信號出現(xiàn)時間無規(guī)律，信號持續(xù)時間很短，利用概率密度譜，這個小信號也能在屏幕中呈現(xiàn)，“雁過留痕”，這為信號的進(jìn)一步分析和干預(yù)提供可能。
分辨同頻信號
當(dāng)一個頻段中存在多個信號且重疊在一起時，傳統(tǒng)分析儀幾乎不能分開的查看這些信號。顯示屏通常只會顯示每個頻率點上信號能量疊加的結(jié)果。
圖4中，2.4GHz頻段下，有WLAN信號，藍(lán)牙傳輸信號，同時還有多個重復(fù)率低，頻段寬的信號覆蓋整個頻段。傳統(tǒng)的單色掃頻頻譜，當(dāng)存在多個不同的同頻段信號時很難查看存在哪些信號，甚至根本不能分辨不同的信號。應(yīng)用概率密度譜，整個問題就很容易解決了。
圖4 概率密度譜分辨同頻信號
在兩個隨時間變化的信號重疊時， 概率密度譜可以簡便地顯示不同的信號。在上圖中， 我們可以非常容易地把同一條通道上多個重疊的信號區(qū)分開來。信號顏色告訴我們每個信號出現(xiàn)的頻次情況，信號的明暗度告訴我們每個信號出現(xiàn)的時間信息。
另外，我們還可以很容易地分析出，發(fā)生頻次低的類似噪聲的寬帶信號干擾了所有其它信號，而且從顯示屏上可以很容易看出哪個信號比干擾信號能量強，哪個信號比干擾信號弱。
觀察擁擠的頻譜
圖5 概率密度譜觀察擁擠頻譜
圖5是某些動態(tài)變化的信號、瞬態(tài)突變信號以及同一頻段范圍內(nèi)多個信號分時顯示的示例。如果不能有效地查看所有這些信號，我們可能不知道它們是否在有效地分時工作或是否會相互帶來嚴(yán)重干擾。
概率密度譜不僅可以幫助我們查看以前無法分開顯示、甚至根本無法顯示的時變RF信號，甚至可以精準(zhǔn)分析信號包含的具體信息，即使在其完全重疊時，概率密度譜顯示畫面仍可以分辨和揭示隨時間變化的多個信號的屬性，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系列實時頻譜分析儀的一項小小功能，實時頻譜儀的更多玩法，我們一起來探索吧！
