理解频域电平触发并计算截获概率POI

本文解释了与射频（RF）信号分析仪有关的截获概率（POI），包括在产品出口控制方面。进一步说明了ThinkRF实时频谱分析仪的频域电平触发和实时捕获信号的机制，并计算了0%POI和100%POI对应的信号持续时间。

本文的主要结构如下：

  • 了解截获概率
  • 频域电平触发机制
  • 计算0%和100%POI
  • 结论

了解截获概率

在无线射频信号分析器中，截获概率(POI)表示信号有可能被截取和充分捕获、分析所需要的存在时间。

作为参考，“加拿大出口管制指南——2013年12月”提供了以下定义：“发现概率也称为截获概率或捕获概率。100%发现概率的持续时间等于特定电平测量不确定度所需的最小信号持续时间。”

  Keysight的5991-4317EN应用说明“理解和应用实时频谱分析中的截获概率”在下面的摘录中提供了进一步的说明：“在信号分析仪的性能参数中，POI通常表示为一个信号的最小持续时间，要求该信号若高于仪器的噪声系数，则该信号可以以100%的概率观察到并进行准确地测量。

频域电平触发机制

ThinkRF RTSA的数字化仪具有嵌入式实时硬件触发机制，可提供用户定义的频域电平触发。该触发机制允许用户在频域内定义频率范围和功率电平阈值。如果信号在用户定义的频率范围内超过用户定义的功率电平，则触发机制开始将时域数据存储到存储器中。

图1:ThinkRF RTSA的接收器和数字化器架

参考图1中的RTSA数字化器架构，当感兴趣的信号出现时，会发生一系列事件。利用嵌入在RTSA FPGA中的1024点FFT引擎，将来自Wibeband(WB)模数转换器(ADC)的数字化时域信号转换为频域信号。捕获控制和触发机制将FFT输出数据与用户定义的触发条件（频率范围和阈值）进行比较。触发事件发生时，将捕获数据。由于在这一系列事件中所花费的时间不涉及存储内存，因此捕获的数据具有后触发性质。

触发响应

对于给定的触发电平，触发机制将在指定阈值的±3 dBm内响应。换句话说，如果指定的触发电平为-40dBm，则触发事件将发生在期望频率范围内，功率电平在-43到-37dBm之间。

表一显示了不同衰减电平下的最大和最小触发阈值。触发机制对设置在这些阈值之外的触发级别的响应是饱和的，因此，可能导致没有或错误的触发事件。为了获得最佳触发性能，需要在在这些最大和最小阈值内设置触发器电平。

表一 不同衰减电平下的最大和最小触发阈值

触发SCPI命令

频率电平触发器可与跟踪块捕获一起使用，或与扫描捕获结合使用。 要与跟踪捕获一起使用，请发送以下命令：

:TRIGger:LEVel <stop>,<stop>,<level>
 TRIGger:TYPE LEVEL

要与跟踪捕获一起使用，请发送以下类似命令：

:SWEep:ENTRy:TRIGger:LEVel 
:SWEep:ENTRy:TRIGger:TYPE LEVEL

有关更多信息，请参阅RTSA产品的程序员指南。

计算0%和100%POI

参考图2中的RTSA触发机制波形:

图2:ThinkRF RTSA的触发机制

POI表示信号被截获的最小信号持续时间。在本应用说明中，将计算100%POI和0%POI的信号持续时间。本文中，0%POI表示不存在信号捕获、截获和触发。

FFT引擎提取时域波形数据的序列帧并将其转换为频域波形数据的序列帧。FFT引擎以125MHz采样时钟（8ns采样时钟周期）的速率进行时钟控制，时域输入和频域输出数据通过与FFT处理时间相关的固定延迟紧密耦合。

  • F表示从1024个采样时钟时域FFT帧开始到1024个采样时钟频域FFT帧开始的FFT引擎延迟，等于常数3187个采样时钟。
  • FFT引擎有一个微妙的细微差别，即频域FFT帧以点512-1023然后点0-511的顺序从引擎中出现。图中所示为0-1023点序列中出现的框架，仅为简化起见

S代表在时域FFT帧中存在的最小信号量，确保在频域FFT帧中有足够的相应信号能量以引起触发。 在这方面，可以突出说明三种示例情况：

  • 如果信号在时域帧中存在了零个时钟，则在频域FFT帧中将不存在信号，因此S = 0是0％POI的要求。
  • 同样，如果在时域帧内所有1024个时钟都存在信号，则在频域FFT帧中将存在全部信号能量，并且POI为100％。
  • 最后，如果信号只存在于时域FFT帧的1024个采样时钟中的一部分，那么在频域FFT帧中就会存在相当数量的信号能量。为了计算100%的POI，我们假设有足够的信号能量，使得信号的单个样本可以转换成超过触发幅度阈值的频域波形。因此，我们假设S=1是100% POI的先决条件。值得注意的是，如果信号在时域FFT帧中确实只有1024个样本中的一个出现，那么转换到频域的结果波形将衰减约30dB。

T表示在假设感兴趣的信号满足用户定义的触发条件（频率范围和功率阈值）的情况下，频域FFT帧（或者称为FFT帧中的点（bin））内发生触发的位置（频率）。

  • T值取决于用户定义的触发条件和信号的形状。
  • T可以是0到1024个采样时钟之间的任何值。触发必须在FFT频域帧（T = 0）的第一个点发生，以满足0％POI。同样，触发必须发生在FFT频域帧的最后一个点（T = 1023），以满足100％的POI。
  • 在触发逻辑中还有另外6个延迟采样时钟和一个开始数据捕获的延迟时钟。

C表示触发后捕获的最小时域信号样本量，以提供足够的信号分析。为了满足100%POI，必须至少有一个样本，因此C必须大于一个样本时钟。

基于上述变量的定义和解释，并参考图2中的时序图，对应于某个POI的信号持续时间P可以表示为：

根据前面的定义，当S=0，T=0，C=0时，出现0%的POI；当S=1，T=1023，C>0时，出现100%POI。将F=3187个样本和（1）中的采样率Rs=125 MSp（Samples/s）s代入得到：

0% POI = (3187–(1024–0) + 0 + 6 + 1 + 0) / 125                0% POI

0% POI = 17.360 us

100% POI = (3187–(1024–1) + 1023 + 6 + 1 + C) / 125           100% POI

100% POI > 25.552 us

结论

如果信号持续时间小于17.360 us，则RTSA的POI为0％。 因此，至少在17.360 us之前不存在的任何信号都可能启动触发事件，但是该信号的任何部分都不会被捕获到内存中。

如果一个信号的持续时间大于25.552us加上将该信号捕获到内存中的持续时间，则RTSA具有100%的POI。因此，信号将被保证启动一个触发事件并开始将该信号捕获到内存中。

0%和100%的POI行为都在试验中得到了证明。信号发生器产生一个持续时间固定的信号脉冲，并反复输入到RTSA。持续时间小于17.360的信号一直没有被捕获到内存中，而持续时间大于25.552 us的信号总是被捕获到内存中。任何持续时间在这些阈值之间的信号都被证明是间歇性地捕捉到内存中的，捕获的可靠性直接随信号持续时间的变化而变化。

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