CN100498349C - 中频全数字化频谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及中频频谱仪领域。该发明的中频全数字化频谱仪，射频信号进入宽带超外差接收机部分单元，超外差接收机首先做信号的动态切换，通过低通滤波器之后，上变频到第一中频(IF)，然后再经过二次混频到低中频频率点(2IF)，然后对低中频频率点(2IF)做高速的数字化处理，中频的所有信号处理都是在数字域实现，结合高速的FPGA和DSP做快速的频谱分析功能。本发明的有益效果是电路简单，指标一致性和稳定性好，实现了30Hz～3MHz的RBW，并且实现了多种检波方式。
Description
技术领域
本发明涉及中频频谱仪领域。
背景技术
目前一般的频谱分析功能的实现采用两种技术：
模拟中频方式：采用模拟滤波器实现滤波处理Resolution Bandwidth(RBW)、VideoBandwidth(VBW)和检波器等功能，这种方式的缺点是电路复杂，窄带滤波器难于实现，指标和稳定性差，生产调试复杂。
模拟中频加数字中频方式：宽带检波时采用模拟中频方式，在窄带检波时采用数字中频滤波器方式。这种方案使得窄带分析滤波器的设计简单化，弥补了模拟中频方式的窄带滤波器难于实现的缺点，但其他缺点依然存在，如中频电路依然复杂，生产调试难度高，造成整机的可靠性下降；硬件实现的离散性，造成频谱仪的幅度测试等指标的误差加大。这些都是模拟中频频谱仪的固有缺陷。
发明内容
本项目采用中频全数字化方式实现频谱功能，使得电路简单，指标一致性和稳定性好，实现了30Hz～3MHz的RBW，并且实现了多种检波方式。
本发明的中频全数字化频谱仪，射频信号进入宽带超外差接收机部分单元，超外差接收机首先做信号的动态切换，通过低通滤波器之后，上变频到第一中频(IF)，然后再经过二次混频到低中频频率点(2IF)，其特征在于：然后对低中频频率点(2IF)做下列的数字化处理，数据输入经过希尔伯特变换、频率抽取滤波器和窗函数处理的时域变换后，再经快速傅立叶变换(FFT)，把时域数据转化为频域数据，然后经过VBW和检波器把数据送出显示；采用频率抽取滤波器将数据抽取至合适的频率，然后再做FFT分析，本方案的频率抽取滤波器采用高效的CIC滤波器和高斯形状的FIR滤波器结合的方式；RBW滤波器设计是频谱分析仪的主要功能单元，采用FIR滤波器来实现RBW滤波器；中频的所有信号处理都是在数字域实现，结合高速的FPGA和DSP做快速的频谱分析功能。
本发明的中频全数字化频谱仪，其特征在于：检波器包括正峰值检波、负峰值检波、平均值检波、正负峰值检波、采样值检波和准峰值检波方式。
本发明的技术原理是通过宽带超外差接收机把数字电视射频信号变换到固定中频信号，并通过高速采样电路使模拟中频数字化，然后经过高速数字信号处理器(DSP)及FPGA对信号进行分析并把处理结果上传嵌入式PC存储和显示，如图1所示：这是中频全数字化频谱仪的基本结构，射频信号(这里是1～1000MHz的频率范围输入)，进入宽带超外差接收机部分单元，超外差接收机首先做信号的动态切换(55dB衰减器+放大器)，通过低通滤波器之后，上变频到第一中频(IF)，然后再经过二次混频到低中频频率点(2IF)，如36MHz。一般的模拟频谱仪的电路是对低中频做信号的滤波处理(RBW)、增益调整、视频滤波和包络检波等处理，数字化后做显示。而本文频谱仪的方案不同的是对2IF做高速的数字化处理，中频的所有信号处理都是在数字域实现，结合高速的FPGA和DSP我们做快速的频谱分析功能，而频谱分析功能易于实现，性能稳定。
用纯数字的方法替代传统的频谱分析功能(RBW、VBW、检波，扫描等)，数字中频的原理图如图2所示。数据输入经过希尔伯特变换、频率抽取滤波器、窗函数处理等时域变换后，快速傅立叶变换(FFT)，把时域数据转化为频域数据，然后经过VBW和检波器把数据输出现示。此部分的关键技术是频率抽取滤波器的设计、RBW设计、VBW设计、各种检波器设计和时间控制部分。
频率抽取滤波器是非常重要的单元。中频信号的带宽在10MHz左右，根据奈奎斯特及带通采样定理，采样频率应是信号带宽的2.5倍以上，而频谱仪要做到30Hz的RBW，如果直接做频谱分析，那么需要大量的数据处理。可以采用频率抽取滤波器将数据率抽取至合适的频率(数据率是RBW的10倍左右)，然后再做FFT分析，这是好的解决方法。本方案的频率抽取滤波器采用高效的CIC滤波器和高斯形状的FIR滤波器结合的方式，效率既高，又符合频谱分析仪的指标要求。
RBW滤波器设计是频谱分析仪的主要功能单元，本文采用高斯形状的FIR滤波器来实现RBW滤波器，同时滤波器的形状用户可选除高斯之外的其他类型，如BLACKMAN，HANNING等。
检波器包括正峰值检波、负峰值检波、平均值检波、正负峰值检波、采样值检波和准峰值检波等方式。
本发明采用的全数字中频处理如图2所示，数字中频经过希尔伯特变换，变换到I/Q正交基带信号，I/Q信号经过频率抽取滤波器，将数据率抽取至合适的频率上(数据率是RBW的10倍左右)，抽取后的信号做窗函数处理，这个模块默认为高斯窗，用户可选用合适的窗函数进行信号处理，然后做FFT将时域数据变换到频域数据流，频域数据流经过带宽可变的VBW滤波器做视频滤波，视频滤波后的数据经过检波器检出用户需要的频谱信息送至显示单元显示。
本发明的有益效果是电路简单，指标一致性和稳定性好，实现了30Hz～3MHz的RBW，并且实现了多种检波方式。
附图说明
图1系统原理框图
图2频域分析模型
具体实施方式
实施例1
本项技术已经应用到了天津市德力电子仪器有限公司最新一代的频谱分析仪上，仪器型号为DS8821Q，此仪器为全数字化中频，主要指标达如下所述：
中频分辨带宽(-3dB)：30Hz～3MHz(1，3顺序步进，误差±10％)
形状因子： >5：1(60dB/3dB带宽比)
视频带宽： 10Hz～3MHz(1，3顺序步进)
检波方式 正峰值、负峰值、平均值、正负峰值、采样值准峰值
Claims (2)
1.一种中频全数字化频谱仪，射频信号进入宽带超外差接收机部分单元，超外差接收机首先做信号的动态切换，通过低通滤波器之后，上变频到第一中频(IF)，然后再经过二次混频到低中频频率点(2IF)，其特征在于：然后对低中频频率点(2IF)做下列的数字化处理，数据输入经过希尔伯特变换、频率抽取滤波器和窗函数处理的时域变换后，再经快速傅立叶变换(FFT)，把时域数据转化为频域数据，然后经过VBW和检波器把数据送出显示；采用频率抽取滤波器将数据抽取至合适的频率，然后再做FFT分析，本方案的频率抽取滤波器采用高效的CIC滤波器和高斯形状的FIR滤波器结合的方式；RBW滤波器设计是频谱分析仪的主要功能单元，采用FIR滤波器来实现RBW滤波器；中频的所有信号处理都是在数字域实现，结合高速的FPGA和DSP做快速的频谱分析功能。
2.如权利要求1所述的中频全数字化频谱仪，其特征在于：检波器包括正峰值检波、负峰值检波、平均值检波、正负峰值检波、采样值检波和准峰值检波方式。
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