CN103630743A - 一种外差式频谱分析仪频率修正的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外差式频谱分析仪频率修正的方法，当信号送入到外差式频谱分析仪通过处理后判断分辨率带宽RBW，如果当RBW＞10倍f_min时，通过滤波器扫描法对信号进行放大或者压缩，包络检波，视频滤波处理获取到信号频谱；当RBW≤10倍f_min时，通过FFT扫描法将记录的调谐频点值和实际发送调谐频点值的差值经FFT变换后转化为数据点的误差进行频谱误差消除，从而提高了识别频谱精准度。

Description

一种外差式频谱分析仪频率修正的方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种外差式频谱分析仪频率修正的方法。

背景技术

频谱分析仪按照工作原理可以划分为扫描式频谱仪和非扫描式频谱仪，扫描式频谱仪主要可分为滤波式和外差式两种。滤波式频谱仪主要采用多通道滤波器频谱仪，也称为并联型滤波器，对于不同的信号频率，采用不同的滤波器进行处理，最后由多任务扫描器将信号传输到屏幕上显示，但是这种频谱仪结构需多组滤波器，资源消耗比较多，成本较高。

外差式频谱分析仪可以实现对高频信号进行多级变频，因此扫频式外差频谱仪可以对频率很高的信号进行分析，同时具有分辨率较高，测量速度快，成本较低等优势，从而获得广泛应用。由于近年来数字信号处理技术的不断发展，各种数字芯片的处理速度越来越快，资源越来越丰富，价格越来越低。频谱仪的中频处理技术逐步从模拟中频转向数字中频，与传统的模拟中频相比，数字中频具有稳定性更高，成本更低，更利于生产调试等优点。

外差式频谱仪通过混频得到所需要的频点的基本信息，并通过更改本振频率来获得一个频段，扫描就是不断更新本振频率，使得本振信号刚好扫过一个频点，达到测量目的。输入信号首先经过一个衰减器，保证信号输入混频器时处于合适的电平上，从而防止过载、增益压缩和信号的失真，信号通过衰减器之后经过一个低通滤波器，这个地方的低通滤波器的主要作用是：阻止高频信号进入混频器，防止带外信号与本振相混频在中频产生多余的频率响应，接下来，输入信号与来自本振LO的信号相混频，混频后的信号落到中频滤波器IF的通带内，该信号通过滤波器后，进行包括信号的放大或者压缩，包络检波，视频滤波以及显示等处理。扫频发生器在屏幕上产生从左往右的水平移动，同时对本振进行调谐，使本振频率的变化与扫频发生器的斜坡电压成正比。

频谱仪中，混频得到的数字中频信号进入现场可编程门阵列（FPGA,Field－Programmable Gate Array）后，首先对其数字下变频处理，把模数变换器（ADC，Analog to Digital Converter）输出的信号变为零中频的基带信号，同时完成抽取降数率操作。下变频后的基带信号根据RBW的不同，有两种通道处理方案：RBW＞10倍f_min时，在FPGA中通过检波算法得到信号的功率谱，这种方法称为滤波器扫描法；RBW≤10倍f_min时，送到数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）中进行快速傅里叶变换（FFT，Fast Fourier Transformation）变换完成谱分析，这种方法称为FFT扫描法，其中f_min为本振LO调谐点能够实现的最小调谐步进，因此，RBW＞10倍f_min采用传统的包络检波，视频滤波等处理获得信号的频谱，而在RBW≤10倍f_min时，可采用FFT算法计算信号的频谱

然而本振LO调谐点的精度有限，当调频步进控制字加1或者减1时，LO调谐点能够实现的最小调谐步进f_min为：

其中，f_ref为参考源步进，N为本振频率调频精度，调频步进是前端调谐频点变化的最小单位，因此调谐频点的变化并不是任意的，只能以调频步进的整数倍变化，而在两个相邻可调谐频点间的频点是不能实现的，只能量化到误差最小的可调谐频点上，其误差范围为[-0.5f_min,0.5f_min]。因此，当整个系统的分辨率带宽RBW＞10倍f_min时，对最终测试结果影响并不是很大；反之RBW≤10倍f_min误差影响就比较明显。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种外差式频谱分析仪频率修正的方法，将记录的调谐频点值和实际发送调谐频点值的差值经FFT变换后转化为数据点的误差进行频谱误差消除，从而提高了频谱精准度。

为实现上述发明目的，本发明一种外差式频谱分析仪频率修正的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、将射频信号输入到衰减器后，经低通滤波器滤波后输入到混频器；

（2）、将参考源产生的信号输入到本振LO，再将本振LO的输出信号输入到混频器，当本振LO的调频步进控制字加1或者减1时，所述的本振LO调谐点能够实现的最小调谐步进f_min为：

其中，f_ref为参考源步进，N为本振LO频率调频精度；扫频发生器在屏幕上产生从左往右的水平移动，同时对本振LO进行调谐，使本振LO频率的变化与扫频发生器的斜坡电压成正比；

（3）、将混频器的输出信号输入到中频滤波器滤波，如果滤波后的信号分辨率带宽RBW＞10倍f_min时，通过滤波器扫描法对信号进行放大或者压缩、包络检波和视频滤波处理获取到信号频谱；如果滤波后的信号分辨率带宽RBW≤10倍f_min时，通过FFT扫描法，记录下实际所需调谐频点值或者理想调谐频点值f_i与实际发送调谐频点值f_LO的误差：Δf＝f_LO-f_i，其中，实际发送调谐频点值f_LO与最小调谐步进f_min有如下的关系：f_LO＝Mf_min M∈[1,2^N]∩Z，Z表示整数集，再将得到的误差Δf转化为FFT变换后数据点的误差，其中，FFT变换结果中相邻两频点之间的频率间隔为RBW/2，则Δf引起的频率偏移为2Δf/RBW，最后根据Δf为正还是负将FFT变换后的频率序列向右或向左移动round(2Δf/RBW)个点，获取到信号频谱，其中round(·)表示取最接近·的整数。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明外差式频谱分析仪频率修正的方法，当信号送入到外差式频谱分析仪通过处理后判断分辨率带宽RBW，如果当RBW＞10倍f_min时，通过滤波器扫描法对信号进行放大或者压缩，包络检波，视频滤波处理获取到信号频谱；当RBW≤10倍f_min时，通过FFT扫描法将记录的调谐频点值和实际发送调谐频点值的差值经FFT变换后转化为数据点的误差进行频谱误差消除，从而提高了识别频谱精准度。

同时，本发明外差式频谱分析仪频率修正的方法还具有以下有益效果：

外差式频谱分析仪采用滤波器扫描法和FFT扫描法两种方法，能够提高信号的采用效率，节约采用时间，同时在FFT扫描法中通过将记录的调谐频点值和实际发送调谐频点值的差值经FFT变换后转化为数据点的误差进行频谱误差消除，从而提高了频谱精准度。

附图说明

图1是本发明外差式频谱分析仪频率修正方法的基本原理框图；

图2是外差式频谱仪修频率正前的频谱图；

图3是外差式频谱仪频率修正后的频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明外差式频谱分析仪频率修正方法的基本原理框图。

在本实施例中，参考源以振荡器为例，如图1所示，本发明的输入信号首先经过一个衰减器，保证信号输入混频器时处于合适的电平上，从而防止过载、增益压缩和信号的失真，信号通过衰减器之后经过一个低通滤波器，这个地方的低通滤波器的主要作用是：阻止高频信号进入混频器，防止带外信号与本振相混频在中频产生多余的频率响应，接下来，参考振荡器产生的信号输入到本振LO，再将信号输入到混频器，然而本振LO调谐点的精度有限，当调频步进控制字加1或者减1时，所述的本振LO调谐点能够实现的最小调谐步进f_min为：

其中，f_ref为参考振荡器步进，N为本振LO频率调频精度，扫频发生器在屏幕上产生从左往右的水平移动，同时对本振LO进行调谐，使本振LO频率的变化与扫频发生器的斜坡电压成正比；输入信号与来自本振LO的信号相混频，混频后的信号落到中频滤波器IF的通带内，该信号通过滤波器后，如果信号分辨率带宽RBW＞10倍f_min时，通过滤波器扫描法对信号进行放大或者压缩、包络检波和视频滤波处理获取到信号频谱；如果信号分辨率带宽RBW≤10倍f_min时，通过FFT扫描法，记录下实际所需调谐频点值或者理想调谐频点值f_i与实际发送调谐频点值f_LO的误差：Δf＝f_LO-f_i，其中，实际发送调谐频点值f_LO与最小调谐步进f_min有如下的关系：f_LO＝Mf_min M∈[1,2^N]∩Z，Z表示整数集，再将得到的误差Δf转化为FFT变换后数据点的误差，其中，FFT变换结果中相邻两频点之间的频率间隔为RBW/2，则Δf引起的频率偏移为2Δf/RBW，最后根据Δf为正还是负将FFT变换后的频率序列向右或向左移动round(2Δf/RBW)个点，获取到信号频谱，其中round(·)表示取最接近·的整数。

图2是外差式频谱仪修频率正前的频谱图。

图3是外差式频谱仪频率修正后的频谱图。

本实施例中，参考源振荡器的步进f_ref＝100MHz，本振调谐精度为24位，则调谐步进最小单位f_min＝5.96Hz，调谐误差范围为[-2.98Hz,2.98Hz]。设计中，FFT谱分析对应的RBW档位包括30Hz、10Hz、3Hz和1Hz，在RBW＝3Hz时，Δf最大产生2个频点的偏差，而在RBW＝1Hz时，Δf最大产生6个频点的偏差，因此需要对FFT结果进行修正，以消除射频本振端调谐误差。假设RBW＝1Hz，误差Δf＝2.98Hz，那么由Δf所引起的频率偏移点数近似等于6，即3Hz的偏差在频域上映射为6个频点，因此补偿此偏差时，实际要取的频率点应该顺着频率轴往左移动6个点，频率校正前后的频谱图如图2和图3所示。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种外差式频谱分析仪频率修正的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、将射频信号输入到衰减器后，经低通滤波器滤波后输入到混频器；

（2）、将参考源产生的信号输入到本振LO，再将本振LO的输出信号输入到混频器；当本振LO的调频步进控制字加1或者减1时，所述的本振LO调谐点能够实现的的最小调谐步进f_min为：

其中，f_ref为参考源步进，N为本振LO频率调频精度，扫频发生器在屏幕上产生从左往右的水平移动，同时对本振LO进行调谐，使本振LO频率的变化与扫频发生器的斜坡电压成正比；

（3）、将混频器的输出信号输入到中频滤波器滤波，如果滤波后的信号分辨率带宽RBW＞10倍f_min时，通过滤波器扫描法对信号进行放大或者压缩、包络检波和视频滤波处理获取到信号频谱；如果滤波后的信号分辨率带宽RBW≤10倍f_min时，通过FFT扫描法，记录下实际所需调谐频点值或者理想调谐频点值f_i与实际发送调谐频点值f_LO的误差：Δf＝f_LO-f_i，其中，实际发送调谐频点值f_LO与最小调谐步进f_min有如下的关系：f_LO＝Mf_min M∈[1,2^N]∩Z，Z表示整数集，再将得到的误差Δf转化为FFT变换后数据点的误差，其中，FFT变换结果中相邻两频点之间的频率间隔为RBW/2，则Δf引起的频率偏移为2Δf/RBW，最后根据Δf为正还是负将FFT变换后的频率序列向右或向左移动round(2Δf/RBW)个点，获取到信号频谱，其中round(·)表示取最接近·的整数。

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