CN103763051A - 实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，其中包括超外差接收机和数字中频信号捕获和分析模块，所述的数字中频信号捕获和分析模块包括模数转换单元、IQ调制单元、快速傅氏变换单元、映射和记录单元，映射和记录单元用以计算所述的快速傅氏变换单元输出的各频率分量的信号幅度、对信号幅度进行概率映射并记录各个频点出现的次数。采用该种结构的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，可同时分析并记录信号的频率、幅度以及发生概率和时间的信息，对全面分析猝发信号提供了一种方法，从频域角度分析了信号出现的概率和具体时间，能对信号进行4维分析，在实际信号分析中有广泛的应用，具有良好灵活性和可扩展性，适用于大规模推广应用。

Description

实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统

技术领域

本发明涉及无线电测量领域，尤其涉及频域测量技术领域，具体是指一种实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统。

背景技术

随着无线电技术和通信技术的发展，无线电测量技术得到了很大的发展，无线电测量主要分为时域测量和频域测量两大类，时域测量就是大家熟知的用示波器测量电磁信号的幅度相对于时间的函数曲线。频域测量就是利用频谱分析仪测量电磁信号的幅度相对于频率的函数曲线。时域测量与频域测量是相互关联的，对于信号，它们之间通过傅里叶级数或傅里叶积分相互转换。所以时域测量与频域测量是从不同的领域中对无线电信号进行同一参数的测量。信号的频谱分析能够获得时域测量中所得不到的独特信息，例如谐波分量、寄生、交调、噪声边带等，同时具有大动态范围、高灵敏度等特点，成为信号分析领域的重要手段，在各种电子工程领域中有着广泛的应用。

但是，不论示波器还是传统的频谱分析，这些分析方法都是以稳态信号为测量目标。对于当前异常复杂的尖端射频技术，如采用猝发、跳频、码分复用技术等产生的无线信号，这种传统的分析方法已不能适用。另外，现代通信系统的组网和系统工程日益复杂，发现和测量来自不同网络或内部自身的微弱干扰信号也是非常重要的任务，而这时传统的测试方法同样不能很好的解决问题。

一个典型的采用扫描式超外差式频谱分析仪的技术框图大致如图1所示。

其基本工作原理如下：宽带射频信号经过混频后频率变换为较低的中频频率，然后中频信号处理后进行模数变换，将信号变换成高速数字信号后进行数字滤波和检波，这里的关键是本机振荡器（LO）采用了扫描方式。对于稳态信号，这种测量方式能精确的测量信号的各种参数。而对于随时间变化的信号，由于本振的扫描是独立于被测信号，二者之间不存在同步关系，从测量结果来看，检波器（DET）的输出会因为本振不同扫描时间而发生变化，测量结果也就失去了可靠性。

同样，对于示波器来说，由于存储深度总是有限的，并且示波器的动态范围总是有限的，而出现干扰的微弱信号存在无法触发或无法测量的可能性较大。

综合说来，现有的测量方法主要有以下两个缺点：

1、受限于本振扫描方式，对于随时间变化的信号，诸如示波器、频谱分析仪这些分析方法已完全无法胜任。

2、对于测量结果，不能对特定信号出现的时间进行准确定位。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现同时分析并记录信号的频率、幅度以及发生概率和时间的信息、适用于全面分析猝发信号、具有良好灵活性和可扩展性、适用于大规模推广应用的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统。

为了实现上述目的，本发明的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统具有如下构成：

该实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，其主要特点是，所述的系统包括：

超外差接收机，用以将射频输入信号变换为固定频率的中频信号；

数字中频信号捕获和分析模块，用以对所述的固定频率的中频信号进行捕获和分析；

所述的数字中频信号捕获和分析模块包括：

模数转换单元，用以将所述的固定频率的中频信号转换为数字信号；

IQ调制单元，用以将所述的数字信号分解为正交的I路信号和Q路信号；

快速傅氏变换单元，用以对所述的I路信号和Q路信号进行快速傅氏变换并输出每个频点的实部和虚部；

映射和记录单元，用以计算所述的快速傅氏变换单元输出的各频率分量的信号幅度、对信号幅度进行概率映射并记录各个频点出现的次数。

较佳地，所述的超外差接收机包括前置预滤波器、混频器和本机振荡器，所述的射频输入信号通过所述的前置预滤波器输入所述的混频器的第一输入端，所述的本机振荡器输入所述的混频器的第二输入端，所述的混频器的输出与所述的数字中频信号捕获和分析模块的输入端相连接。

更佳地，所述的超外差接收机还包括抗混叠滤波器，所述的抗混叠滤波器连接于所述的混频器的输出端和所述的数值中频信号捕获和分析模块的输入端之间。

较佳地，所述的映射和记录单元包括：

求模子单元，用以计算所述的快速傅氏变换单元输出的各频率分量的信号幅度；

映射子单元，用以对所述的求模子单元输出的信号幅度进行概率映射；

存储子单元，用以存储所述的映射子单元输出的信号幅度概率映射和每个频点出现的次数。

更佳地，所述的数字中频信号捕获和分析模块还包括：

时序管理器，所述的时序管理器的输入端与所述的IQ调制单元相连接，所述的时序管理器用以将输入的IQ正交信号按数据帧的长度分为奇偶帧并分别依次通过时序管理器的I路信号输出端和Q路信号输出端输出；

第一存储器，用以存储所述的时序管理器输出的IQ正交信号中的奇数帧I路信号和Q路信号并输出至所述的快速傅氏变换单元；

第二存储器，用以存储所述的时序管理器输出的IQ正交信号中的偶数帧I路信号和Q路信号并输出至所述的快速傅氏变换单元；

计数器，所述的计数器的输入端与所述的时序管理器相连接并记录当前数据帧的帧数，所述的计数器的输出端与所述的存储子单元的输入端相连接；

所述的快速傅氏变换单元按照时间顺序分别对所述的第一存储器存储的奇数帧和第二存储器存储的偶数帧进行快速傅氏变换。

更进一步地，所述的存储子单元的深度D_p满足以下公式：

D_p≥2ⁿ×2^m×2^k

其中，2ⁿ为所述的快速傅氏变换输出每帧数据的长度，m为所述的快速傅氏变换输出每个信号幅度数据的宽度，2^k为每个映射点的记录数据长度。

再进一步地，所述的存储子单元存储的数据为信号频率、信号幅度、信号出现概率、时间的四维数组，其中信号频率由n映射，信号幅度由m映射，信号出现概率由k映射，时间由所述的计数器的输出值映射。

更进一步地，所述的时序管理器、快速傅氏变换单元、求模子单元和映射子单元基于一FPGA设立。

较佳地，所述的数字中频信号捕获和分析模块还包括：

第一信号速率变换单元，用以根据系统资源改变I路信号的数字信号速率和分析带宽，所述的第一信号速率变换单元连接于所述的IQ调制单元和所述的快速傅氏变换单元之间；

第二信号速率变换单元，用以根据系统资源改变Q路信号的数字信号速率和分析带宽，所述的第二信号速率变换单元连接于所述的IQ调制单元和所述的快速傅氏变换单元之间。

更佳地，所述的数字中频信号捕获和分析模块还还包括：

第一低通滤波器，连接于所述的第一信号速率变换单元和快速傅氏变换单元之间，所述的第一低通滤波器用以滤除I路信号降速抽取产生的混叠产物；

第二低通滤波器，连接于所述的第二信号速率变换单元和快速傅氏变换单元之间，所述的第二低通滤波器用以滤除Q路信号降速抽取产生的混叠产物。

采用了该发明中的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，具有如下有益效果：

（1）可同时分析并记录信号的频率、幅度以及发生概率和时间的信息，对全面分析猝发信号提供了一种方法。从频域角度分析了信号出现的概率和具体时间，能对信号进行4维分析，在实际信号分析中有广泛的应用。

（2）整个分析过程和信号处理在FPGA中实现，具有良好的灵活性和可扩展性。

（3）信号处理速度较软件分析有很大的提高，实现了信号分析的实时性难题。

（4）信号分析带宽取决于AD采样速率和FPGA的处理速度（工作时钟），以当前技术可实现百兆带宽以上的信号实时分析。

（5）整个设计的体积、功耗、可靠性和稳定性都获得了提高，同时实现成本大大降低。

附图说明

图1为现有技术中的扫描式超外差式频谱分析仪的结构示意图。

图2为本发明的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统的结构示意图。

图3为本发明的数字中频信号分析部分的结构示意图。

图4为本发明的映射子单元中映射关系示意图。

图5为本发明的FPGA进行数字中频信号分析的流水分析示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明提供了一种新的测量方法，解决了上述问题，可以对这些时变信号进行记录并分析。

本发明的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统结构如图2所示，由2个部分组成，分别是超外差接收机以及数字中频信号捕获和分析模块。

超外差接收机将射频输入信号变换为固定频率的中频信号，这种变换结构可以是2次变频也可以是3次变频，主要由射频输入衰减器、前置预滤波器、混频器、本振、抗混叠滤波器（Anti-alias filter）组成。

数字中频信号捕获和分析模块将模拟信号变换成数字信号，数字信号经数字下变频器将信号分解为IQ两路正交信号；同时经过可编程信号速率变换，其作用是可以通过改变数字信号速率，改变分析带宽，从而最大程度利用系统资源。如图3所示，其后，信号经FFT（快速傅氏变换单元）变换成频域信息，FFT的输出进行映射和记录，并存入RAM（随机存储器）中。其中，FFT后的映射转换关系是本发明的核心。通过这种映射，它能将从起始时刻的每次分析结果累加并记录下来，从而获得了信号随时间变化的概率分布，并将小概率事件出现的时刻记录下来。映射方法的具体方法如下：

本分析方法同样是基于FFT变换，即频域测量结果，FFT变换以帧转换为一个转换周期，数据帧的长度为2ⁿ，n根据系统采样率（fs）、分析带宽（ABW）、间隔时间（Interval Time）以及存储深度（Memory Depth）综合考虑。

从本发明的目的来说，需要对信号无丢失的全景记录和分析，即在整个分析时间段内，没有任何一个采样点被丢失。信号FFT映射记录亦是以帧为周期。

时序管理器将输入的IQ正交信号按数据帧的长度分为奇偶帧分别存入响应的缓存中。同时，计数器记录当前帧的帧数，它实际记录了事件发生精确时间。

采用流水线结构的FFT实时变换，按时间顺序分别对奇偶数据帧进行FFT变换。比如，在进行奇数帧RAM1的FFT变换时，偶数帧数据将被存入RAM2中。在FFT之前，窗口泄露的影响，可以对数据进行加窗处理，加窗的类型可根据实际需要选取。

FFT的输出为每个频点的实部（Real）和虚部（Imag），求模子单元（Mod）计算每个频点的信号幅度，作为信号记录的信息。

映射子单元（Map）是本发明的核心，它对信号幅度进行概率映射，记录每个频点出现的次数。在说明具体映射方法前，对参数做以下说明，n决定每帧FFT数据的长度，以n=7为例，每帧数据长度为128；m是每个FFT幅度输出数据的宽度，比如12位数据输出；k是每个映射点的记录数据长度，如k=10，代表数据最大可记录个数为210=1024，数据越大，代表可记录的时间越长，超过时间可能会发生溢出。映射所需的RAM深度至少为：

D_p＝2ⁿ×2^m×2^k

实际使用时，可以根据RAM深度，优化n，m，k的参数。如此，形成了一个4维的数据RAM，n映射频率，m映射信号幅度，k映射信号出现概率，计数器C映射时间。

具体映射关系如图4所示。

为了保证数据记录的完整，系统采用流水结构。并且由于整个处理过程的实时性，所有信号处理过程需要在硬件中完成，尤其是对速度要求高的FFT变换和映射部分，大规模FPGA（Field Programmable Gata Array，现场可编程门阵列）是实现本发明的较佳选择，其流水处理流程如图5所示。

采用了该发明中的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，具有如下有益效果：

（1）可同时分析并记录信号的频率、幅度以及发生概率和时间的信息，对全面分析猝发信号提供了一种方法。从频域角度分析了信号出现的概率和具体时间，能对信号进行4维分析，在实际信号分析中有广泛的应用。

（2）整个分析过程和信号处理在FPGA中实现，具有良好的灵活性和可扩展性。

（3）信号处理速度较软件分析有很大的提高，实现了信号分析的实时性难题。

（4）信号分析带宽取决于AD采样速率和FPGA的处理速度（工作时钟），以当前技术可实现百兆带宽以上的信号实时分析。

（5）整个设计的体积、功耗、可靠性和稳定性都获得了提高，同时实现成本大大降低。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，其特征在于，所述的系统包括：

超外差接收机，用以将射频输入信号变换为固定频率的中频信号；

数字中频信号捕获和分析模块，用以对所述的固定频率的中频信号进行捕获和分析；

所述的数字中频信号捕获和分析模块包括：

模数转换单元，用以将所述的固定频率的中频信号转换为数字信号；

IQ调制单元，用以将所述的数字信号分解为正交的I路信号和Q路信号；

快速傅氏变换单元，用以对所述的I路信号和Q路信号进行快速傅氏变换并输出每个频点的实部和虚部；

映射和记录单元，用以计算所述的快速傅氏变换单元输出的各频率分量的信号幅度、对信号幅度进行概率映射并记录各个频点出现的次数。

2.根据权利要求1所述的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，其特征在于，所述的超外差接收机包括前置预滤波器、混频器和本机振荡器，所述的射频输入信号通过所述的前置预滤波器输入所述的混频器的第一输入端，所述的本机振荡器输入所述的混频器的第二输入端，所述的混频器的输出与所述的数字中频信号捕获和分析模块的输入端相连接。

3.根据权利要求2所述的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，其特征在于，所述的超外差接收机还包括抗混叠滤波器，所述的抗混叠滤波器连接于所述的混频器的输出端和所述的数值中频信号捕获和分析模块的输入端之间。

4.根据权利要求1所述的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，其特征在于，所述的映射和记录单元包括：

求模子单元，用以计算所述的快速傅氏变换单元输出的各频率分量的信号幅度；

映射子单元，用以对所述的求模子单元输出的信号幅度进行概率映射；

存储子单元，用以存储所述的映射子单元输出的信号幅度概率映射和每个频点出现的次数。

5.根据权利要求4所述的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，其特征在于，所述的数字中频信号捕获和分析模块还包括：

时序管理器，所述的时序管理器的输入端与所述的IQ调制单元相连接，所述的时序管理器用以将输入的IQ正交信号按数据帧的长度分为奇偶帧并分别依次通过时序管理器的I路信号输出端和Q路信号输出端输出；

第一存储器，用以存储所述的时序管理器输出的IQ正交信号中的奇数帧I路信号和Q路信号并输出至所述的快速傅氏变换单元；

第二存储器，用以存储所述的时序管理器输出的IQ正交信号中的偶数帧I路信号和Q路信号并输出至所述的快速傅氏变换单元；

计数器，所述的计数器的输入端与所述的时序管理器相连接并记录当前数据帧的帧数，所述的计数器的输出端与所述的存储子单元的输入端相连接；

所述的快速傅氏变换单元按照时间顺序分别对所述的第一存储器存储的奇数帧和第二存储器存储的偶数帧进行快速傅氏变换。

6.根据权利要求5所述的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，其特征在于，所述的存储子单元的深度D_p满足以下公式：

D_p≥2ⁿ×2^m×2^k

其中，2ⁿ为所述的快速傅氏变换输出每帧数据的长度，m为所述的快速傅氏变换输出每个信号幅度数据的宽度，2^k为每个映射点的记录数据长度。

7.根据权利要求6所述的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，其特征在于，所述的存储子单元存储的数据为信号频率、信号幅度、信号出现概率、时间的四维数组，其中信号频率由n映射，信号幅度由m映射，信号出现概率由k映射，时间由所述的计数器的输出值映射。

8.根据权利要求5所述的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，其特征在于，所述的时序管理器、快速傅氏变换单元、求模子单元和映射子单元基于一FPGA设立。

9.根据权利要求1所述的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，其特征在于，所述的数字中频信号捕获和分析模块还包括：

第一信号速率变换单元，用以根据系统资源改变I路信号的数字信号速率和分析带宽，所述的第一信号速率变换单元连接于所述的IQ调制单元和所述的快速傅氏变换单元之间；

第二信号速率变换单元，用以根据系统资源改变Q路信号的数字信号速率和分析带宽，所述的第二信号速率变换单元连接于所述的IQ调制单元和所述的快速傅氏变换单元之间。

10.根据权利要求9所述的实现瞬态信号捕获和频谱分析的系统，其特征在于，所述的数字中频信号捕获和分析模块还还包括：

第一低通滤波器，连接于所述的第一信号速率变换单元和快速傅氏变换单元之间，所述的第一低通滤波器用以滤除I路信号降速抽取产生的混叠产物；

第二低通滤波器，连接于所述的第二信号速率变换单元和快速傅氏变换单元之间，所述的第二低通滤波器用以滤除Q路信号降速抽取产生的混叠产物。

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