CN106353594A - 一种快速多分辨率频谱分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多分辨率频谱分析系统，ADC单元采集超外差接收单元输出的模拟中频信号并生成数字中频信号，数字中频信号输入到混频单元进行数字变频处理，混频单元输出的宽带IQ信号数据一路直接输入到FFT频谱计算单元进行低分辨率频谱分析，混频单元输出的宽带IQ信号数据另一路输入到级联的复调谐抽取滤波单元进行处理，输出的IQ信号数据输入到FFT频谱计算单元进行较高分辨率频谱分析，FFT频谱计算单元输出的多种频率分辨率的频谱分析轨迹送入频谱显示单元中显示。相对于现有技术方案来说，本发明技术方案的测量效率更高。

Description

一种快速多分辨率频谱分析系统及方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种快速多分辨率频谱分析系统，还涉及一种快速多分辨率频谱分析方法。

背景技术

频谱分析仪是一种广泛应用的微波射频信号的频域测量工具，频谱分析目前主要有扫频频谱分析法和FFT频谱分析法，相对于扫频频谱分析法而言，FFT频谱分析仪更加适合高分辨率频谱分析和快速频谱分析的场合，例如用于分析非平稳信号的实时频谱分析。

当前的FFT频谱分析仪采用了固定分辨率的频谱分析方式，即测量的全部范围的频谱数据都是相同的分辨率带宽。有时在多种场合下，需要进行多分辨率频谱分析。例如使用FFT频谱分析仪进行单边带相位噪声测量时，测量近端相位噪声所使用的频率分辨率高，测量远端相位噪声所使用的频率分辨率低。图1显示了典型的相位噪声测试曲线，其中ΔF表示某一段频率区间采用的频率分辨率，通常ΔF4＞ΔF3＞ΔF2＞ΔF1。

多分辨率频谱分析的另一个典型应用场合就是频谱发射模板测量。多数通信发射模板测量要求在对相对于发射机载波偏移不同频率范围的杂散测量所采用的频率分辨率不同。例如WCDMA频谱发生模板要求偏离载频2.5MHz-3.5MHz的频段内采用30kHz的频率分辨率测量，3.5MHz-12.5MHz的频段外采用1MHz的频率分辨率测量。另外在某些电磁环境信号频谱测量时，对于某些信号密集的频段采用较高的频率分辨率测量，对于信号密集程度不高的频段采用较大分辨率测量。

另外由于FFT频谱分析法的频率分辨率和时间分辨率存在的固有矛盾，对于实时频谱分析的场合，希望某些测量频带内获得的瀑布图，频率分辨率低而时域分辨率高，而在其更窄的频带内获得的瀑布图，频率分辨率高而时域分辨率低。因此现代微波信号分析仪能够执行多分辨率频谱分析是具有很大实用价值的。

目前的微波FFT频谱分析仪的频率分辨率是可以进行设置的。典型的数字中频式FFT频谱分析仪的中频处理方案如图2所示。ADC单元21采集前端调谐接收通路输出的模拟中频信号生成数字中频信号，数字中频信号输入到混频单元22进行数字变频处理，通常为了降低后续数字滤波处理的复杂度，通常将信号变频到零中频，生成基带的I信号分量和正交的Q信号分量，IQ信号进入抽取滤波单元23进行抽取滤波，抽取滤波单元23输出的IQ信号进入FFT频谱计算单元24进行傅里叶变换处理获得信号的频谱数据，最后输出到频谱显示单元25进行显示。值得注意的是抽取滤波单元24是一个抽取比可变的数字滤波装置，抽取滤波模块用于将带宽较宽的IQ信号数据，经过数字滤波和降低采样率处理，生成带宽较窄且IQ数据速度较低的IQ信号数据。

在实际工程应用中，受到最大FFT点数的限制，为了实现频谱分析的高频率分辨率，宽带的IQ信号数据经过抽取滤波处理后，在窄带IQ信号数据上执行FFT变换，可获得更高的频率分辨率。

为了执行多分辨率频谱分析，现有的技术方案通常是：

第一步：将FFT频谱分析仪中心频率调谐到第一感兴趣的频带的中心；

第二步：依据第一感兴趣频带要求的频率分辨率设置抽取滤波单元24的抽取比，并基于抽取滤波单元24输出的信号数据执行所要求频率分辨率的FFT频谱分析；

第三步：将FFT频谱分析仪中心频率调谐到第二感兴趣的频带的中心；

第四步：依据第二感兴趣频带要求的频率分辨率设置抽取滤波单元24的抽取比，并基于抽取滤波单元24输出的信号数据执行要求频率分辨率的FFT频谱分析；

第五步：依次类推，可获得所有感兴趣的信号频带的频谱分析

第六步：基于所有感兴趣频带的频谱数据构造出多分辨率频谱分析轨迹并显示。

现有的技术方案采用了分段调谐，分时测量的方式完成多分辨率频谱分析，测量效率低。例如执行相位噪声测量时，起始频率为10Hz，终止频率10MHz时。为了测量近端相位噪声，例如10Hz频偏，需要的频率分辨率至少小于3Hz，为了测量远端相位噪声，需要的频率分辨率至少为3MHz。另外，执行这些测量，通常还需要执行大量的平均处理。因此执行一次测量可能需要花费十几秒甚至几分钟的时间，这在某些要求效率的生产测试的场合是不能满足要求的。另外，当被测信号存在频率漂移时，测量结果也会产生较大失真。现有的技术方案也无法适用于对瞬态突发信号进行实时频谱分析的场合。

发明内容

针对现有的频谱分析方法无法进行多分辨率频谱分析的缺点，本发明提出了一种多分辨率频谱分析系统及方法，准确的说是利用FFT频谱分析技术快速或实时进行多分辨率频谱分析的系统及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种多分辨率频谱分析系统，ADC单元采集超外差接收单元输出的模拟中频信号并生成数字中频信号，数字中频信号输入到混频单元进行数字变频处理，混频单元输出的宽带IQ信号数据一路直接输入到FFT频谱计算单元进行低分辨率频谱分析，混频单元输出的宽带IQ信号数据另一路输入到级联的复调谐抽取滤波单元进行处理，输出的IQ信号数据输入到FFT频谱计算单元进行较高分辨率频谱分析，FFT频谱计算单元输出的多种频率分辨率的频谱分析轨迹送入频谱显示单元中显示。

可选地，上述多分辨率频谱分析系统包括多个并行的级联的复调谐抽取滤波单元。

可选地，所述级联的复调谐抽取滤波单元包括多个复调谐抽取比滤波模块，且依次连接到一起。

可选地，所述级联的复调谐抽取滤波单元中，输入的IQ信号输入到第一级复调谐抽取滤波模块，第一级复调谐抽取滤波模块是最大抽取比为K1的抽取滤波模块，第一级复调谐抽取滤波模块输出的IQ信号数据输入到第二级复调谐抽取滤波模块，第二级复调谐抽取滤波模块是最大抽取比为K2的抽取滤波模块，依次类推，第N-1级复调谐抽取滤波模块的输出的IQ信号数据输入到第N级复调谐抽取滤波模块，任何一级复调谐抽取滤波模块的输出都输入到FFT频谱计算模块进行频谱计算。

可选地，所述级联的复调谐抽取滤波单元的最大抽取比为K＝K1*K2*...*KN，在最大抽取比下，实现最小频率分辨率。

可选地，所述复调谐抽取滤波模块为可变抽取比滤波模块或者固定抽取比滤波模块。

可选地，每一级复调谐抽取滤波模块包括复调谐子模块和抽取滤波子模块两个子模块，或者仅包括一个抽取滤波子模块，或者包括复调谐子模块和抽取滤波子模块两个子模块，将复调谐子模块作为可选支路。

可选地，所述FFT频谱计算单元处理来自所有复调谐抽取滤波模块输出的IQ信号数据，包括一个FFT频谱计算模块或多个并行的FFT频谱计算模块，一个FFT频谱计算模块或多个并行的FFT频谱计算模块分时或同时处理来自所有复调谐抽取滤波模块输出的IQ信号数据。

可选地，所述频谱显示单元包括一个或多个显示窗口，一个显示窗口显示基于每个FFT频谱计算模块输出的频谱数据构造的多分辨率频谱轨迹，多个显示窗口同时显示不同频带的不同频率分辨率的频谱轨迹。

基于上述分析系统，本发明还提出了一种快速多分辨率频谱分析方法，包括以下步骤：

第一步：将FFT频谱分析仪中心频率调谐到末级中频信号带宽覆盖所有目标信号频带；

第二步：如果系统FFT最大点数允许，对混频单元输出的IQ数据执行FFT频谱分析，获得某一频率分辨率对应频带的信号频谱，否则执行第三步；

第三步：控制某一个级联的复调谐抽取滤波单元的第一级复调谐抽取滤波模块，使其输出的IQ信号频带中心频率等于某一频率分辨率对应频带的中心，对第一级之后的其他复调谐抽取滤波模块设置为旁路，对第一级复调谐抽取滤波模块之后的某一级复调谐抽取滤波模块输出的IQ信号数据执行FFT频谱分析，获得某一频率分辨率对应频带的信号频谱或实时谱图；

第四步：控制另一个级联的复调谐滤波器单元的第一级复调谐抽取滤波模块，使其输出的IQ信号频带中心频率等于另一频率分辨率对应频带的中心，对第一级之后的其他复调谐抽取滤波模块设置为旁路，对第一级复调谐抽取滤波模块之后的某一级复调谐抽取滤波模块输出的IQ信号数据执行FFT频谱分析，获得另一频率分辨率对应频带的信号频谱或实时谱图；

第四步：依次类推，获得所有频率分辨率对应频带的信号频谱或实时谱图；

第五步：基于所有频率分辨率对应频带的信号频谱构造出所有目标频带的多分辨率频谱轨迹并显示，或通过多个窗口显示不同频率分辨率对应频带的实时谱图。

本发明的有益效果是：

(1)FFT频谱计算单元包括一个FFT频谱计算模块或多个并行的FFT频谱计算模块，一个FFT频谱计算模块或多个并行的FFT频谱计算模块可分时或同时处理来自所有抽取滤波链路节点输出的IQ信号数据。

(2)频谱显示单元可包括一个或多个显示窗口，一个显示窗口可显示基于每个FFT频谱计算模块输出的频谱数据构造的多分辨率频谱轨迹，多个显示窗口也同时显示不同频带的不同频率分辨率的频谱轨迹。

(3)相对于现有技术方案来说，本发明技术方案的测量效率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为典型的相位噪声测试曲线示意图；

图2为典型的数字中频式FFT频谱分析仪的中频处理方案原理图；

图3为本发明的多分辨率频谱分析系统的原理图；

图4为本发明级联的复调谐抽取滤波单元的原理图；

图5为本发明每一级复调谐抽取滤波模块的原理图；

图6为本发明级联的复调谐抽取滤波单元的一个具体实施例的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更快地执行多分辨率频谱分析，本发明提出了一种多分辨率频谱分析系统，如图3所示，ADC单元31采集超外差接收单元30输出的模拟中频信号并生成数字中频信号，数字中频信号输入到混频单元32进行数字变频处理，混频单元32输出的宽带IQ信号数据一路直接输入到FFT频谱计算单元34进行低分辨率频谱分析，混频单元32输出的宽带IQ信号数据另一路输入到级联的复调谐抽取滤波单元33进行处理，输出的IQ信号数据输入到FFT频谱计算单元34进行较高分辨率频谱分析，FFT频谱计算单元34输出的多种频率分辨率的频谱分析轨迹送入频谱显示单元35中显示。

本发明的快速多分辨率频谱分析系统可包括多个并行的级联的复调谐抽取滤波单元34，图3中仅示出了多个并行的级联的复调谐抽取滤波单元的其中一个。

级联的复调谐抽取滤波单元34包括多个复调谐抽取比滤波模块，且依次连接到一起。图4给出了级联的复调谐抽取滤波的实现结构图，包括输入的IQ信号输入到第一级复调谐抽取滤波模块41，第一级复调谐抽取滤波模块41是最大抽取比为K1的抽取滤波模块，第一级复调谐抽取滤波模块41的输出的IQ信号数据输入到第二级复调谐抽取滤波模块42，第二级复调谐抽取滤波模块42是最大抽取比为K2的抽取滤波模块，依次类推，第N-1级复调谐抽取滤波模块的输出的IQ信号数据输入到第N级复调谐抽取滤波模块4N，任何一级复调谐抽取滤波模块的输出都可以输入到FFT频谱计算模块34进行频谱计算。

级联的复调谐抽取滤波单元33的最大抽取比为K＝K1*K2*...*KN，在最大抽取比下，可以实现感兴趣频带频谱分析所要求的最小频率分辨率。

本发明的快速多分辨率频谱分析系统中，所有的复调谐抽取滤波模块均可以为可变抽取比滤波模块，也可以是固定抽取比滤波模块，且抽取比远远小于级联的复调谐抽取滤波单元33的最大抽取比K。

如图5所示，每一级复调谐抽取滤波模块包括复调谐子模块和抽取滤波子模块两个子模块，或者仅包括一个抽取滤波子模块，或者包括复调谐子模块和抽取滤波子模块两个子模块，将复调谐子模块做为可选的支路。

本发明的快速多分辨率频谱分析系统中，FFT频谱计算单元34处理来自所有抽取滤波链路节点输出的IQ信号数据。FFT频谱计算单元包括一个FFT频谱计算模块或多个并行的FFT频谱计算模块，一个FFT频谱计算模块或多个并行的FFT频谱计算模块可分时或同时处理来自所有抽取滤波链路节点输出的IQ信号数据。

频谱显示单元35可包括一个或多个显示窗口，一个显示窗口可显示基于每个FFT频谱计算模块输出的频谱数据构造的多分辨率频谱轨迹。多个显示窗口也同时显示不同频带的不同频率分辨率的频谱轨迹。

本发明的快速多分辨率频谱分析系统，ADC单元31之后的所有处理均可采用通用处理器、数字信号处理器、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)器件、一个或多个专用集成电路(ASIC)，或其任意两种或多种组合来实现。

上述快速多分辨率频谱分析系统，本发明还提出了一种快速多分辨率频谱分析方法，包括以下步骤：

第一步：将FFT频谱分析仪中心频率调谐到末级中频信号带宽覆盖所有目标信号频带；

第二步：如果系统FFT最大点数允许，可对混频单元32输出的IQ数据执行FFT频谱分析，获得某一频率分辨率对应频带的信号频谱，否则执行第三步；

第三步：控制某一个级联的复调谐抽取滤波单元的第一级复调谐抽取滤波模块，使其输出的IQ信号频带中心频率等于某一频率分辨率对应频带的中心，对第一级之后的其他复调谐抽取滤波模块设置为旁路，对第一级复调谐抽取滤波模块之后的某一级复调谐抽取滤波模块输出的IQ信号数据执行FFT频谱分析，获得某一频率分辨率对应频带的信号频谱或实时谱图；

第四步：控制另一个级联的复调谐滤波器单元的第一级复调谐抽取滤波模块，使其输出的IQ信号频带中心频率等于另一频率分辨率对应频带的中心，对第一级之后的其他复调谐抽取滤波模块设置为旁路，对第一级复调谐抽取滤波模块之后的某一级复调谐抽取滤波模块输出的IQ信号数据执行FFT频谱分析，获得另一频率分辨率对应频带的信号频谱或实时谱图；

第四步：依次类推，获得所有频率分辨率对应频带的信号频谱或实时谱图；

第五步：基于所有频率分辨率对应频带的信号频谱构造出所有目标频带的多分辨率频谱轨迹并显示，或通过多个窗口显示不同频率分辨率对应频带的实时谱图。

下面结合一个具体实施例来进一步说明本发明的技术方案及其带来的技术效果：

本实施例中，利用FFT频谱分析技术进行相位噪声测量，测量的相位噪声起始频偏和终止频偏分别为10Hz和10MHz，假定快速多分辨率频谱分析系统的中频输入带宽大于等于20MHz，采用100MSPS进行中频采集。本实施例的技术方案如图6所示，超外差接收单元30调谐中心频率等于被测信号频率，ADC单元31采集模拟中频信号转化成数字中频信号，将级联的复调谐抽取滤波单元33的所有复调谐抽取滤波模块全部旁路，混频单元32将中频变换到基带，输出的IQ数据等效采样频率为50MHz，第一级复调谐10倍抽取滤波模块63对混频单元32输出的IQ信号数据进行抽取滤波，输出的IQ数据等效采样频率为5MHz，第二级复调谐10倍抽取滤波模块64对第一级复调谐10倍抽取滤波模块63输出的IQ信号数据进行抽取滤波，输出的IQ数据等效采样频率为500kHz，第三级复调谐10倍抽取滤波模块65对第二级复调谐10倍抽取滤波模块64输出的IQ信号数据进行抽取滤波，输出的IQ数据等效采样频率为50kHz，第四级复调谐10倍抽取滤波模块66对第三级复调谐10倍抽取滤波模块65输出的IQ信号数据进行抽取滤波，输出的IQ数据等效采样频率为5kHz，第五级复调谐10倍抽取滤波模块67对第四级复调谐10倍抽取滤波模块66输出的IQ信号数据进行抽取滤波，输出的IQ数据等效采样频率为500Hz。FFT频谱计算单元34对混频单元32输出的IQ信号数据计算FFT频谱，获得频偏1MHz到10MHz之间的单边带相位噪声测量结果，对第一级复调谐10倍抽取滤波模块63输出的IQ信号数据计算FFT频谱，获得频偏100kHz到1MHz之间的单边带相位噪声测量结果，对第二级复调谐10倍抽取滤波模块64输出的IQ信号数据计算FFT频谱，获得频偏10kHz到100kHz之间的单边带相位噪声测量结果，对第三级复调谐10倍抽取滤波模块65输出的IQ信号数据计算FFT频谱，获得频偏1kHz到10kHz之间的单边带相位噪声测量结果，对第四级复调谐10倍抽取滤波模块66输出的IQ信号数据计算FFT频谱，获得频偏100Hz到1kHz之间的单边带相位噪声测量结果，对第五级复调谐10倍抽取滤波模块67输出的IQ信号数据计算FFT频谱，获得频偏10Hz到100Hz之间的单边带相位噪声测量结果。测量结果显示单元35将构造出的起始频偏10Hz到终止频偏10MHz的单边带相位噪声测量结果显示出来。

可以看出，本实施例中的FFT频谱计算单元34可以同时对每一级复调谐抽取滤波模块输出的不同速率的IQ信号数据执行FFT频谱计算，相对于现有技术方案来说，本发明技术方案的测量效率更高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多分辨率频谱分析系统，其特征在于，ADC单元采集超外差接收单元输出的模拟中频信号并生成数字中频信号，数字中频信号输入到混频单元进行数字变频处理，混频单元输出的宽带IQ信号数据一路直接输入到FFT频谱计算单元进行低分辨率频谱分析，混频单元输出的宽带IQ信号数据另一路输入到级联的复调谐抽取滤波单元进行处理，输出的IQ信号数据输入到FFT频谱计算单元进行较高分辨率频谱分析，FFT频谱计算单元输出的多种频率分辨率的频谱分析轨迹送入频谱显示单元中显示。

2.如权利要求1所述的一种多分辨率频谱分析系统，其特征在于，包括多个并行的级联的复调谐抽取滤波单元。

3.如权利要求1或2所述的一种多分辨率频谱分析系统，其特征在于，所述级联的复调谐抽取滤波单元包括多个复调谐抽取比滤波模块，且依次连接到一起。

4.如权利要求3所述的一种多分辨率频谱分析系统，其特征在于，所述级联的复调谐抽取滤波单元中，输入的IQ信号输入到第一级复调谐抽取滤波模块，第一级复调谐抽取滤波模块是最大抽取比为K1的抽取滤波模块，第一级复调谐抽取滤波模块输出的IQ信号数据输入到第二级复调谐抽取滤波模块，第二级复调谐抽取滤波模块是最大抽取比为K2的抽取滤波模块，依次类推，第N-1级复调谐抽取滤波模块的输出的IQ信号数据输入到第N级复调谐抽取滤波模块，任何一级复调谐抽取滤波模块的输出都输入到FFT频谱计算模块进行频谱计算。

5.如权利要求4所述的一种多分辨率频谱分析系统，其特征在于，所述级联的复调谐抽取滤波单元的最大抽取比为K＝K1*K2*...*KN，在最大抽取比下，实现最小频率分辨率。

6.如权利要求3所述的一种多分辨率频谱分析系统，其特征在于，所述复调谐抽取滤波模块为可变抽取比滤波模块或者固定抽取比滤波模块。

7.如权利要求3所述的一种多分辨率频谱分析系统，其特征在于，每一级复调谐抽取滤波模块包括复调谐子模块和抽取滤波子模块两个子模块，或者仅包括一个抽取滤波子模块，或者包括复调谐子模块和抽取滤波子模块两个子模块，将复调谐子模块作为可选支路。

8.如权利要求3所述的一种多分辨率频谱分析系统，其特征在于，所述FFT频谱计算单元处理来自所有复调谐抽取滤波模块输出的IQ信号数据，包括一个FFT频谱计算模块或多个并行的FFT频谱计算模块，一个FFT频谱计算模块或多个并行的FFT频谱计算模块分时或同时处理来自所有复调谐抽取滤波模块输出的IQ信号数据。

9.如权利要求8所述的一种多分辨率频谱分析系统，其特征在于，所述频谱显示单元包括一个或多个显示窗口，一个显示窗口显示基于每个FFT频谱计算模块输出的频谱数据构造的多分辨率频谱轨迹，多个显示窗口同时显示不同频带的不同频率分辨率的频谱轨迹。

10.基于权利要求1至9任一项所述分析系统的快速多分辨率频谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：将FFT频谱分析仪中心频率调谐到末级中频信号带宽覆盖所有目标信号频带；

第二步：如果系统FFT最大点数允许，对混频单元输出的IQ数据执行FFT频谱分析，获得某一频率分辨率对应频带的信号频谱，否则执行第三步；

第三步：控制某一个级联的复调谐抽取滤波单元的第一级复调谐抽取滤波模块，使其输出的IQ信号频带中心频率等于某一频率分辨率对应频带的中心，对第一级之后的其他复调谐抽取滤波模块设置为旁路，对第一级复调谐抽取滤波模块之后的某一级复调谐抽取滤波模块输出的IQ信号数据执行FFT频谱分析，获得某一频率分辨率对应频带的信号频谱或实时谱图；

第四步：控制另一个级联的复调谐滤波器单元的第一级复调谐抽取滤波模块，使其输出的IQ信号频带中心频率等于另一频率分辨率对应频带的中心，对第一级之后的其他复调谐抽取滤波模块设置为旁路，对第一级复调谐抽取滤波模块之后的某一级复调谐抽取滤波模块输出的IQ信号数据执行FFT频谱分析，获得另一频率分辨率对应频带的信号频谱或实时谱图；

第四步：依次类推，获得所有频率分辨率对应频带的信号频谱或实时谱图；

第五步：基于所有频率分辨率对应频带的信号频谱构造出所有目标频带的多分辨率频谱轨迹并显示，或通过多个窗口显示不同频率分辨率对应频带的实时谱图。