CN106353595A - 一种高性能频谱分析仪及频谱分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高性能频谱分析仪及频谱分析方法，涉及数据处理领域，其特征在于，所述分析仪包括：显示单元；所述显示单元信号连接于处理器；所述处理器分别信号连接于峰值检波单元、振荡单元和模数转换器；所述峰值检波单元信号连接于程控放大单元；所述振荡单元信号连接于低通滤波单元；所述模数转换器信号连接于检波单元；所述程控放大单元分别信号连接于所述低通滤波单元和混频单元；所述混频单元分别信号连接于第一放大单元和第二放大单元；所述第二放大单元信号连接于带通滤波单元。本发明具有结构简单、成本低、运行稳定、误差小和性价比高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及频谱分析领域，特别涉及一种高性能频谱分析仪及频谱分析方法。
背景技术
频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。
频谱分析系统主要的功能是在频域里显示输入信号的频谱特性。频谱分析仪依信号处理方式的不同，一般有两种类型；即时频谱分析仪（Real-Time Spectrum Analyzer）与扫描调谐频谱分析仪（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer).即时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器（Detector)，再经由同步的多工扫描器将信号传送到CRT或液晶等显示仪器上进行显示，其优点是能显示周期性杂散波（Periodic Random Waves）的瞬间反应，其缺点是价昂且性能受限于频宽范围，滤波器的数目与最大的多工交换时间（Switching Time).最常用的频谱分析仪是扫描调谐频谱分析仪，其基本结构类似超外差式接收器，工作原理是输入信号经衰减器直接外加到混波器，可调变的本地振荡器经与CRT同步的扫描产生器产生随时间作线性变化的振荡频率，经混波器与输入信号混波降频后的中频信号（IF）再放大，滤波与检波传送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种智能化高精度电压数据采集系统及方法，本发明具有结构简单、成本低、运行稳定、误差小和性价比高等优点。
本发明采用的技术方案如下：
一种高性能频谱分析仪，其特征在于，所述分析仪包括：用于显示频谱的显示单元；所述显示单元信号连接于用于控制分析仪工作的处理器；所述处理器分别信号连接于用于进行峰值检波的峰值检波单元、用于生成振荡信号的振荡单元和用于将模拟信号转换为数字信号的模数转换器；所述峰值检波单元信号连接于用于程控放大的程控放大单元；所述振荡单元信号连接于用于低通滤波的低通滤波单元；所述模数转换器信号连接于用于检波的检波单元；所述程控放大单元分别信号连接于所述低通滤波单元和用于混频的混频单元；所述混频单元分别信号连接于用于对信号进行放大处理的第一放大单元和第二放大单元；所述第二放大单元信号连接于用于带通滤波的带通滤波单元。
所述检波单元包括：用于整流的有源整流器；所述有源整流器信号连接于用于进行平方/除法运算的平方/除法器；所述平方/除法器信号连接于用于作为输入缓冲或滤波的独立缓冲放大器；所述独立缓冲放大器信号连接于偏置电路。
所述混频单元为下混频单元；所述混频单元的输入差分电压值不低于2Vpp；所述混频单元的输入差分电压频率为250MHz。
所述显示单元包括：显示器和键盘；所述显示器信号连接有处理器，用于根据处理器发送过来的信号显示波形；所述键盘信号连接有处理器，用于提供给工作人员输入控制命令控制分析仪的运行。
所述处理器包括：用于提供给显示单元和其他单元连接处理器的接口单元，所述接口单元信号连接于用于将数字信号转换为模拟信号的数模转换单元；所述数模转换单通过接口单元信号连接于显示单元；所述处理器还包括：用于判断电压值是否满足范围要求的判断单元。
一种基于高性能频谱分析仪的频谱分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：系统初始化，各单元模块初始化；
步骤2：信号经第一放大单元的放大后，传送至混频单元进行混频处理；
步骤3：混频单元将混频处理后的信号分别发送至程控放大单元和第二放大单元；
步骤4：程控放大单元对信号进行一定量级的增益后将信号发送至峰值检波单元，执行步骤5；第二放大单元对信号进行放大后发送至带通滤波单元；单通滤波单元对接收到的信号进行带通滤波，将滤波后的信号发送至检波单元；检波单元对接收到的信号进行检波后发送至模数转换器，执行步骤7；
步骤5：处理器控制峰值检波单元进行峰值检波；根据峰值检波的结果，处理器发送数模转换单元发送控制命令，改变程控放大单元的增益；
步骤6：处理器发送控制命令至振荡单元进行扫频处理；振荡单元将扫频结果发送至处理器；
步骤7：处理器发送控制命令至模数转换器进行信号采样，模数转换器将采样结果发送至处理器；
步骤8：处理器将采样结果发送至显示单元进行显示。
所述振荡单元进行扫频的方法为：处理器将预设的扫频起始频率发送给振荡单元；振荡单元将扫频起始频率和调预设的频频率偏差相加得到新的扫频频率，振荡单元使用该频率进行扫频。
所述处理器改变程控放大单元增益的方法为：处理器将模数转换器获取的电压值与预设电压值进行比较，若获取的电压值大于预设的电压值，则控制增益减小；若获取的电压值小于预设的电压值，则控制增益增大。
所述带通滤波器对中心频率进行选择的方法包括一下步骤：
步骤1：设原始输入信号的表达式为：
其中， 为调制指数； 为载波振幅；
步骤2：根据信号的表达式，计算得出信号的频率 ；和最大幅度值 ；
步骤3：在信号的频谱中找出第二个最大值和对应频率 ，然后判断 对应点的幅值，若大于预设的第一阈值，则为调频波， 即为它的中心频率；若小于预设的第一阈值，则是调幅波或等幅波, 则为中心频率；由于调幅波带宽为20kHz，只需判断或 的点值，若小于预设的第二阈值，为等幅波，若大于预设的第二阈值则是调幅波。
采用以上技术方案，本发明产生了以下有益效果：
1、体积小、成本低：本发明的振荡电单元，只需少量的外围器件即可构成完整的信号源，且具有转换速度快，分辨率高，换频速度快，频带宽，控制方便，信号稳定等特点。此外，混频单元只有下混频单元，只需设置一个中频窄带滤波器即可。进一步的降低了成本
2、结构简单：本发明的结构简单，各部分连接关系容易理解，且容易工业生产制造，进一步的降低了制造成本。
3、测量准确：本发明的振荡单元内部结构包括有源整流器(即绝对值单元)、平方／除法器、滤波放大器、独立缓冲放大器和偏置电路。其中，缓冲放大器既可用作输入缓冲，也可构成有源滤波器滤波，提高了测量准确度。
采用以上技术方案，本发明产生了以下有益效果：
1、体积小、成本低：本发明的振荡电单元，只需少量的外围器件即可构成完整的信号源，且具有转换速度快，分辨率高，换频速度快，频带宽，控制方便，信号稳定等特点。此外，混频单元只有下混频单元，只需设置一个中频窄带滤波器即可。进一步的降低了成本
2、结构简单：本发明的结构简单，各部分连接关系容易理解，且容易工业生产制造，进一步的降低了制造成本。
3、测量准确：本发明的振荡单元内部结构包括有源整流器(即绝对值单元)、平方／除法器、滤波放大器、独立缓冲放大器和偏置电路。其中，缓冲放大器既可用作输入缓冲，也可构成有源滤波器滤波，提高了测量准确度。
4、具备自我纠正能力：本发明的频谱分析仪能够针对不同信号调整中心频率，根据不同信号的不同情况识别出准确的中心频率，保证后期频谱分析的准确性。同时，根据接收到的采样结果，还能对程控放大单元的增益进行调整，保证面对不同信号不同情况时，频谱分析的准确性。
附图说明
图1是本发明的一种高性能频谱分析仪及频谱分析方法的分析仪结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明实施例1中提供了一种高性能频谱分析仪，分析仪结构如图1所示：
一种高性能频谱分析仪，其特征在于，所述分析仪包括：用于显示频谱的显示单元；所述显示单元信号连接于用于控制分析仪工作的处理器；所述处理器分别信号连接于用于进行峰值检波的峰值检波单元、用于生成振荡信号的振荡单元和用于将模拟信号转换为数字信号的模数转换器；所述峰值检波单元信号连接于用于程控放大的程控放大单元；所述振荡单元信号连接于用于低通滤波的低通滤波单元；所述模数转换器信号连接于用于检波的检波单元；所述程控放大单元分别信号连接于所述低通滤波单元和用于混频的混频单元；所述混频单元分别信号连接于用于对信号进行放大处理的第一放大单元和第二放大单元；所述第二放大单元信号连接于用于带通滤波的带通滤波单元。
所述检波单元包括：用于整流的有源整流器；所述有源整流器信号连接于用于进行平方/除法运算的平方/除法器；所述平方/除法器信号连接于用于作为输入缓冲或滤波的独立缓冲放大器；所述独立缓冲放大器信号连接于偏置电路。
所述混频单元为下混频单元；所述混频单元的输入差分电压值不低于2Vpp；所述混频单元的输入差分电压频率为250MHz。
所述显示单元包括：显示器和键盘；所述显示器信号连接有处理器，用于根据处理器发送过来的信号显示波形；所述键盘信号连接有处理器，用于提供给工作人员输入控制命令控制分析仪的运行。
所述处理器包括：用于提供给显示单元和其他单元连接处理器的接口单元，所述接口单元信号连接于用于将数字信号转换为模拟信号的数模转换单元；所述数模转换单通过接口单元信号连接于显示单元；所述处理器还包括：用于判断电压值是否满足范围要求的判断单元。
本发明实施例2中提供了一种高性能频谱分析方法：
一种基于高性能频谱分析仪的频谱分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：系统初始化，各单元模块初始化；
步骤2：信号经第一放大单元的放大后，传送至混频单元进行混频处理；
步骤3：混频单元将混频处理后的信号分别发送至程控放大单元和第二放大单元；
步骤4：程控放大单元对信号进行一定量级的增益后将信号发送至峰值检波单元，执行步骤5；第二放大单元对信号进行放大后发送至带通滤波单元；单通滤波单元对接收到的信号进行带通滤波，将滤波后的信号发送至检波单元；检波单元对接收到的信号进行检波后发送至模数转换器，执行步骤7；
步骤5：处理器控制峰值检波单元进行峰值检波；根据峰值检波的结果，处理器发送数模转换单元发送控制命令，改变程控放大单元的增益；
步骤6：处理器发送控制命令至振荡单元进行扫频处理；振荡单元将扫频结果发送至处理器；
步骤7：处理器发送控制命令至模数转换器进行信号采样，模数转换器将采样结果发送至处理器；
步骤8：处理器将采样结果发送至显示单元进行显示。
所述振荡单元进行扫频的方法为：处理器将预设的扫频起始频率发送给振荡单元；振荡单元将扫频起始频率和调预设的频频率偏差相加得到新的扫频频率，振荡单元使用该频率进行扫频。
所述处理器改变程控放大单元增益的方法为：处理器将模数转换器获取的电压值与预设电压值进行比较，若获取的电压值大于预设的电压值，则控制增益减小；若获取的电压值小于预设的电压值，则控制增益增大。
所述带通滤波器对中心频率进行选择的方法包括一下步骤：
步骤1：设原始输入信号的表达式为：
其中， 为调制指数； 为载波振幅；
步骤2：根据信号的表达式，计算得出信号的频率 ；和最大幅度值 ；
步骤3：在信号的频谱中找出第二个最大值 和对应频率 ，然后判断 对应点的幅值，若大于预设的第一阈值，则为调频波， 即为它的中心频率；若小于预设的第一阈值，则是调幅波或等幅波, 则为中心频率；由于调幅波带宽为20kHz，只需判断或 的点值，若小于预设的第二阈值，为等幅波，若大于预设的第二阈值则是调幅波。
本发明实施例3中提供了一种高性能频谱分析仪及频谱分析方法，分析仪结构图如图1所示：
一种高性能频谱分析仪，其特征在于，所述分析仪包括：用于显示频谱的显示单元；所述显示单元信号连接于用于控制分析仪工作的处理器；所述处理器分别信号连接于用于进行峰值检波的峰值检波单元、用于生成振荡信号的振荡单元和用于将模拟信号转换为数字信号的模数转换器；所述峰值检波单元信号连接于用于程控放大的程控放大单元；所述振荡单元信号连接于用于低通滤波的低通滤波单元；所述模数转换器信号连接于用于检波的检波单元；所述程控放大单元分别信号连接于所述低通滤波单元和用于混频的混频单元；所述混频单元分别信号连接于用于对信号进行放大处理的第一放大单元和第二放大单元；所述第二放大单元信号连接于用于带通滤波的带通滤波单元。
所述检波单元包括：用于整流的有源整流器；所述有源整流器信号连接于用于进行平方/除法运算的平方/除法器；所述平方/除法器信号连接于用于作为输入缓冲或滤波的独立缓冲放大器；所述独立缓冲放大器信号连接于偏置电路。
所述混频单元为下混频单元；所述混频单元的输入差分电压值不低于2Vpp；所述混频单元的输入差分电压频率为250MHz。
所述显示单元包括：显示器和键盘；所述显示器信号连接有处理器，用于根据处理器发送过来的信号显示波形；所述键盘信号连接有处理器，用于提供给工作人员输入控制命令控制分析仪的运行。
所述处理器包括：用于提供给显示单元和其他单元连接处理器的接口单元，所述接口单元信号连接于用于将数字信号转换为模拟信号的数模转换单元；所述数模转换单通过接口单元信号连接于显示单元；所述处理器还包括：用于判断电压值是否满足范围要求的判断单元。
一种基于高性能频谱分析仪的频谱分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：系统初始化，各单元模块初始化；
步骤2：信号经第一放大单元的放大后，传送至混频单元进行混频处理；
步骤3：混频单元将混频处理后的信号分别发送至程控放大单元和第二放大单元；
步骤4：程控放大单元对信号进行一定量级的增益后将信号发送至峰值检波单元，执行步骤5；第二放大单元对信号进行放大后发送至带通滤波单元；单通滤波单元对接收到的信号进行带通滤波，将滤波后的信号发送至检波单元；检波单元对接收到的信号进行检波后发送至模数转换器，执行步骤7；
步骤5：处理器控制峰值检波单元进行峰值检波；根据峰值检波的结果，处理器发送数模转换单元发送控制命令，改变程控放大单元的增益；
步骤6：处理器发送控制命令至振荡单元进行扫频处理；振荡单元将扫频结果发送至处理器；
步骤7：处理器发送控制命令至模数转换器进行信号采样，模数转换器将采样结果发送至处理器；
步骤8：处理器将采样结果发送至显示单元进行显示。
所述振荡单元进行扫频的方法为：处理器将预设的扫频起始频率发送给振荡单元；振荡单元将扫频起始频率和调预设的频频率偏差相加得到新的扫频频率，振荡单元使用该频率进行扫频。
所述处理器改变程控放大单元增益的方法为：处理器将模数转换器获取的电压值与预设电压值进行比较，若获取的电压值大于预设的电压值，则控制增益减小；若获取的电压值小于预设的电压值，则控制增益增大。
所述带通滤波器对中心频率进行选择的方法包括一下步骤：
步骤1：设原始输入信号的表达式为：
其中， 为调制指数； 为载波振幅；
步骤2：根据信号的表达式，计算得出信号的频率 ；和最大幅度值 ；
步骤3：在信号的频谱中找出第二个最大值和对应频率，然后判断 对应点的幅值，若大于预设的第一阈值，则为调频波， 即为它的中心频率；若小于预设的第一阈值，则是调幅波或等幅波, 则为中心频率；由于调幅波带宽为20kHz，只需判断或 的点值，若小于预设的第二阈值，为等幅波，若大于预设的第二阈值则是调幅波。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (9)
1.一种高性能频谱分析仪，其特征在于，所述分析仪包括：用于显示频谱的显示单元；所述显示单元信号连接于用于控制分析仪工作的处理器；所述处理器分别信号连接于用于进行峰值检波的峰值检波单元、用于生成振荡信号的振荡单元和用于将模拟信号转换为数字信号的模数转换器；所述峰值检波单元信号连接于用于程控放大的程控放大单元；所述振荡单元信号连接于用于低通滤波的低通滤波单元；所述模数转换器信号连接于用于检波的检波单元；所述程控放大单元分别信号连接于所述低通滤波单元和用于混频的混频单元；所述混频单元分别信号连接于用于对信号进行放大处理的第一放大单元和第二放大单元；所述第二放大单元信号连接于用于带通滤波的带通滤波单元。
2.如权利要求1所述的高性能频谱分析仪，其特征在于，所述检波单元包括：用于整流的有源整流器；所述有源整流器信号连接于用于进行平方/除法运算的平方/除法器；所述平方/除法器信号连接于用于作为输入缓冲或滤波的独立缓冲放大器；所述独立缓冲放大器信号连接于偏置电路。
3.如权利要求2所述的高性能频谱分析仪，其特征在于，所述混频单元为下混频单元；所述混频单元的输入差分电压值不低于2Vpp；所述混频单元的输入差分电压频率为250MHz。
4.如权利要求3所述的高性能频谱分析仪，其特征在于，所述显示单元包括：显示器和键盘；所述显示器信号连接有处理器，用于根据处理器发送过来的信号显示波形；所述键盘信号连接有处理器，用于提供给工作人员输入控制命令控制分析仪的运行。
5.如权利要求4所述的高性能频谱分析仪，其特征在于，所述处理器包括：用于提供给显示单元和其他单元连接处理器的接口单元，所述接口单元信号连接于用于将数字信号转换为模拟信号的数模转换单元；所述数模转换单通过接口单元信号连接于显示单元；所述处理器还包括：用于判断电压值是否满足范围要求的判断单元。
6.一种基于权利要求1至5之一所述的高性能频谱分析仪的频谱分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：系统初始化，各单元模块初始化；
步骤2：信号经第一放大单元的放大后，传送至混频单元进行混频处理；
步骤3：混频单元将混频处理后的信号分别发送至程控放大单元和第二放大单元；
步骤4：程控放大单元对信号进行一定量级的增益后将信号发送至峰值检波单元，执行步骤5；第二放大单元对信号进行放大后发送至带通滤波单元；单通滤波单元对接收到的信号进行带通滤波，将滤波后的信号发送至检波单元；检波单元对接收到的信号进行检波后发送至模数转换器，执行步骤7；
步骤5：处理器控制峰值检波单元进行峰值检波；根据峰值检波的结果，处理器发送数模转换单元发送控制命令，改变程控放大单元的增益；
步骤6：处理器发送控制命令至振荡单元进行扫频处理；振荡单元将扫频结果发送至处理器；
步骤7：处理器发送控制命令至模数转换器进行信号采样，模数转换器将采样结果发送至处理器；
步骤8：处理器将采样结果发送至显示单元进行显示。
7.如权利要求6所述的基于高性能频谱分析仪的频谱分析方法，其特征在于，所述振荡单元进行扫频的方法为：处理器将预设的扫频起始频率发送给振荡单元；振荡单元将扫频起始频率和调预设的频频率偏差相加得到新的扫频频率，振荡单元使用该频率进行扫频。
8.如权利要求7所述的基于高性能频谱分析仪的频谱分析方法，其特征在于，所述处理器改变程控放大单元增益的方法为：处理器将模数转换器获取的电压值与预设电压值进行比较，若获取的电压值大于预设的电压值，则控制增益减小；若获取的电压值小于预设的电压值，则控制增益增大。
9.如权利要求8所述的基于高性能频谱分析仪的频谱分析方法，其特征在于，所述带通滤波器对中心频率进行选择的方法包括一下步骤：
步骤1：设原始输入信号的表达式为：
其中，为调制指数；为载波振幅；
步骤2：根据信号的表达式，计算得出信号的频率；和最大幅度值；
步骤3：在信号的频谱中找出第二个最大值和对应频率，然后判断对应点的幅值，若大于预设的第一阈值，则为调频波，即为它的中心频率；若小于预设的第一阈值，则是调幅波或等幅波,则为中心频率；由于调幅波带宽为20kHz，只需判断或的点值，若小于预设的第二阈值，为等幅波，若大于预设的第二阈值则是调幅波。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20170125 |