CN106405235A - 一种频谱分析仪及其数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种频谱分析仪，包括第一混频器、第一振荡器、中频处理单元、模数转换器、数字下变频单元、DFT处理单元、包络检波模块、显示器和控制器，通过控制器控制第一振荡器连续不间断地改变本振信号的频率，实现利用窄带的方式扫描整个频段的频谱能量，并通过利用第一滤波器限定分辨力带宽和通过所述中频处理单元进行滤波和抽取处理，使得数据处理在一个更小的带宽内实现，达到了较高的精度，同时在数字下变频之后，利用DFT处理单元实施离散傅里叶变换，不重不漏地、一次性地对宽带信号进行频谱分析，减少了改变本地振荡器的次数，不仅保障了频谱测量精度，而且加快了频谱测量速度。相应地，本申请还公开了一种频谱分析仪数据处理方法。

Description

一种频谱分析仪及其数据处理方法

技术领域

本申请涉及频谱分析仪，尤其是一种频谱分析仪及其数据处理方法。

背景技术

频谱分析仪属于通用测试测量仪器领域中的常用设备，也是射频微波领域中最基础，应用最广泛的一种。现有的频谱分析仪大多为扫描式频谱分析仪，采用超外差扫描的结构，通过调整前端幅度调理电路，使外部特定频率以合适的能量变频到固定的中频，再经过下变频和RBW中频滤波器，得到频率在特定分辨力带宽下的包络能量；然后通过改变本地振荡器的频率，便可以测量到全部频率的频谱能量，连续不间断地改变本地振荡器的频率，便可以用窄带的方式扫描整个频段的频谱能量。

近年来又出现FFT频谱分析仪，使用高成本高带宽的模数转换器进行数据采集，使用DSP或CPU对宽带信号实施快速傅里叶变换，一次性对很宽的频带进行分析，大大加快了处理速度，可以对宽带信号做实时解调。

现有技术的缺点是：对于扫描式频谱分析仪，中频滤波器的分辨力带宽(RBW)越小，其响应时间就越长，为了使得扫描式频谱分析仪的测量精度较高，通常采用FPGA实现RBW滤波器，如此一来，在很小的RBW测量条件下，数字下变频和RBW的实现会消耗大量FPGA资源和漫长的测量时间；对于FFT频谱分析仪，由于一次性对很宽的频带进行分析，使得处理带宽过宽，带内平坦度不高，无法做到局部较高的测量精度。

发明内容

本申请提供一种频谱分析仪及其数据处理办法，不仅使得频谱分析仪具有高测量精度，而且减少了本地振荡器的次数，加快了频谱分析仪的测量时间。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种频谱分析仪，包括：依次连接的第一混频器、中频处理单元、模数转换器、数字下变频单元、包络检波模块和显示器，与所述第一混频器相连接的第一振荡器，以及分别与所述第一振荡器、所述数字下变频单元和所述显示器相连接的控制器；

所述第一振荡器根据所述控制器的控制命令产生频率改变的本振信号；

所述第一混频器输入端作为被测信号的输入端，并将所述被测信号与所述本振信号进行混频，使得信号频率固定在中频频率，获得中频信号；

在所述数字下变频单元和所述包络检波模块之间还连接有DFT处理单元，所述DFT处理单元通过离散傅里叶变换使得数字信号由时域信号为频域信号，在频域对宽频带信号进行频谱分析；

所述中频处理单元包括依次连接的第一滤波器和放大器，所述第一滤波器用于限定分辨力带宽和消除噪声，所述放大器用于调整所述中频信号的增益；

所述数字下变频单元包括依次连接的第二混频器、第二滤波器和抽取模块，以及与所述第二混频器、所述控制器相连接的第二振荡器；所述第二振荡器为数字振荡器，所述第二混频器为数字混频器；所述第二混频器和所述第二振荡器用于对所述数字信号进行正交变频使所述数字信号的频谱无失真无混叠地变换到零频，所述第二滤波器为CIC滤波器，用于对变频后的数字信号进行滤波，所述抽取模块用于对滤波后的数字信号进行抽取和降速，从而经过变频、滤波和抽取得到低速数字信号，使得数字信号满足进入DFT处理单元的要求；

所述控制器用于控制所述第一振荡器不间断改变本振信号频率从而扫描整个频段的频谱能量，并用于设置离散傅里叶变换的分析带宽，使得所述分析带宽小于或等于本振信号频率的变化步进。

优选地，所述DFT处理单元包括依次连接的第三滤波器、加窗模块、FFT模块和取数模块；

所述第三滤波器为低通滤波器，将经过CIC滤波后的非平坦响应补偿为一个平坦的矩形窗，使得进入FFT模块的低速数字信号没有频域上的衰减；

加窗模块通过对所述低速数字信号进行加窗，防止频谱泄漏并获得特定形状的频谱；

FFT模块通过对所述低速数字信号进行快速傅里叶变换，得频域下的N个变换结果；

取数模块，根据所述本振信号频率的变化步进，从变换结果N中选取和所述步进相同的比例的M个变换结果作为所述频域信号，所述M＝N*Fstep/Fs，其中，Fstep表示本振信号频率变化的步进，Fs表示实施离散傅里叶变换的采样频率。

优选地，所述第三滤波器为FIR滤波器，用于对低速数字信号进行边带抑制和频率响应补偿，使得分析带宽外的能量抑制到需要的电平之下，使得分析带宽内的能量补偿到平坦。

优选地，对低速数字信号进行加窗使用高斯窗函数，使得频谱分析结果形状为高斯型。

优选地，所述第一振荡器产生的本振信号频率变化的步进和所述DFT处理单元实施离散傅里叶变换的分析带宽相同，即Fstep＝Fa，其中，Fstep表示本振信号频率变化的步进，Fa表示所述DFT处理单元实施离散傅里叶变换的分析带宽。

优选地，所述DFT处理单元实施离散傅里叶变换的分析带宽的至少2倍以上作为所述DFT处理单元实施离散傅里叶变换的采样频率，即Fa等于Fs的1/2以下，其中，Fa表示所述DFT处理单元实施离散傅里叶变换的分析带宽，Fs表示所述DFT处理单元实施离散傅里叶变换的采样频率。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种频谱分析仪数据处理方法，包括：

不间断改变本振信号频率从而扫描整个频段的频谱能量；

设置实施离散傅里叶变换的分析带宽，使得所述分析带宽小于或等于本振信号频率的变化步进；

根据所述分析带宽，通过离散傅里叶变换使得数字信号由时域信号为频域信号，在频域一次性对宽频带信号进行频谱分析。

优选地，本振信号频率变化的步进与实施离散傅里叶变换的分析带宽相等。

本申请的有益效果是：采用超外差扫描的结构，通过所述控制器控制所述第一振荡器连续不间断地改变本振信号的频率，实现利用窄带的方式扫描整个频段的频谱能量，并通过所述第一滤波器限定分辨力带宽和通过所述中频处理单元进行滤波和抽取处理，使得数据处理在一个更小的带宽内实现，达到了较高的精度，同时在数字下变频之后，利用所述DFT处理单元实施离散傅里叶变换，一次性地对宽带信号进行频谱分析，减少了改变本地振荡器的次数，不仅保障了频谱测量精度，而且加快了频谱测量速度；

另外，在所述DFT处理单元中使用FIR滤波器，对低速数字信号进行边带抑制和低通补偿，使得分析带宽外的能量抑制到需要的电平之下，使得分析带宽内的能量补偿到平坦，保障了分析带宽带内较好的平坦度。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种频谱分析仪结构框图；

图2为本申请实施例提供的一种用于离散傅里叶变换的DFT处理单元的结构框图；

图3为本申请实施例提供的一种频谱分析仪数据处理方法的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

请参考图1，申请实施例提供的一种频谱分析仪，包括第一混频器11、第一振荡器12、中频处理单元20、模数转换器30、数字下变频单元40、DFT处理单元50、包络检波模块60、显示器70和控制器80。

第一振荡器12作为本地振荡器，与第一混频器11、控制器80相连接，用于根据控制器80的控制命令产生频率变化的本振信号。第一混频器11的输入端作为被测信号的输入端，将被测信号与所述本振信号进行混频，使得信号频率固定在中频频率，获得中频信号。

中频处理单元20包括第一滤波器21和放大器22。其中，第一滤波器21为带通滤波器，用于限定分辨力带宽(RBW)和消除噪声，可实现在一个较小的带宽内进行信号处理；放大器22用于调整所述中频信号的增益。因此，经过中频处理单元20对信号处理进行控制噪声和功率，使得所述中频信号以合适的动态范围进入模数转换器30。

模数转换器30通过采样、量化和编码处理将所述中频信号由模拟信号转换为数字信号。

数字下变频单元40包括第二混频器41、第二振荡器42、第二滤波器43和抽取模块44。其中，第二振荡器42为数字振荡器，第二混频器41为数字混频器；第二混频器41和第二振荡器42用于对所述数字信号进行正交变频使所述数字信号的频谱无失真无混叠地变换到零频；第二滤波器43为CIC滤波器，用于对变频后的数字信号进行滤波；抽取模块44用于对滤波后的数字信号进行抽取和降速，从而经过变频、滤波和抽取得到低速数字信号，使得数字信号满足进入DFT处理单元50的要求，需指出的是，经过第二滤波器43和抽取模块44的滤波和抽取处理，使得数据处理在一个更小的带宽内实现，达到了较高的精度。

DFT处理单元50通过离散傅里叶变换将所述数字信号由时域信号变为频域信号，在频域对宽频带信号进行一次性分析处理。

包络检波模块60用于对快速傅里叶变换结果求模从而测量信号的幅度，并根据显示点的要求进行检波得到频谱分析结果，其中，检波类型有峰值、平均值、随机值等几种类型。

显示器70用于显示所述频谱分析结果和作为人机交互界面。

控制器80用于控制所述第一振荡器不间断改变本振信号频率从而扫描整个频段的频谱能量，并用于设置DFT处理单元50实施离散傅里叶变换的分析带宽(Fa)，使得所述分析带宽小于或等于本振信号频率的变化步进(Fstep)。

为了保证频谱仪不重不漏分析所有带宽内的信号，实现无缝完成频率扫描，优选地，Fa＝Fstep，也就是说，每次离散傅里叶变换处理带宽为Fa的信号，本振会继续步进Fsetp频率。

根据奈奎斯特采样定理，离散傅里叶变换每次能够分析的频谱带宽最大为数据速率带宽的一半，所以本振信号频率的变化步进要比经数字下变频后的数据速率的一半要小，即比实施离散傅里叶变换的采样频率一般要小。优选地，DFT处理单元实施离散傅里叶变换的分析带宽(Fa)的至少2倍以上作为所述DFT处理单元实施离散傅里叶变换的采样频率(Fs)，即Fa等于Fs的1/2以下。

根据分辨力带宽(RBW)选择合适的DFT处理单元频率分辨率(Fres)，通常频率分辨率(Fres)等于分辨力带宽(RBW)的二分之一以下，优选地，Fres＝RBW/10。

再根据离散傅里叶变换公式中Fres＝Fs/N,其中，N＝2ⁿ，n为正整数，则有Fs＝N*RBW/10，通过选择适合当前资源计算的N，得到比较合适的采样频率，并估算得到分析带宽。

例如，当RBW＝100Hz，则Fres＝RBW/10＝10Hz，取N＝2^10＝1024，得到当前的Fs＝N*RBW/10＝10240Hz＝10.24kHz，那么Fa＝Fs/4＝2560Hz。

取Fsetp＝Fa＝2560Hz作为每次本振信号频率的变化步进，就可以快速无缝的完成整个频段的扫描。

由于每次步进Fstep是一个宽带信号，使得本实施例提供的频谱分析仪的扫描速度比传统扫描方式RBW/10的步进速度加快了N倍，而用于离散傅里叶变换的时间却只增加10倍左右，因此大大节省了测量时间。

参考图2，本申请提供一种用于离散傅里叶变换的DFT处理单元，包括第三滤波器51、加窗模块52、FFT模块53和取数模块54。

对于经数学下变频降速率后的数字信号，在进行离散傅里叶变换之前，还需要完成一次的低通滤波，使进入离散傅里叶变换模块的信号近似变为一个平坦的矩形窗，所述第三滤波器51为低通滤波器，将经过CIC滤波后的非平坦响应补偿为一个平坦的矩形窗，使得进入FFT模块的低速数字信号没有频域上的衰减。

由于数学下变频单元40的第二滤波器43为CIC滤波器，其带内平坦度单边下降，边带滚降过于平缓。

为使带内幅度达到一定的平坦度，同时使边带达到一定的陡峭度，保证旁边的信号无法落入分析带宽内，优选地，所述第三滤波器51为FIR滤波器，对低速数字信号进行边带抑制和频率响应补偿，使得分析带宽外的能量抑制到需要的电平之下，使得分析带宽内的能量补偿到平坦。

加窗模块52通过对所述低速数字信号进行加窗，防止频谱泄漏并获得特定形状的频谱。为了得到高斯型的频率选择形状的频谱，优选地，对低速数字信号进行加窗使用高斯窗函数，选择-3dB带宽为RBW，选择-3dB和-60dB的比值作为矩形系数的要求，高斯窗函数的参数由所实时的RBW和形状参数决定。

FFT模块53通过对所述低速数字信号进行快速傅里叶变换，得到频域下的N个变换结果。

由于奈奎斯特采样定理的限制，速率为Fs的数据速率上所承载的数据带宽最宽为Fs/2，因此对于离散傅里叶变换的处理结果，并会不包含所有第一奈奎斯特域的频率，而是需要根据步进，选择和步进相同的比例，并按照比例从N中选择相应的数据量。取数模块54用于根据所述本振信号频率的变化步进Fstep，从变换结果N中选取和所述步进相同的比例的M个变换结果作为所述频域信号，即M＝N*Fstep/Fs，其中，Fstep表示本振信号频率的变化步进，Fs表示实施离散傅里叶变换的采样频率。因为Fres＝RBW/10，小于RBW/3，保证M个变换结果中段与段相接处不会出现明显的跳变间隔。

由此可见，本申请实施例提供的频谱分析仪及其DFT处理单元，相比传统频谱分析仪相比，中频滤波器的分辨力带宽较小，测量精度较高，可一次性对很宽的频带进行分析，测量时间短，分析带宽带内平坦度好。

基于上述频谱分析仪及其DFT处理单元，本申请实施例提供了一种频谱分析仪数据处理方法，参考图3，为本申请实施例提供的一种频谱分析仪数据处理方法的流程图，包括步骤：

步骤100，通过不间断改变本振信号频率从而扫描整个频段的频谱能量，保障了频谱测量准确度，其中，以Fsetp表示改变本振信号频率改变的步进；

步骤200，设置实施离散傅里叶变换的分析带宽(Fa)，所述分析带宽小于或等于本振信号频率的变化步进；

为了实现无缝完成频率扫描，优选地，每次频点变化的步进和离散傅里叶变换处理模块一次处理的带宽严格相同，即Fsetp＝Fa，也就是说，每次离散傅里叶变换处理带宽为Fa的信号，本振会继续步进Fsetp频率，这样保证了频谱仪不重不漏分析所有带宽内信号。由于每次步进Fstep是一个宽带信号，使得本实施例提供的频谱分析仪的扫描速度比传统扫描方式速度(RBW/10的步进)加快了N倍，而用于离散傅里叶变换的时间却只增加10倍左右，因此大大节省了测量时间。

步骤300，根据所述分析带宽，通过离散傅里叶变换使得数字信号由时域信号为频域信号，在频域一次性对宽带信号进行频谱分析，减少了改变本地振荡器的次数，加快了频谱测量速度。

由此可见，本申请实施例提供的频谱分析仪数据处理方法，相比传统扫描式频谱分析仪，加快了数据处理速度，又具有与实时频谱分析仪同样高的测量精度，而且分析带宽带内平坦度较好。

综上所述，在本申请实施例中，由于采用超外差扫描的结构，通过控制器80控制第一振荡器12连续不间断地改变本振信号的频率，实现利用窄带的方式扫描整个频段的频谱能量，并通过第一滤波器21限定分辨力带宽和通过中频处理单元40进行滤波和抽取处理，使得数据处理在一个更小的带宽内实现，达到了较高的精度，同时在数字下变频之后，利用DFT处理单元50使用与本振信号频率改变的相同的分析带宽实施离散傅里叶变换，不重不漏地、一次性地对宽带信号进行频谱分析，减少了改变本地振荡器的次数，不仅保障了频谱测量精度，而且加快了频谱测量速度；另外，在DFT处理单元50中使用FIR滤波器51，对低速数字信号进行边带抑制和低通补偿，使得分析带宽外的能量抑制到需要的电平之下，使得分析带宽内的能量补偿到平坦，保障了分析带宽带内较好的平坦度。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (8)

1.一种频谱分析仪，包括：依次连接的第一混频器、中频处理单元、模数转换器、数字下变频单元、包络检波模块和显示器，与所述第一混频器相连接的第一振荡器，以及分别与所述第一振荡器、所述数字下变频单元和所述显示器相连接的控制器；

所述第一振荡器根据所述控制器的控制命令产生频率改变的本振信号；

所述第一混频器输入端作为被测信号的输入端，并将所述被测信号与所述本振信号进行混频，使得信号频率固定在中频频率，获得中频信号；

其特征在于，

在所述数字下变频单元和所述包络检波模块之间还连接有DFT处理单元，所述DFT处理单元通过离散傅里叶变换使得数字信号由时域信号为频域信号，在频域对宽频带信号进行频谱分析；

所述中频处理单元包括依次连接的第一滤波器和放大器，所述第一滤波器用于限定分辨力带宽和消除噪声，所述放大器用于调整所述中频信号的增益；

所述数字下变频单元包括依次连接的第二混频器、第二滤波器和抽取模块，以及与所述第二混频器、所述控制器相连接的第二振荡器；所述第二振荡器为数字振荡器，所述第二混频器为数字混频器；所述第二混频器和所述第二振荡器用于对所述数字信号进行正交变频使所述数字信号的频谱无失真无混叠地变换到零频，所述第二滤波器为CIC滤波器，用于对变频后的数字信号进行滤波，所述抽取模块用于对滤波后的数字信号进行抽取和降速，从而经过变频、滤波和抽取得到低速数字信号，使得数字信号满足进入DFT处理单元的要求；

所述控制器用于控制所述第一振荡器不间断改变本振信号频率从而扫描整个频段的频谱能量，并用于设置离散傅里叶变换的分析带宽，使得所述分析带宽小于或等于本振信号频率的变化步进。

2.如权利要求1所述的频谱分析仪，其特征在于，所述DFT处理单元包括依次连接的第三滤波器、加窗模块、FFT模块和取数模块；

所述第三滤波器为低通滤波器，将经过CIC滤波后的非平坦响应补偿为一个平坦的矩形窗，使得进入FFT模块的低速数字信号没有频域上的衰减；

加窗模块通过对所述低速数字信号进行加窗，防止频谱泄漏并获得特定形状的频谱；

FFT模块通过对所述低速数字信号进行快速傅里叶变换，得频域下的N个变换结果；

取数模块，根据所述本振信号频率的变化步进，从变换结果N中选取和所述步进相同的比例的M个变换结果作为所述频域信号，所述M＝N*Fstep/Fs，其中，Fstep表示本振信号频率变化的步进，Fs表示实施离散傅里叶变换的采样频率。

3.如权利要求2所述的频谱分析仪，其特征在于，所述第三滤波器为FIR滤波器，用于对低速数字信号进行边带抑制和频率响应补偿，使得分析带宽外的能量抑制到需要的电平之下，使得分析带宽内的能量补偿到平坦。

4.如权利要求2所述的频谱分析仪，其特征在于，对低速数字信号进行加窗使用高斯窗函数，使得频谱分析结果形状为高斯型。

5.如权利要求1至4中任一项所述的频谱分析仪，其特征在于，所述第一振荡器产生的本振信号频率变化的步进和所述DFT处理单元实施离散傅里叶变换的分析带宽相同，即Fstep＝Fa，其中，Fstep表示本振信号频率变化的步进，Fa表示所述DFT处理单元实施离散傅里叶变换的分析带宽。

6.如权利要求1至4中任一项所述的频谱分析仪，其特征在于，所述DFT处理单元实施离散傅里叶变换的分析带宽的至少2倍以上作为所述DFT处理单元实施离散傅里叶变换的采样频率，即Fa等于Fs的1/2以下，其中，Fa表示所述DFT处理单元实施离散傅里叶变换的分析带宽，Fs表示所述DFT处理单元实施离散傅里叶变换的采样频率。

7.一种频谱分析仪数据处理方法，其特征在于，包括：

不间断改变本振信号频率从而扫描整个频段的频谱能量；

设置实施离散傅里叶变换的分析带宽，使得所述分析带宽小于或等于本振信号频率的变化步进；

根据所述分析带宽，通过离散傅里叶变换使得数字信号由时域信号为频域信号，在频域一次性对宽频带信号进行频谱分析。

8.如权利要求8所述的方法，其特征在于，本振信号频率变化的步进与实施离散傅里叶变换的分析带宽相等。