CN107390026B - 一种可变扫频宽度的数字频谱分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变扫频宽度的数字频谱分析方法，属于频谱分析技术领域。本发明包括将输入信号转换为宽带中频信号、将宽带中频信号转换为高速的数字信号、对中频数字信号进行FFT分析以及后续常规处理等步骤。本发明具有实时SPAN范围宽、响应速度快、集成化程度高、硬件简单、性能可靠的优点，既提供宽带实时频谱分析，又能够实现各种相对窄带的实时频谱分析，是对现有技术的一种重要改进。

Description

一种可变扫频宽度的数字频谱分析方法

技术领域

本发明涉及频谱分析技术领域，特别是指一种可变扫频宽度的数字频谱分析方法。

背景技术

在当前，大多数的频谱分析仪还采用以频率扫描为基础的超外差式的频谱分析模式，只在较低的扫频宽度(SPAN)时部分频谱分析仪采用以快速傅立叶变换(FFT)为基础的频谱分析模式，这样的频谱分析模式不能够分析宽频段的突发干扰、跳频瞬变信号等频谱突变信号。为适应频谱突变信号的检测与分析出现了实时频谱分析模式，该模式以不间断的FFT分析为基础，能够对一定带宽的输入信号完成无遗漏的实时频谱分析。当前的宽带卫星通信信号、雷达信号等的带宽已经达到几百兆赫兹以上，测控信号、数字电视信号的带宽在几MHz量级，同时电报、话音通信的频谱宽度却只需要几百到几千赫兹，如何对扫频宽度从几百赫兹到几百兆赫兹的信号进行数字的实时频谱分析是目前必须面对的一项挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种可变扫频宽度的数字频谱分析方法，该方法能够对大输入带宽内的中频信号进行可变扫频宽度与中心频率的实时频谱分析，能够在频域上较好地观测从单载波到几百兆赫兹带宽的各种信号。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种可变扫频宽度的数字频谱分析方法，其包括以下步骤：

(1)将输入信号转换为宽带中频信号，并通过高速模数转换将宽带中频信号转换为高速数字中频信号；

(2)通过多相滤波，从高速数字中频信号中得到一路或多路等带宽的有效子信道，这些子信道无盲区的覆盖了整个中频信号的带宽，并将每路有效子信道变频到基带；

(3)根据需要频谱分析的频段的中心频率与扫频带宽从有效子信道中得到被占用的子信道；

(4)判断扫频带宽和被占用子信道的条数，当扫频带宽大于一个有效子信道的带宽时跳至步骤(5)，当扫频带宽小于或等于有效子信道的带宽，且被占用子信道仅有一条时跳至步骤(6)，当扫频带宽小于或等于有效子信道的带宽，且被占用子信道有两路时跳至步骤(7)；

(5)对扫频带宽占用的各个子信道同时做相同的连续加窗和快速傅立叶变换；

根据频谱分析频段的中心频率和扫频带宽，对被占用子信道的快速傅立叶变换的输出数据进行截取，并将截取结果按频率排列的顺序拼接为一组输出数据；

对拼接后的输出数据做后续的频谱分析处理；

(6)将被占用子信道的信号与数控振荡器进行正交混频，使需要频谱分析的频段的中心频率搬移到零频，然后对零频的待分析信号进行重采样，重采样的采样频率介于扫频带宽的一到二倍之间；

对重采样后的信号做连续的加窗和快速傅立叶变换；

根据频谱分析的扫频带宽，对快速傅立叶变换的输出数据进行截取；

对截取后的数据做后续的频谱分析处理；

(7)将两路被占用子信道的信号分别与各自的数控振荡器进行正交混频，将两路被占用子信道内需要频谱分析的频段的中心频率搬移到零频，然后对零频的两路待分析信号分别进行重采样，重采样的采样频率介于扫频带宽的一到二倍之间；

对两路重采样后的信号分别做相同的连续加窗和快速傅立叶变换；

根据频谱分析的频段在两条被占用子信道内的比例，对两路快速傅立叶变换的输出数据分别进行截取，并将截取结果按频率排列的顺序拼接为一组输出数据；

对拼接后的输出数据做后续的频谱分析处理。

从上面的叙述可以看出，本发明的有益效果在于：

1、本发明能够实现宽带与窄带信号的实时频谱分析，相对于传统的扫频式实现方案，具有能够观测瞬变信号、实时性好的优点。

2、本发明能够实现高速数字中频信号内任意频段的频谱分析，最低扫频带宽由可实现的重采样的采样频率确定，最高扫频带宽由高速数字中频信号的带宽决定；

3、本发明可以采用高速模数转换模块以及FPGA(现场可编程门阵列)芯片为硬件基础，采用软件无线电的原理实现频谱分析，以此原理制造的设备具有集成化程度高、体积小、结构简单、可靠性高、容易升级等优点。

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是本发明实施例中一种可变扫频宽度的数字频谱分析方法的原理图；

图2是本发明实施例中扫频宽度大于一路子信道带宽的实现的原理图；

图3是本发明实施例中SPAN小于或等于一路子信道带宽，并且待分析频段在一路子信道内的可变SPAN实现的原理图；

图4是本发明实施例的SPAN小于或等于一路子信道带宽，并且待分析频段在两路子信道内的可变SPAN实现的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种可变扫频带宽的数字频谱分析方法，它包括以下步骤：

(1)射频单元将输入信号包含的准备分析的频段部分转换到适合进行高速A/D采样的宽带中频信号带宽内，高速A/D模块将输入的宽带中频信号转换为高速的数字中频信号。

(2)可变扫频带宽的FFT分析模块对数字中频信号按照所需的中心频率、SPAN、频率分辨率(RBW)进行FFT分析。

(3)后续处理单元接收FFT分析模块的输出数据，通过现有技术手段进行后续的频谱功率提取、幅度校准、视频滤波、输出检波等处理以完成频谱分析的完整功能；

(4)频谱显示与控制单元显示频谱分析的图形，并根据需要分析的信号的不同的中心频率、SPAN、RBW等对射频单元、可变带宽的FFT分析模块配置相应的参数与软件程序。

上述步骤(2)的具体方式为：

(20)高速A/D模块的输出数字信号通过高效多相滤波器，将输入信号的有效带宽B无盲区的分为k路等带宽子信道(k为正整数)，并将各路子信道变频到基带，其中每路子信道的带宽均为B_k，满足k×B_k≥B，同时将高速的采样频率降低为各路子信道的采样频率f_d；然后，k路子信道的信号分别进入信道选择单元进行选择输出；接着，带宽与频率控制单元根据需要频谱分析的频段(即对应于有效带宽B那一部分的信号)的中心频率及SPAN计算出被占用的子信道，控制信道选择开关从k路子信道中选择出所需的m路子信道(m为正整数，1≤m≤k)；

在完成上述步骤后，根据不同的SPAN、中心频率、RBW的需求采用不同的实现算法，具体如下：

(21)当频谱分析的扫频带宽SPAN>B_k时，选择的m路信道覆盖所需频谱分析的频段，满足m×B_k≥SPAN，对m路信道同时作相同的连续的加窗、快速傅立叶变换(FFT)，其中FFT的点数根据RBW的需要进行设置，对m组FFT的输出数据根据频谱分析的中心频率与SPAN进行截取，然后按频率排列顺序将截取后的数据拼接为一组输出数据，送后续处理单元完成后续的频谱分析处理；

(22)当频谱分析带宽SPAN≤B_k且所需频谱分析的频段在一路子信道内(即m＝1)时，控制信道选择开关输出该子信道的信号；选择出的子信道信号首先与数控振荡器进行正交混频，将需分析频段的中心频率搬移到零频，零频的待分析信号进行采样频率为f_s的重采样，f_s满足f_s＝p×SPAN，p为1～2之间的定值；对重采样后的信号作连续的加窗、快速傅立叶变换(FFT)，其中FFT的点数根据RBW的需要进行设置；对FFT的输出数据根据SPAN进行截取后送后续处理单元完成后续的频谱分析处理；

(23)当频谱分析带宽SPAN≤B_k且所需频谱分析的频段在两路子信道内(即m＝2)时，控制信道选择开关输出这两路子信道；选择的两路子信道信号首先分别与各自的数控振荡器进行正交混频，将各路子信道内需分析的频段的中心频率搬移到零频；零频的两路待分析信号进行采样频率为f_s的重采样，f_s满足f_s＝p×SPAN，p为1～2之间的定值；对两路重采样后的信号分别作相同的连续的加窗和FFT，其中FFT的点数根据RBW的需要进行设置；对两路FFT的输出数据根据频谱分析的中心频率与SPAN在各子信道的分布进行截取，然后按频率排列顺序将截取后的数据拼接为一组输出数据，送后续处理单元完成后续的频谱分析处理。

本发明方法可以基于高速A/D模块和FPGA芯片实现，具体工作原理如下：

射频单元将输入信号包含的准备分析的频段部分转换到适合进行高速A/D采样的宽带中频信号的带宽内，通过高速A/D模块对输入中频信号进行固定采样率的高速A/D采样，高速A/D的输出数据经过串并转换为D路后送到FPGA并行接收，由于FPGA接收的信号采样频率降低了D倍，所以能够被FPGA处理，其中D＝2ⁿ，n为自然数。在FPGA内部首先对D路信号使用高效的多相滤波器完成滤波与D倍降采样，多相滤波器按照采样频率将频带无盲区的均匀划分为D段组成D路子信道，并将各路子信道变频到基带，其中每路子信道的带宽均为B_k，各路子信道的采样频率为f_d；设有用的中频信号带宽(一般为固定带宽B)占用了k路子信道，满足k×B_k≥B，其中k＜D；k路子信道的信号进入信道选择单元进行选择输出；带宽与频率控制单元根据需要频谱分析的频段的中心频率与SPAN计算出占用的子信道，控制信道选择开关从k路子信道中选择出所需分析的m路子信道(m为正整数，m≤k)。

当频谱分析带宽SPAN>B_k时，m≥2；显示与控制单元配置FPGA为图2的实现形式，其中信道选择单元用于从k路子信道中选取出m路子信道，选择的m个子信道无盲区的覆盖所需频谱分析的频段，满足m×B_k≥SPAN，对m个子信道同时作相同的连续的加窗、快速傅立叶变换(FFT)，其中FFT的点数根据频率分辨率(RBW)设置，对m组FFT的输出数据根据待分析频段的中心频率与SPAN进行截取，然后按频率排列顺序将截取后的数据拼接为一组输出数据，输出数据送后续处理单元完成后续的频谱分析处理。本步骤中，简单的实现时，直接令m＝k，即实现k个支路的FFT处理，然后由截取与拼接单元完成所需频谱分析的频段的选择，显然本实现方法在k较大时十分耗费FPGA的资源，能够实现的FFT点数较少、灵活性差、SPAN的精度也差，尤其在SPAN较窄如m＝2时情况更严重；为此可以根据m值的不同，加载不同的FPGA实现方式，在m值小时实现较多的FFT分析点数，在m值较大时实现较少的FFT分析点数。

如图3所示，当频谱分析扫频带宽SPAN≤B_k，且所需频谱分析的频段在一路子信道内(即m＝1)时，控制信道选择开关输出该子信道的信号；选择的子信道信号与数控振荡器进行无混叠的正交混频，将需分析频段的中心频率搬移到零频。

正交混频采用无混叠的方式，设混频器的输入信号为I_in、Q_in，数控振荡器的输出为I_nco、Q_nco，则混频器可以用以下两式完成中心频率搬移到零频：

其中式(1)用于需分析信号的中心频率在正频率(0～π)段，式(2)用于需分析信号的中心频率在负频率(π～2π)。

对零中心频率的待分析信号进行采样频率为f_s的无混叠的重采样，f_s满足f_s＝p×SPAN，p为1～2之间的定值(如1.75)；重采样的降采样率为f_d/f_s，重采样通常使用整数形式的降采样滤波器(如CIC、半带、FIR等)串接小数形式的降采样滤波器(如Farrow滤波器等)完成。

对重采样后的信号作连续的加窗和快速傅立叶变换(FFT)，其中FFT的点数根据频率分辨率(RBW)设置；对FFT的输出数据根据SPAN进行截取后送后续处理单元完成后续的频谱分析处理。

当频谱分析的扫频带宽SPAN≤B_k，且所需频谱分析的频段在两路子信道内(即m＝2)时，根据其它模块的配置情况可以有两种实现方案：第一种，使用具有小频率步进的超外差结构的射频模块，搬移需分析的频段到一路子通道的带宽内，然后用图3的结构就可以实现SPAN≤B_k的各种中心频率、SPAN的频谱分析。第二种，在射频模块不能搬移需分析的频段到一路子通道的带宽内，待分析的频段在两路子信道中各占一部分时，需要控制信道选择开关输出这两路子信道(如图4所示)；选择的两路子信道信号首先分别与各自的数控振荡器进行正交混频，将各子信道内需分析的部分频段的中心频率搬移到零频；零频的两路待分析信号进行相同的采样频率为f_s的重采样，f_s满足f_s＝p×SPAN，p为1～2之间的定值(如1.75)，重采样的降采样率为f_d/f_s，重采样通常使用整数形式的降采样滤波器(如CIC、半带、FIR等)串接小数形式的降采样滤波器(如Farrow滤波器等)完成；对两路重采样后的信号分别作相同的连续的加窗和快速傅立叶变换(FFT)，其中FFT的点数根据RBW设置；对两路FFT的输出数据根据待分析的频段在各自信道内的比例进行截取，然后按频率排列顺序将截取后的数据拼接为一组输出数据，送输出数据到后续处理单元完成后续的频谱分析处理。

由以上步骤即可完成高速宽带信号的可变SPAN分析，配置FFT的点数与窗函数还可改变RBW。

后续处理单元接收截取与拼接后的输出数据，并进行后续的频谱功率提取、幅度校准、视频滤波、输出检波、频谱抽取等处理，完成频谱分析的完整功能。显示与控制单元根据需分析频段的不同的中心频率、SPAN、RBW等对可变扫频带宽的FFT分析模块配置相应的软件程序。

可见，上述实施例方法通过配置可变SPAN的FFT分析模块的软件，将高速A/D的宽带输出数据转换为所需要频段的频谱分析信号，经过后续处理后可完成各种所需SPAN的频谱分析功能。该方法具有实时SPAN范围宽、响应速度快、集成化程度高、硬件简单、性能可靠的优点，既提供宽带实时频谱分析，又能够实现各种窄带的实时频谱分析，特别适合用来制作宽带实时频谱分析仪。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子。凡在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所做的任何省略、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 (1)

1.一种可变扫频宽度的数字频谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将输入信号转换为宽带中频信号，并通过高速模数转换将宽带中频信号转换为高速数字中频信号；

(2)通过多相滤波，从高速数字中频信号中得到一路或多路等带宽的有效子信道，这些子信道无盲区的覆盖了整个中频信号的带宽，并将每路有效子信道变频到基带；

(3)根据需要频谱分析的频段的中心频率与扫频带宽从有效子信道中得到被占用的子信道；

(4)判断扫频带宽和被占用子信道的条数，当扫频带宽大于一个有效子信道的带宽时跳至步骤(5)，当扫频带宽小于或等于有效子信道的带宽，且被占用子信道仅有一条时跳至步骤(6)，当扫频带宽小于或等于有效子信道的带宽，且被占用子信道有两路时跳至步骤(7)；

(5)对扫频带宽占用的各个子信道同时做相同的连续加窗和快速傅立叶变换；

根据频谱分析频段的中心频率和扫频带宽，对被占用子信道的快速傅立叶变换的输出数据进行截取，并将截取结果按频率排列的顺序拼接为一组输出数据；

对拼接后的输出数据做后续的频谱分析处理；

(6)将被占用子信道的信号与数控振荡器进行正交混频，使需要频谱分析的频段的中心频率搬移到零频，然后对零频的待分析信号进行重采样，重采样的采样频率介于扫频带宽的一到二倍之间；

对重采样后的信号做连续的加窗和快速傅立叶变换；

根据频谱分析的扫频带宽，对快速傅立叶变换的输出数据进行截取；

对截取后的数据做后续的频谱分析处理；

(7)将两路被占用子信道的信号分别与各自的数控振荡器进行正交混频，将两路被占用子信道内需要频谱分析的频段的中心频率搬移到零频，然后对零频的两路待分析信号分别进行重采样，重采样的采样频率介于扫频带宽的一到二倍之间；

对两路重采样后的信号分别做相同的连续加窗和快速傅立叶变换；

根据频谱分析的频段在两条被占用子信道内的比例，对两路快速傅立叶变换的输出数据分别进行截取，并将截取结果按频率排列的顺序拼接为一组输出数据；

对拼接后的输出数据做后续的频谱分析处理。