CN109541309A - 一种频谱分析仪及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

一种频谱分析仪及其信号处理方法，该频谱分析仪包括振荡器、混频器、中频处理模块、控制模块、预失真处理模块、加法器和显示模块。预失真处理模块能够根据设置的RBW及振荡器当前的扫描宽度和扫频速度计算出对应的幅度补偿值，以对中频信号的幅度衰减进行补偿。这样，当振荡器的扫频速度增大时，因幅度响应时间减小而导致的幅度衰减可以用当前扫频速度下的幅度补偿值进行补偿，从而能够在保证频率准确性和幅度准确性的前提下减小频谱分析仪的扫描时间，提高测量速度。

Description

一种频谱分析仪及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及频谱测量技术领域，具体涉及一种频谱分析仪及其信号处理方法。

背景技术

频谱分析仪作为一种分析被测信号频谱特性的仪器，在基站维护、电子产品研发、生产等领域得到了重要的应用，可以用来测量频率、幅度、失真度、谱纯度等各项参数，是通信电子行业不可或缺的测量仪器。从传统的模拟频谱分析仪到现在的全数字中频频谱分析仪，其测量精度以及测量速度都有了很大的提升。

对于全数字中频频谱分析仪，其基本结构框图可参见图1，具体的工作过程一般是：ADC(模数转换器)采集的数据先经过数字下变频(DDC)处理，混频出I和Q两路信号，接着再根据需要对I和Q两路信号进行多级的抽取和滤波处理，然后对抽取和滤波处理后的信号进行幅度测量、频率计数、各种模拟解调等一系列测量处理，最后再进行显示的处理，显示出最终的频谱信号。在该过程中，抽取和滤波决定着频谱分析仪最终测量的分辨率带宽(RBW)，也决定着频谱分析仪的扫描时间，一般而言，RBW越小越有助于不同频率信号的分辨与测量，但RBW较小时，为了保证幅度的不失真，幅度响应时间会较长，而该响应时间又决定着频谱分析仪的扫描时间，因此，在在保证频率准确性和幅度准确性的前提下，频谱分析仪的扫描时间会较长，从而影响频谱分析仪的测量速度。

发明内容

本申请提供一种频谱分析仪及其信号处理方法，以在在保证频率准确性和幅度准确性的前提下减小频谱分析仪的扫描时间，提高测量速度。

根据第一方面，一种实施例中提供一种频谱分析仪，包括：振荡器、混频器、中频处理模块、控制模块、预失真处理模块、加法器和显示模块；

所述振荡器用于在控制模块的控制下产生扫频信号；

所述混频器用于将输入信号和所述振荡器产生的扫频信号进行混频，得到中频信号，并将所述中频信号输入到所述中频处理模块；

所述中频处理模块用于对所述中频信号进行降采样和滤波处理，得到滤波信号，根据所述滤波信号计算所述中频信号的幅度值，并将所述幅度值输入到所述加法器的第一端；

所述控制模块用于控制所述振荡器的扫描宽度和扫频速度，并将所述扫描宽度和所述扫频速度配置给预失真处理模块；

所述预失真处理模块用于从所述中频处理模块中获取分辨率带宽，根据所述分辨率带宽、所述扫描宽度和所述扫频速度计算出幅度补偿值，并将所述幅度补偿值输入到所述加法器的第二端；

所述加法器用于将其第一端的信号与其第二端的信号进行加法运算，得到待显示的幅度数据，并将所述待显示的幅度数据输出给所述显示模块；

所述显示模块用于显示所述待显示的幅度数据。

根据第二方面，一种实施例中提供一种频谱分析仪的信号处理方法，包括：

获取频谱分析仪的分辨率带宽以及振荡器的扫描宽度和扫频速度；

根据所述分辨率带宽、所述扫描宽度和所述扫频速度计算出幅度补偿值，所述幅度补偿值用于对中频信号的幅度值进行补偿。

依据上述实施例的频谱分析仪及其信号处理方法，由于能够根据分辨率带宽、扫描宽度和扫频速度计算出对应的幅度补偿值，并用该幅度补偿值对中频信号的幅度衰减进行补偿，这样，在当前的分辨率带宽下，当振荡器的扫频速度增大时，因幅度响应时间减小而导致的幅度衰减可以用当前扫频速度下的幅度补偿值进行补偿，从而能够在保证频率准确性和幅度准确性的前提下减小频谱分析仪的扫描时间，提高测量速度。

附图说明

图1为现有技术中频谱分析仪的结构示意；

图2为本发明一种实施例的频谱分析仪的结构示意图；

图3为本发明一种实施例的频谱分析仪的信号处理方法的流程图；

图4为本发明一种具体实施例的频谱分析仪的结构示意图；

图5为本发明一种具体实施例的幅度响应曲线与预失真曲线的示意图；

图6为本发明一种具体实施例的频谱分析仪的信号处理方法的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

在图1所示的频谱分析仪中，频谱仪的中频采样率(即模数转换器的采样率)是固定的，一般先要经过抽取过程来降低其采样率，然后再将降采样后的信号送入中频滤波器(也即RBW滤波器)进行成型滤波，以进一步得到最终的频谱信号。在该过程中，当频谱分析仪的RBW较大时要求的带宽大，但抽取倍数比较小；反之，RBW越小时抽取的倍数就越大。这样，频谱分析仪可以根据RBW抽取到合适的速率，以方便RBW成型滤波的实现。同时，这样也可以实现在不同的速率下使用相同的RBW滤波器来实现不同的带宽，以降低设计的难度。

但在该过程中，由于ADC进行数据采样时的采样率是固定的，对于不同的RBW滤波器，其要求的响应时间不一样，在RBW滤波器的带宽越小，也就是说滤波的带宽越窄时，其响应的时间就越长，该响应时间跟RBW的带宽是成反平方比的。因此，频谱分析仪的扫描时间只能根据设计的RBW滤波器来决定，RBW滤波器给出的准确幅度响应时间是多少，就必须要求是这一个扫描时间，这是由滤波器的特性决定。

在本发明实施例中，采样预失真处理模块从中频处理模块中获取分辨率带宽，接着根据该分辨率带宽以及振荡器的扫描宽度和扫频速度计算出幅度补偿值，然后用该幅度补偿值对中频处理模块输出的中频信号进行补偿。

实施例一：

基于本发明的构思，图2示出了本发明实施例提供的一种频谱分析仪的结构，如图2所示，该频谱分析仪包括振荡器1、混频器2、中频处理模块3、控制模块4、预失真处理模块5、加法器6和显示模块7。其中，振荡器1用于在控制模块4的控制下产生扫频信号；混频器2用于将输入信号和振荡器1产生的扫频信号进行混频，得到中频信号，并将该中频信号输入到中频处理模块3；中频处理模块3用于对混频器2得到的中频信号进行降采样和滤波处理，得到滤波信号，根据该滤波信号计算出中频信号的幅度值，并将该幅度值输入到加法器6的第一端；控制模块4用于控制振荡器1的扫描宽度和扫频速度，并将该扫描宽度和扫频速度配置给预失真处理模块5；预失真处理模块5用于从中频处理模块3中获取分辨率带宽，根据该分辨率带宽以及振荡器1的扫描宽度和扫频速度计算出幅度补偿值，并将该幅度补偿值输入到加法器6的第二端；加法器6用于将其第一端的信号与其第二端的信号进行加法运算，得到待显示的幅度数据(也即补偿后的幅度值)，并将该待显示的幅度数据输出给显示模块7；显示模块7用于显示该待显示的幅度数据。

基于图2所示的频谱分析仪，本实施例提供一种频谱分析仪的信号处理方法，其流程图参见图3，该方法可以包括如下步骤：

步骤101：获取分辨率带宽和振荡器的扫描参数。

频谱分析仪工作时，控制模块4控制振荡器1的扫描参数，同时将该扫描参数配置给预失真处理模块5，其中的扫描参数包括扫描宽度和扫频速度。预失真处理模块5获取该扫描宽度和扫频速度，同时从中频处理模块3中获取频谱分析仪的RBW。

步骤102：计算幅度补偿值。

预失真处理模块5根据获取到的RBW、扫描宽度和扫频速度，计算出频谱分析仪工作于该RBW、扫描宽度和扫频速度时的幅度补偿值，该幅度补偿值用于对中频处理模块3输出的中频信号的幅度值进行补偿。

本实施例提供的频谱分析仪及其信号处理的方法，当频谱分析仪工作于某一分辨率带宽下时，比如，工作于较小的RBW，若提高振荡器1的扫频速度，则会因中频处理模块3的幅度响应时间减小而导致信号的幅度衰减，这时，预失真处理模块5会根据当前的RBW、扫频速度和扫描宽度计算出对应的幅度补偿值来对该幅度衰减进行补偿，从而能够在保证频率准确性和幅度准确性的前提下减小频谱分析仪的扫描时间，提高测量速度。

实施例二：

基于实施例一，本实施例提供一种能具体的频谱分析仪，其结构示意图参见图4，与实施例一不同的是，在本实施例提供的频谱分析仪中，中频处理模块3包括中频预处理单元31、中频滤波器32和幅度检波单元33；预失真处理模块5包括映射单元51、存储器52、读取单元53和计算单元54。

其中，中频预处理单元31用于对混频器2输出的中频信号进行预处理，得到降采样的数字中频信号，并将该降采样的数字中频信号输入到中频滤波器32；中频滤波器32用于对中频预处理单元31输出的降采样的数字中频信号进行滤波，得到滤波信号，并将该滤波信号输入到幅度检波单元33；幅度检波单元33用于根据中频滤波器32输出的滤波信号计算中频信号的幅度值，并将计算出的幅度值输入到加法器6的第一端。存储器52用于存储预失真数据表，该预失真数据表为分辨率带宽、映射比值和预失真数据的对应关系；映射单元51用于接收控制模块4配置的扫描宽度和扫频速度，根据该扫描宽度和扫频速度计算扫描宽度SPAN和扫描时间ST的比值，得到映射比值SPAN/ST，并输出SPAN/ST给读取单元53；读取单元53用于从中频滤波器32获取分辨率带宽RBW，根据该RBW和SPAN/ST从存储器52中读取出两组预失真数据，并将这两组预失真数据输出给计算单元54；计算单元54用于对读取单元53读取的两组预失真数据进行插值计算，得到幅度补偿值，并将该幅度补偿值输入到加法器6的第二端。

实际应用中，中频滤波器32(可称为RBW滤波器)决定着频谱分析仪的RBW，可以根据RBW的不同对RBW滤波器进行类型划分，即每一种RBW滤波器都对应着唯一的RBW。实际设计中，可以将RBW滤波器设计为高斯滤波器，也可以是其他滤波器。

具体的，在预失真数据表中，每一分辨率带宽都对应一预失真数据集，该预失真数据集为每一映射比值对应一预失真数据的集合。实际应用中，预失真数据表可以根据理论的仿真得到，在仿真中，可以根据频谱分析仪中设计的每一个中频滤波器32(其RBW确定)，计算出SPAN/ST与中频滤波器32的幅度响应曲线，该幅度响应曲线能够反应中频滤波器32的幅度随扫描时间的变化过程，该幅度响应曲线可参见图5所示的曲线①。然后，对该曲线①进行反向取值，得到图5所示的预失真曲线②，这时，将曲线②作为预失真数据的来源，在预失真数据表中建立SPAN/ST与预失真数据的对应关系；对于每一种类型的中频滤波器32，其都会对应一条类似于曲线②的预失真曲线，也就是对应一预失真数据集。这样，便可建立起预失真数据表，然后将该预失真数据表存储于存储器52中，其中的存储器52比如可以是ROM存储器。

基于此，在扫描过程中，读取单元53便可以先根据RBW(即用户设置的RBW滤波器)从该预失真数据表中读取出与该RBW对应的预失真数据集，然后根据SPAN/ST从该预失真数据集中读取出与SPAN/ST相邻的两个映射比值对应的预失真数据，得到两组预失真数据。之后，计算单元54可以采用对数插值方法对读取单元53读取的这两组预失真数据进行插值计算，得到幅度补偿值。由于对数插值方法得到的拟合度更高一些，因此采用对数插值方法进行幅度补偿值计算时，可以得到更精确的幅度补偿值。

其中，对于对数插值方法，假设SPAN/ST为x_i，x_i在x₀和x₁之间，两组预失真数据则可分别表示为(x₀，y₀)和(x₁，y₁)，此时，补偿值y_i便可以用如下公式一计算：

公式一：

例如，读取单元53根据RBW从预失真数据表中读取出与该RBW对应的预失真数据集可以用图5的预失真曲线②来体现，映射单元51计算出当前扫描的SPAN/ST为25000000，那么，读取单元53会从预失真数据表中读取出(20000000，0.2)和(30000000，0.09)这两组数据，然后将这两组数据输入到计算单元54，计算单元54将按照公式一进行插值计算，从而得到幅度补偿值。

实际应用中，为了方便处理，可以将SPAN/ST进行适当的量化，然后将量化结果作为查找表地址从预失真数据表中查找对应的预失真数据。

实际应用中，中频预处理单元31包括带宽滤波器311、模数转换器312、数字下变频单元313和抽取单元314。其中，带宽滤波器311用于对混频器2输出的中频信号进行带宽滤波，滤除带宽之外的杂散等信号；模数转换器312用于将带宽滤波器311输出的模拟信号转换为数字信号，得到数字中频信号，并将该数字中频信号输出给数字下变频单元313；数字下变频单元313用于对模数转换器312输出的数字中频信号进行下变频处理，并将下变频处理后的数字信号输出给抽取单元314；抽取单元314用于对数字下变频单元313输出的数字信号进行降采样处理，得到降采样的数字中频信号。具体的，数字下变频单元313对数字中频信号进行下变频处理后，可得到I路信号和Q路信号，然后将该I路信号和Q路信号输入给抽取单元314，抽取单元314则根据RBW分别对该I路信号和Q路信号进行降采样处理，之后经RBW滤波器32进行滤波后由幅度检波单元33求该I路信号和Q路信号的模值，从而得到中频信号的幅度值。

其中，抽取单元314可以由CIC滤波器和半带滤波器共同组成，也可以由多相滤波器直接实现。幅度检波单元33可以实现线性幅度和对数幅度的功能。

显示模块7可以由视频滤波单元和显示器构成，其中的视频滤波单元可以对幅度检波单元33输出的检波数据进行滤波处理，以达到对待显示的幅度数据进行平滑处理的效果，最后经显示器进行显示。

基于图4所示的频谱分析仪，本实施例提供一种具体的频谱分析仪的信号处理方法，其流程图参见图6，该方法可以包括如下步骤：

步骤201：获取分辨率带宽和振荡器的扫描参数。

频谱分析仪工作时，控制模块4控制振荡器1的扫描参数，同时将该扫描参数配置给预失真处理模块5，其中的扫描参数包括扫描宽度和扫频速度。预失真处理模块5获取该扫描宽度和扫频速度，同时检测中频滤波器32的类型，以获取RBW。

步骤202：确定预失真数据集。

预失真处理模块5获取到RBW以及扫描宽度和扫频速度之后，由映射单元51根据该RBW从存储器52存储的预失真数据表中读取出与该RBW对应的预失真数据集，该预失真数据集为每一映射比值对应一个预失真数据的集合。

步骤203：计算映射比值。

映射单元51根据获取到的扫描宽度和扫频速度计算扫描宽度SPAN与扫描时间ST的比值，得到映射比值SPAN/ST。

步骤204：获取预失真数据。

映射单元51得到SPAN/ST之后，将该SPAN/ST输出给读取单元53，读取单元53根据该SPAN/ST从预失真数据集中读取出与该SPAN/ST相邻的两个映射比值对应的预失真数据，得到两组预失真数据。

步骤205：计算幅度补偿值。

读取单元53得到两组预失真数据之后，将这两组预失真数据输入到计算单元54进行插值计算，比如，可以采用公式一的对数插值方法对这两组预失真数据进行计算，得到幅度补偿值，该幅度补偿值用于对幅度检波单元33输出的幅度值进行补偿。

本发明实施例提供的频谱分析仪及其信号处理的方法，先根据设置的RBW滤波器从存储器存储的预失真数据表中读取出与RBW滤波器对应的预失真数据集，接着根据控制模块配置的扫描宽度和扫频速度计算出SPAN/ST，然后根据SPAN/ST从预失真数据集中获取预失真数据，再对该预失真数据进行计算得到幅度补偿值，最后将该幅度补偿值加到幅度检波单元的输出，以达到幅度补偿的结果。这样，通过预先计算RBW滤波器随扫描速度变化的衰减规律，进而做预失真处理，在振荡器的扫描速度变快后，RBW滤波器的响应能够得到相应的补偿，能够保证在快速扫描情况下幅度仍然是准确的，从而提高了频谱分析仪的扫描速度。经过实际测试，本发明提供的频谱分析仪及其信号处理的方法能够在保证频率准确性和幅度准确性的前提下，至少提高3倍的扫描速度，在频率准确度要求较低的情况下，可以达到更快的扫描速度。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种频谱分析仪，其特征在于，包括：振荡器、混频器、中频处理模块、控制模块、预失真处理模块、加法器和显示模块；

所述振荡器用于在控制模块的控制下产生扫频信号；

所述混频器用于将输入信号和所述振荡器产生的扫频信号进行混频，得到中频信号，并将所述中频信号输入到所述中频处理模块；

所述中频处理模块用于对所述中频信号进行降采样和滤波处理，得到滤波信号，根据所述滤波信号计算所述中频信号的幅度值，并将所述幅度值输入到所述加法器的第一端；

所述控制模块用于控制所述振荡器的扫描宽度和扫频速度，并将所述扫描宽度和所述扫频速度配置给预失真处理模块；

所述预失真处理模块用于从所述中频处理模块中获取分辨率带宽，根据所述分辨率带宽、所述扫描宽度和所述扫频速度计算出幅度补偿值，并将所述幅度补偿值输入到所述加法器的第二端；

所述加法器用于将其第一端的信号与其第二端的信号进行加法运算，得到待显示的幅度数据，并将所述待显示的幅度数据输出给所述显示模块；

所述显示模块用于显示所述待显示的幅度数据。

2.如权利要求1所述的频谱分析仪，其特征在于，所述中频处理模块包括中频预处理单元、中频滤波器和幅度检波单元；

所述中频预处理单元用于对所述混频器输出的中频信号进行预处理，得到降采样的数字中频信号，并将所述降采样的数字中频信号输入到所述中频滤波器；

所述中频滤波器用于对所述降采样的数字中频信号进行滤波，得到滤波信号，并将所述滤波信号输入到所述幅度检波单元；

所述幅度检波单元用于根据所述滤波信号计算所述中频信号的幅度值，并将所述幅度值输入到所述加法器的第一端。

3.如权利要求2所述的频谱分析仪，其特征在于，所述预失真处理模块包括映射单元、存储器、读取单元和计算单元；

所述存储器用于存储预失真数据表，所述预失真数据表为分辨率带宽、映射比值和预失真数据的对应关系；

所述映射单元用于接收所述控制模块配置的所述扫描宽度和所述扫频速度，根据所述扫描宽度和所述扫频速度计算扫描宽度和扫描时间的比值，得到映射比值，并输出所述映射比值给所述读取单元；

所述读取单元用于从所述中频滤波器获取分辨率带宽，根据所述分辨率带宽和所述映射比值从所述预失真数据表中读取出两组预失真数据，并将这两组预失真数据输出给所述计算单元；

所述计算单元用于对所述读取单元读取的两组预失真数据进行插值计算，得到所述幅度补偿值，并将所述幅度补偿值输入到所述加法器的第二端。

4.如权利要求3所述的频谱分析仪，其特征在于，所述计算单元具体用于采用对数插值方法对所述读取单元读取的两组预失真数据进行插值计算。

5.如权利要求3所述的频谱分析仪，其特征在于，在所述预失真数据表中，每一分辨率带宽对应一预失真数据集，所述预失真数据集为每一映射比值对应一个预失真数据的集合。

6.如权利要求5所述的频谱分析仪，其特征在于，所述读取单元具体用于根据所述分辨率带宽从所述预失真数据表中读取出与所述分辨率带宽对应的预失真数据集，根据所述映射比值从该预失真数据集中读取出与所述映射比值相邻的两个映射比值对应的预失真数据，得到所述两组预失真数据。

7.如权利要求2所述的频谱分析仪，其特征在于，所述中频预处理单元包括带宽滤波器、模数转换器、数字下变频单元和抽取单元；

所述带宽滤波器用于对所述混频器输出的中频信号进行带宽滤波；

所述模数转换器用于将所述带宽滤波器输出的模拟信号转换为数字信号，得到数字中频信号，并将所述数字中频信号输出给所述数字下变频单元；

所述数字下变频单元用于对所述数字中频信号进行下变频处理，并将下变频处理后的数字信号输出给所述抽取单元；

所述抽取单元用于对所述数字下变频处理后的数字信号进行降采样处理，得到降采样的数字中频信号。

8.一种频谱分析仪的信号处理方法，其特征在于，包括：

获取频谱分析仪的分辨率带宽以及振荡器的扫描宽度和扫频速度；

根据所述分辨率带宽、所述扫描宽度和所述扫频速度计算出幅度补偿值，所述幅度补偿值用于对中频信号的幅度值进行补偿。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述分辨率带宽、所述扫描宽度和所述扫频速度计算出幅度补偿值，包括：

根据所述分辨率带宽从预失真数据表中读取出与所述分辨率带宽对应的预失真数据集；

根据所述扫描宽度和所述扫频速度计算扫描宽度和扫描时间的比值，得到映射比值；

根据所述映射比值从所述预失真数据集中读取出与所述映射比值相邻的两个映射比值对应的预失真数据，得到两组预失真数据；

对所述两组预失真数据进行插值计算，得到幅度补偿值。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括程序，所述程序能够被处理器执行以实现如权利要求8或9任一项所述的方法。