CN111551787A - 基于中频分段机制实现信号分析仪中的fpga扫频处理的方法 - Google Patents

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刘明
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Abstract

本发明涉及一种基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法，包括以下步骤：信号分析仪接收到中频数据；对扫频参数进行计算；进行NCO扫频、滤波、幅度计算和检波；判断是否扫频结束，如果是，则扫频结束后进行数据显示；否则，进行VCO中频切换操作，继续进行NCO扫频。采用了本发明的基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法，可以实现适用于通用于信号分析仪的频谱分析，具有结构简单、适用范围广的优点，特别适用于信号分析仪中大带宽、高分辨率的频谱分析场合。

Description

基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法
技术领域
本发明涉及仪器仪表领域，尤其涉及通信测量仪器技术领域，具体是指一种基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法。
背景技术
从最基础的角度考虑，我们可以把频谱分析仪理解为一种频率选择性、峰值检测的电压表，它经过校准之后显示正弦波的有效值。任何时域信号都可以变换成相应的频域信号，通过频域测量可以得到信号在某个特定频率上的能量值。
在无线通信领域，人们非常关心带外辐射和杂散辐射。例如在蜂窝通信系统中，必须检查载波信号的谐波成分，以防止对其他有着相同工作频率与谐波的通信系统产生干扰。工程师和技术人员对调制到载波上的信息的失真也非常关心。
频谱监测是频域测量的又一重要领域。政府管理机构对各种各样的无线业务分配不同的频段，例如广播电视、无线通信、移动通信、警务和应急通信等其他业务。保证不同业务工作在其被分配的信道带宽内是至关重要的，通常要求发射机和其他辐射设备应工作于紧邻的频段。在这些通信系统中，针对功率放大器和其他模块的一项重要测量是检测溢出到邻近信道的信号能量以及由此所引起的干扰。
本发明提出了一种基于中频分段实现信号分析仪中FPGA扫频方法，通过切换VCO变换中频的方式将多个小的中频带宽拼接起来，将VCO扫描和NCO扫描结合起来，采用了原创的独特的扫频参数计算方法，通过动态调整中频带宽bw和扫频步进系数k来提高扫频的频率准确度和功率准确度，具有计算简单、参数可调的优点，用于实现大带宽、高分辨率的扫频方式。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足准确度高、操作简便、适用范围较为广泛的基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法。
为了实现上述目的，本发明的基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法如下：
该基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)信号分析仪接收到中频数据；
(2)对扫频参数进行计算；
(3)进行NCO扫频、滤波、幅度计算和检波；
(4)判断是否扫频结束，如果是，则继续步骤(6)；否则，继续步骤(5)；
(5)进行VCO中频切换操作，继续步骤(3)；
(6)扫频结束后进行数据显示。
较佳地，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)根据计算出的扫频参数控制NCO对中频数据进行扫频；
(3.2)将混频后的IQ数据送入CIC滤波器进行滤波；
(3.3)将IQ数据送入RBW滤波器进行滤波；
(3.4)用IQ数据进行幅度计算；
(3.5)对生成的幅度数据进行检波。
较佳地，所述的步骤(5)具体包括以下步骤：
(5.1)判断是否进行VCO中频切换，如果是，则继续步骤(5.2)；否则，继续步骤(3)，进行当前中频的下一个频点扫频；
(5.2)发送VCO控制指令；
(5.3)等待VCO锁定后，继续步骤(3)进行下一段中频扫频。
较佳地，所述的步骤(2)计算的扫频参数包括起始频率fstart、终止频率fstop、VCO切换次数nVCO、扫频步进fstep、总的扫描点数nsweep、每个Bucket点数nbuc。
采用了本发明的基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法，可以实现适用于通用于信号分析仪的频谱分析，具有结构简单、适用范围广的优点，特别适用于信号分析仪中大带宽、高分辨率的频谱分析场合。
附图说明
图1为本发明的基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法的流程图。
图2为本发明的基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法中频带宽bw个数nbw≤1的情况示意图。
图3为本发明的基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法中中频带宽bw个数nbw为大于1的整数的情况示意图。
图4为本发明的基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法中中频带宽bw个数nbw为大于1的小数的情况示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的该基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法，其中包括以下步骤：
(1)信号分析仪接收到中频数据；
(2)对扫频参数进行计算；
(3)进行NCO扫频、滤波、幅度计算和检波；
(3.1)根据计算出的扫频参数控制NCO对中频数据进行扫频；
(3.2)将混频后的IQ数据送入CIC滤波器进行滤波；
(3.3)将IQ数据送入RBW滤波器进行滤波；
(3.4)用IQ数据进行幅度计算；
(3.5)对生成的幅度数据进行检波；
(4)判断是否扫频结束，如果是，则继续步骤(6)；否则，继续步骤(5)；
(5)进行VCO中频切换操作，继续步骤(3)；
(5.1)判断是否进行VCO中频切换，如果是，则继续步骤(5.2)；否则，继续步骤(3)，进行当前中频的下一个频点扫频；
(5.2)发送VCO控制指令；
(5.3)等待VCO锁定后，继续步骤(3)进行下一段中频扫频；
(6)扫频结束后进行数据显示。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(2)计算的扫频参数包括起始频率fstart、终止频率fstop、VCO切换次数nVCO、扫频步进fstep、总的扫描点数nsweep、每个Bucket点数nbuc。
本发明的具体实施方式中，涉及一种基于中频分段实现信号分析仪中FPGA扫频方法，其中包括分析仪接收到的中频数据；扫频参数计算；NCO扫频；CIC滤波器；RBW滤波器；幅度计算；检波；扫频结束判断；VCO中频切换判断；发送VCO控制指令；等待VCO锁定完成；显示。提出了一种适用于信号分析仪的FPGA扫频方法算法。采用该种方法，可以实现适用于通用于信号分析仪的频谱分析，具有结构简单、适用范围广的优点，特别适用于信号分析仪中大带宽、高分辨率的频谱分析场合。
扫频参数计算方法如下，设中频带宽bw，中心频率fc，扫宽span，首先计算中频带宽bw个数：
Figure BDA0002490297280000041
分为三种情况：
(1)nbw≤1
当nbw≤1时，span≤bw，如图2所示。本振VCO不需要切换，直接从起始频率fstart扫到终止频率fstop；起始频率fstart、终止频率fstop、VCO切换次数nVCO的计算公式为：
Figure BDA0002490297280000042
(2)nbw为大于1的整数
当nbw为大于1的整数时，span为bw的整数倍，如图3所示。需要切换nbw次本振VCO；起始频率fstart、终止频率fstop、VCO切换次数nVCO的计算公式为：
Figure BDA0002490297280000043
(3)nbw为大于1的小数
当nbw为大于1的小数时，span不是bw的整数倍，如图4所示。这种情况通过调整中频带宽bw使得nbw为大于1的整数：
Figure BDA0002490297280000044
其中
Figure BDA0002490297280000045
符号为向上取整。将第3种情况转换成第2种情况，利用第2种情况的公式得到：
Figure BDA0002490297280000051
扫频步进fstep的计算公式为
Figure BDA0002490297280000052
k称为扫频步进系数。扫频步进决定了扫描时间和扫描精度。k值越大，扫频步进越小，频率的功率准确度越高，扫描时间越慢。可以通过调节k值调节扫描时间。k≥1，即扫频步进不能大于RBW。为了保证不同RBW下的功率准确度和一致性，参数自动耦合模式下k为200左右。
根据以上讨论的3种情况，总的扫描点数nsweep的计算公式分别为
Figure BDA0002490297280000053
其中
Figure BDA0002490297280000054
符号为向下取整。
设最后显示在界面上的频谱数据点数为ndisp,需要通过检波将总的扫描点数nsweep映射到频谱数据点数ndisp。映射后的每个Bucket(数据收集单元)分配的点数为
Figure BDA0002490297280000055
如果上述公式计算出来的nbuc为小数，为了保证nbuc为整数，需要对k值进行反推调整，经过计算，上述3种情况的k值为
Figure BDA0002490297280000056
k的初始值为200，重新计算后k≥200。最后利用重新计算后的k值重新计算扫频步进fstep和总的扫描点数nsweep。
根据上述的扫频参数计算方法，结合图1，本发明的基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法，其中，包括以下步骤：
步骤S1，信号分析仪接收到中频数据；
步骤S2，对扫频参数进行计算，包括起始频率fstart、终止频率fstop、VCO切换次数nVCO、扫频步进fstep、总的扫描点数nsweep、每个Bucket点数nbuc；
步骤S3，利用步骤S2计算出的起始频率fstart、终止频率fstop、扫频步进fstep控制NCO的频率控制字FTW对步骤S1接收到的中频数据进行扫频；
步骤S4，对步骤S3生成的混频后的IQ数据送入CIC滤波器进行滤波；
步骤S5，对步骤S4生成的IQ数据送入RBW滤波器进行滤波；
步骤S6，用步骤S5生成的IQ数据进行幅度计算；
步骤S7，利用步骤S2计算出的每个Bucket点数nbuc对步骤S6生成的幅度数据进行检波；
步骤S8，判断是否扫频结束，如果是则进入步骤S12；不是则进入步骤S9；
步骤S9，利用步骤S2计算出的VCO切换次数nVCO判断是否进行VCO中频切换，如果是则进入步骤S10；不是则进入步骤S3进行当前中频的下一个频点扫频；
步骤S10，发送VCO控制指令；
步骤S11，步骤S10指令发送完成后，等待VCO锁定完成，进入步骤S3进行下一段中频扫频；
步骤S12，扫频结束则进行数据显示。
采用了本发明的基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法，可以实现适用于通用于信号分析仪的频谱分析，具有结构简单、适用范围广的优点，特别适用于信号分析仪中大带宽、高分辨率的频谱分析场合。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (4)

1.一种基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)信号分析仪接收到中频数据；
(2)对扫频参数进行计算；
(3)进行NCO扫频、滤波、幅度计算和检波；
(4)判断是否扫频结束，如果是，则继续步骤(6)；否则，继续步骤(5)；
(5)进行VCO中频切换操作，继续步骤(3)；
(6)扫频结束后进行数据显示。
2.根据权利要求1所述的基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)根据计算出的扫频参数控制NCO对中频数据进行扫频；
(3.2)将混频后的IQ数据送入CIC滤波器进行滤波；
(3.3)将IQ数据送入RBW滤波器进行滤波；
(3.4)用IQ数据进行幅度计算；
(3.5)对生成的幅度数据进行检波。
3.根据权利要求1所述的基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法，其特征在于，所述的步骤(5)具体包括以下步骤：
(5.1)判断是否进行VCO中频切换，如果是，则继续步骤(5.2)；否则，继续步骤(3)，进行当前中频的下一个频点扫频；
(5.2)发送VCO控制指令；
(5.3)等待VCO锁定后，继续步骤(3)进行下一段中频扫频。
4.根据权利要求1所述的基于中频分段机制实现信号分析仪中的FPGA扫频处理的方法，其特征在于，所述的步骤(2)计算的扫频参数包括起始频率fstart、终止频率fstop、VCO切换次数nVCO、扫频步进fstep、总的扫描点数nsweep、每个Bucket点数nbuc。
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