CN113252957A

CN113252957A - 一种数字下变频的实现方法和数字示波器

Info

Publication number: CN113252957A
Application number: CN202110621644.2A
Authority: CN
Inventors: 吴乾科; 王永添; 宋民
Original assignee: Shenzhen Siglent Technologies Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Siglent Technologies Co Ltd
Priority date: 2021-06-04
Filing date: 2021-06-04
Publication date: 2021-08-13

Abstract

本申请涉及一种数字下变频的实现方法，首先获取信号的数字采样数据，并依据获取的采样数据获取输入数据；然后将输入数据均等划分为至少两路数据，并对每路数据分别执行离散傅里叶变换的计算；再通过预设的旋转因子分别配置每路数据的计算结果，并对配置的计算结果整体执行离散傅里叶变换的计算，以用于将整体执行离散傅里叶变换的计算结果作为频域数据；接下来根据一预设的频谱搬移点数对频域数据中的各数据点往零频方向进行循环搬移处理，得到搬移数据；最后依据搬移数据对待分析信号进行特性分析。由于先将数字采样数据转换为频域数据，在通过频域数据对待分析信号进行特性分析，大大减少了数据处理的硬件资源消耗，提高了信号处理的效率。

Description

一种数字下变频的实现方法和数字示波器

技术领域

本发明涉及信号处理的技术领域，具体涉及一种数字下变频的实现方法和数字示波器。

背景技术

在无线通信领域，信号带宽是影响信息传输速率的主要因素，随着技术的更新换代，信息传输速率已经从20年前2G时代的几kbps、几十kbps，发展到了现在5G时代的峰值20Gbps的传输速率，其信道带宽可以从几十MHz到上百MHz。无线通信技术的快速发展，对相应测试测量仪器、设备的实时处理能力提出了越来越高的要求。对于高频、高带宽信号，对信号的频谱成分进行实时监控、分析已经是一个非常普遍的需求。

对于高速ADC采样信号，降低数据率有几种实现方法，比如数字下变频、带通滤波后对信号进行抽取，或者多相滤波下变频等。对于数字下变频（Digital Down Converter，简称DDC），通常采用数控振荡器（Nu-merical Control Oscillator，简称NCO）、乘法器和低通滤波器（Low Pass Filter，简称LPF）来辅助实现，NCO产生正余弦波样本值，然后分别与输入数据相乘，进而完成混频；在时域应用中并行实现数字下变频处理的话，需要消耗大量的硬件资源，NCO需消耗大量存储器，LPF会消耗大量乘法器。对于带通滤波后对信号进行抽取这种方法，对带通滤波器的设计要求非常高，所需滤波器阶数要很高才能保证抽取后的信号不发生混叠，并且采样率与带通滤波器中心频率（或者信号中心频率）需要满足一定的关系。对于多相滤波下变频，由于其抽取比例固定，容易导致频域盲区的存在。

专利文献CN200910196361.7中公开了一种GHz超宽带数字下变频方法，该方法的本质就是采用数控振荡器、乘法器和低通滤波器组成的结构来并行实现数字下变频，其中每一路的低通滤波采用多相滤波来实现，这种结构需要消耗大量的硬件资源（如存储器、乘法器资源）。基于NCO、LPF的结构通常只能应用于信号中心频率比较低的场合，即ADC采样速率低于1GHz（一般在500MHz以内），除非采用了专有芯片，否则当信号频率较高、带宽较大时，难以在通用处理器中（包括CPU、DSP或者可编程逻辑器件等）实现对ADC数据的实时处理。这种时域实现数字下变频的方法难以应用在高速数据采集设备中来实现全带宽ADC数据的实时频谱分析。基于多相滤波结构的数字下变频方法、基于带通滤波信号抽取方法也都是在时域对数据进行处理，对于高速采样数据，同样需要消耗大量硬件资源，难以在通用处理器芯片上实现。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是时域实现数字下变频的方法需要消耗大量硬件资源。为解决上述问题，本发明提供一种数字下变频的实现方法和数字示波器。

根据第一方面，一种实施例中提供一种数字示波器，其包括：

数据采集模块，用于采集模数转换器输出的数字信号以形成数字采样数据；

变频处理模块，从所述数据采集模块获取所述数字采样数据；所述变频处理模块用于对所述数字采样数据进行全带宽任意频点的数字下变频处理，以输出零中频的基带信号；

频谱分析模块，与所述变频处理模块连接，用于对所述基带信号进行实时频谱分析处理并得到频谱分析数据；

显示模块，接收所述频谱分析数据并用于对所述频谱分析数据进行显示；

所述变频处理模块包括DFT输入控制单元、DFT处理单元、频谱搬移单元、相位校正单元、IDFT处理单元和IDFT输出控制单元；

所述DFT输入控制单元分别与所述数据采集模块和所述DFT处理单元连接，用于获取所述数字采样数据，并根据单次数据处理点数L和滤波器阶数P对所述数字采样数据进行重叠控制和/或补零处理，得到至少一组输入数据；其中，每组所述输入数据具有L个数据点；

所述DFT处理单元用于将得到的每组所述输入数据均等划分为多路分路数据,并对每路所述分路数据各自执行离散傅里叶变换的计算，通过预设的第一旋转因子分别配置每个所述分路数据的计算结果，并对每个所述分路数据配置的计算结果整体执行离散傅里叶变换的计算，以获取对应的频域数据；

所述频谱搬移单元与所述DFT处理单元连接，用于根据预设的频谱搬移点数对所述频域数据中的各数据点往零频方向进行循环搬移处理，得到搬移数据；

所述相位校正单元与所述频谱搬移单元连接，用于根据预设的相位值对所述搬移数据进行相位校正处理，以获得校正数据；所述相位值由离散傅里叶变换的单次数据处理点数L、当前数据处理次数k，和频域内的频谱搬移点数Y、滤波器阶数P以及圆周率π经过多元函数计算得到；

所述IDFT处理单元用于将所述校正数据均等划分为多路数据并各自执行共轭处理和离散傅里叶变换的计算，通过预设的第二旋转因子分别配置多路数据的计算结果，并对配置的计算结果整体执行离散傅里叶变换的计算，以及将整体执行离散傅里叶变换的计算结果经过共轭处理和增益控制处理后，得到至少一组输出数据；

所述IDFT输出控制单元用于将每组输出数据中前端的P个数据点与前一次输出数据中末端的P个数据点进行相加的结果更新前端的P个数据点，将更新后的每组输出数据前端的L-P个数据点作为时域数据进行输出。

一实施例中，所述变频处理模块还包括频域滤波单元；

所述频域滤波单元与所述相位校正单元和所述IDFT处理单元连接，用于将所述相位校正单元输出的校正数据中的各数据点和预设的滤波系数进行点乘，得到滤波数据并传输至所述IDFT处理单元以进行离散傅里叶逆变换；

或者，所述频域滤波单元与所述频谱搬移单元和所述相位校正单元连接，用于将所述频谱搬移单元输出的搬移数据中的各数据点和预设的滤波系数进行点乘，得到滤波数据并传输至所述相位校正单元以进行相位校正。

一实施例中，所述DFT处理单元包括多分路数据变换模块、多分路配置模块和输入数据变换模块；

所述多分路数据变换模块用于将接收的所述DFT输入控制单元输出的一组所述输入数据均等划分为多路所述分路数据,并分别对每路所述分路数据执行离散傅里叶变换的计算；

所述多分路配置模块用于通过所述第一旋转因子分别配置每个所述分路数据执行离散傅里叶变换后的计算结果；

所述输入数据变换模块用于对每个所述分路数据配置的计算结果整体执行离散傅里叶变换，并将整体执行离散傅里叶变换的结果作为所述频域数据输出给所述频谱搬移单元。

一实施例中，所述IDFT处理单元包括第一共轭处理模块、校正数据变换模块、校正数据配置模块、多分路校正数据变换模块、第二共轭处理模块和求商模块；

所述第一共轭处理模块用于对所述校正数据进行共轭处理；

所述校正数据变换模块用于对共轭处理后的所述校正数据进行离散傅里叶变换的计算；

所述校正数据配置模块用于通过所述第二旋转因子配置所述校正数据进行离散傅里叶变换的计算结果；

所述多分路校正数据变换模块用于将配置后的所述校正数据进行离散傅里叶变换的计算结果均等划分为多路校正分路数据,并分别对每路所述校正分路数据执行离散傅里叶变换的计算；

所述第二共轭处理模块用于对执行离散傅里叶变换后的每个所述校正分路数据进行共轭处理；

所述求商模块用于将每个共轭处理后的所述校正分路数据合并后与L求商，并将所述商作为一组所述输出数据输出给所述IDFT输出控制单元。

根据第二方面，一种实施例中提供一种数字下变频的实现方法，包括：

获取待分析信号的数字采样数据；

根据单次数据处理点数L和滤波器阶数P对所述数字采样数据进行预处理，以获取至少一组输入数据；

将每组所述输入数据均等划分为至少两路数据，并对每路数据分别执行离散傅里叶变换的计算；

通过预设的旋转因子分别配置每路数据的计算结果，并对配置的计算结果整体执行离散傅里叶变换的计算；

将整体执行离散傅里叶变换的计算结果作为频域数据；

根据一预设的频谱搬移点数对所述频域数据中的各数据点往零频方向进行循环搬移处理，得到搬移数据；

依据所述搬移数据对所述待分析信号进行特性分析。

根据第三方面，一种实施例中提供一种计算机可读存储介质，其包括程序，所述程序能够被处理器执行以实现上述第二方面中所述的实现方法。

在本申请实施例中，公开了一种数字示波器，包括数据采集模块、变频处理模块、频谱分析模块和显示模块。数据采集模块用于采集模数转换器输出的数字信号以形成数字采样数据。变频处理模块用于对数字采样数据进行全带宽任意频点的数字下变频处理，以输出零中频的基带信号。频谱分析模块用于对基带信号进行实时频谱分析处理并得到频谱分析数据。显示模块用于对频谱分析数据进行显示。其中，变频处理模块包括DFT输入控制单元、DFT处理单元、频谱搬移单元、相位校正单元、频域滤波单元、IDFT处理单元和IDFT输出控制单元。DFT输入控制单元用于获取数字采样数据，并根据单次数据处理点数L和滤波器阶数P对所述数字采样数据进行重叠控制和/或补零处理，得到至少一组输入数据。DFT处理单元用于将得到的每组输入数据均等划分为多路分路数据,并对每路分路数据各自执行离散傅里叶变换的计算，通过预设的第一旋转因子分别配置每个分路数据的计算结果，并对每个分路数据配置的计算结果整体执行离散傅里叶变换的计算，以获取对应的频域数据。由于先将数字采样数据转换为频域数据，在通过频域数据对待分析信号进行特性分析，大大减少了数据处理的硬件资源消耗，提高了信号处理的效率。

附图说明

图1为一种实施例中数字示波器的结构示意图；

图2为一种实施例中变频处理模块的结构示意图；

图3为一种实施例中DFT处理单元的结构示意图；

图4为一种实施例中IDFT处理单元的结构示意图；

图5为一种实施例中频谱分析模块的结构示意图；

图6为另一种实施例中数字下变频的实现方法的流程示意图；

图7为一种实施例中频域数据的矩阵示意图；

图8为一种实施例中搬移数据的矩阵示意图；

图9为另一种实施例中数字下变频的实现方法的流程示意图；

图10为一种实施例中滤波系数的存储排列示意图；

图11为一种实施例中输出数据格式控制示意图；

图12为一种实施例中信号处理装置结构示意图。

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。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。

为清楚、准确理解本申请的技术方案，这里将对一些技术术语进行说明。

宽带（Broadband），是一种相对的描述方式，是指信号包含的或者处理器能够同时处理的较宽频率范围。频率的范围愈大，即带宽（带宽是指信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围）愈高时，能够发送的数据量也相对增加。

数字下变频（Digital Down Converters ，简称DDC），是指将中频信号与数字控制振荡器（NCO）产生的本振信号进行混频，再经过低通滤波器得到基带信号，实现了下变频功能，其目的是将中频数字信号的中心频谱搬移到零频位置，然后进行滤波、抽取以恢复原始基带信号。数字下变频是采用数字信号处理技术来实现下变频的，主要组成部分包括：数控振荡、数字混频、数字滤波、抽取。目前受ADC（模数转换器）和DSP（数字信号处理器）发展水平的限制，直接在很高频的射频端进行AD变换再进行数字信号处理非常困难，会存在超高采样率、样本点数巨大、处理时间长等问题。

在本申请实施例中公开的数字下变频实现方法可以应用在高速数据采集设备中，比如频谱分析仪、高速数据采集器和高采样数字示波器中，目的是解决当前数字下变频技术不能高效地实现全带宽ADC采样数据的实时信号处理问题，为数据采集设备提供一种高性能的数字下变频解决方案，增强设备对高速数据的处理能力。

下面将结合一些实施例对本申请的技术方案做具体说明。

实施例一、

请参考图1，为一种实施例中数字示波器的结构示意图，其中，数字示波器包括数据采集模块1、变频处理模块2、频谱分析模块3和显示模块4。数据采集模块1用于采集数字示波器的模数转换器输出的数字信号以形成数字采样数据。变频处理模块2从数据采集模块1获取数字采样数据，变频处理模块2用于对数字采样数据进行全带宽任意频点的数字下变频处理，以输出零中频的基带信号。频谱分析模块3与变频处理模块2连接，用于对基带信号进行实时频谱分析处理并得到频谱分析数据。显示模块4接收频谱分析数据并用于对频谱分析数据进行显示。

请参考图2，为一种实施例中变频处理模块的结构示意图，变频处理模块2包括DFT输入控制单元21、DFT处理单元22、频谱搬移单元23、频率滤波单元24、相位校正单元25、IDFT处理单元26和IDFT输出控制单元27。DFT输入控制单元21分别与数据采集模块1和DFT处理单元22连接，用于获取数字采样数据，并根据单次数据处理点数L和滤波器阶数P对数字采样数据进行重叠控制和/或补零处理，以得到至少一组输入数据。其中，每组输入数据具有L个数据点。重叠控制用于对数字采样数据进行等份截取，在当前截取的数据前端组合前一次截取的数据末端的P个数据点，形成一组输入数据，每组输入数据具有L个数据点。补零处理用于对数字采样数据进行等份截取，在当前截取的数据末端组合P个零值数据点，形成一组输入数据，每组输入数据具有L个数据点。DFT处理单元22用于将得到的每组输入数据均等划分为多路分路数据,并对每路分路数据各自执行离散傅里叶变换的计算，通过预设的第一旋转因子分别配置每个分路数据的计算结果，并对每个分路数据配置的计算结果整体执行离散傅里叶变换的计算，以获取对应的频域数据。频谱搬移单元23与DFT处理单元22连接，用于根据预设的频谱搬移点数对频域数据中的各数据点往零频方向进行循环搬移处理，得到搬移数据。频谱搬移单元23的作用是根据频谱搬移点数计算单元计算得到的频谱搬移点数Y（整数），将前述DFT处理单元每次输出的L点频谱数据（复数）往零频方向循环搬移Y个点，得到新的L点频谱数据。相位校正单元25与频谱搬移单元23连接，用于根据预设的相位值对搬移数据进行相位校正处理，以获得校正数据。其中，相位值由离散傅里叶变换的单次数据处理点数L、当前数据处理次数k，和频域内的频谱搬移点数Y、滤波器阶数P以及圆周率π经过多元函数计算得到。IDFT处理单元26用于将校正数据均等划分为多路校正分路数据并各自执行共轭处理和离散傅里叶变换的计算，通过预设的第二旋转因子分别配置多路数据的计算结果，并对配置的计算结果整体执行离散傅里叶变换的计算，以及将整体执行离散傅里叶变换的计算结果经过共轭处理和增益控制处理后，得到至少一组输出数据。IDFT输出控制单元27用于将每组输出数据中前端的P个数据点与前一次输出数据中末端的P个数据点进行相加的结果更新前端的P个数据点，将更新后的每组输出数据前端的L-P个数据点作为时域数据进行输出。

一实施例中，变频处理模块2还包括频率滤波单元24，频域滤波单元24与相位校正单元25和IDFT处理单元26连接，用于将相位校正单元25输出的校正数据中的各数据点和预设的滤波系数进行点乘，得到滤波数据并传输至IDFT处理单元26以进行离散傅里叶逆变换。一实施例中，频域滤波单元24分别与频谱搬移单元23和相位校正单元25连接，用于将频谱搬移单元23输出的搬移数据中的各数据点和预设的滤波系数进行点乘，得到滤波数据并传输至相位校正单元25以进行相位校正。

请参考图3，为一种实施例中DFT处理单元的结构示意图，DFT处理单元22包括多分路数据变换模块221、多分路配置模块222和输入数据变换模块223。多分路数据变换模块211用于将接收的DFT输入控制单元输出的一组输入数据均等划分为多路分路数据,并分别对每路分路数据执行离散傅里叶变换的计算。多分路配置模块222用于通过第一旋转因子分别配置每个分路数据执行离散傅里叶变换后的计算结果。输入数据变换模块223用于对每个分路数据配置的计算结果整体执行离散傅里叶变换，并将整体执行离散傅里叶变换的结果作为频域数据输出给频谱搬移单元。

请参考图4，为一种实施例中IDFT处理单元的结构示意图，IDFT处理单元26包括第一共轭处理模块261、校正数据变换模块262、校正数据配置模块263、多分路校正数据变换模块264、第二共轭处理模块265和求商模块266。第一共轭处理模块261用于对校正数据进行共轭处理。校正数据变换模块262用于对共轭处理后的校正数据进行离散傅里叶变换的计算。校正数据配置模块263用于通过第二旋转因子配置校正数据进行离散傅里叶变换的计算结果。多分路校正数据变换模块264用于将配置后的校正数据进行离散傅里叶变换的计算结果均等划分为多路校正分路数据,并分别对每路校正分路数据执行离散傅里叶变换的计算。第二共轭处理模块265用于对执行离散傅里叶变换后的每个校正分路数据进行共轭处理。求商模块266用于将每个共轭处理后的校正分路数据合并后与L求商，并将该商作为一组输出数据输出给IDFT输出控制单元。

请参考图5，为一种实施例中频谱分析模块的结构示意图，频谱分析模块3包括抽取单元31和频偏微调单元32。抽取单元31与IDFT输出控制单元27连接，用于按照预设的抽取倍数对IDFT输出控制单元27输出的时域数据进行抽取处理，得到抽取数据。频偏微调单元32用于根据预设的频偏微调值对抽取数据进行频偏微调，使得抽取数据的中心频率回归于零频位置并形成零中频的基带信号。其中，按照一定比例对时域数据进行抽取处理的目的是以降低数据采样率。当抽取比例为D时，系统中滤波器的归一化截止频率为D^-1，如此可以将时域数据采样率（或数据率）降为原来的D^-1，减少后续处理的数据量并加快处理效率。需要说明的是，在每组时域数据具有L个数据点并且按照L=N*M的方式进行IDFT处理输出的情况下，如果抽取比例D等于N，则时域数据经过抽取处理后将只剩下一路数据，也就是相当于数据率降低了N倍。频偏微调的过程用公式表示为:

y_O(n)=y_i(n)×e^-j2πn×A，A=f_skew；其中，y_O(n)为频偏微调后的数据，y_i(n)为频偏微调前的数据，e为自然对数的底数，j为虚数单位，n为复数序列的序号，f_skew为频偏微调值并且用公式表示为:

f_skew={f_c/(f_s /L)-⌊f_c/(f_s /L)⌋}×（f_s /L），

其中，f_c表示信号的中心频率，f_s表示数字采样数据的采样率。

显示模块4包括信号分析单元41和显示器42，信号分析单元41用于依据基带信号获取频谱分析数据，将获取的频谱分析数据通过显示器42显示。

实施例二

请参考图6，为另一种实施例中数字下变频的实现方法的流程示意图，包括：

步骤110，获取数字采样数据。

获取待分析信号的数字采样数据，一般借助模/数转换器（ADC）得到数字采样数据，也可称为ADC采样数据。

步骤120，获取输入数据。

根据单次数据处理点数L和滤波器阶数P对所述数字采样数据进行预处理，以获取至少一组输入数据。对数字采样数据进行重叠控制和/或补零处理。重叠控制用于对数字采样数据进行等份截取，在当前截取的数据前端组合前一次截取的数据末端的P个数据点，形成一组输入数据，且每组输入数据具有L个数据点。补零处理用于对数字采样数据进行等份截取，在当前截取的数据末端组合P个零值数据点，形成一组输入数据，且每组输入数据具有L个数据点。

步骤130，获取分路数据。

将每组输入数据均等划分为至少两路分路数据，并对每路分路数据分别执行离散傅里叶变换的计算。对于每组输入数据，将输入数据均等划分为多路分路数据并各自执行离散傅里叶变换的计算，比如将每组输入数据划分为N路且每路M个数据点的数据，且满足L=N×M，其中，若用N、M分别表示每组输入数据中L个数据点均等划分的等份数目和每份数据量。需要说明的是，当L=N×M，并且N和M都是2的整数次幂时，N路且每路M点的DFT运算可以用N路且每路M点的FFT（快速傅里叶变换）运算来实现，N点的DFT运算可以用N点的FFT运算来实现，由此能够极大地提高处理效率，还能够节省计算资源。

步骤140，配置计算结果。

通过预设的第一旋转因子分别配置每路分路数据的计算结果。其中，第一旋转因子的获取公式为：

W_L ^ms=e^-j2mπs/L；

其中，若用N、M分别表示每组输入数据中L个数据点均等划分的等份数目和每份数据量，则m为每组输入数据中L个数据点执行离散傅里叶变换的时钟周期数且按m=1,2,…，M-1进行重复计数，上标s为均等划分的多路数据中每路数据的顺序取值且满足s=1,2,…，N-1 ，j表示虚数单位。

步骤150，获取频域数据。

对配置的计算结果整体执行离散傅里叶变换的计算，将整体执行离散傅里叶变换的计算结果作为频域数据。下面通过一个具体的应用案例进行说明：

在本案例中，要求在FPGA中实时地对5GSa/s的数据流进行数字下变频，采用本申请公开的技术方案，在DFT处理单元和IDFT处理单元中，L取2048，N取32，M取64，由于N和M都是2的整数次幂，因此实现上述DFT和IDFT都可以用FFT和IFFT算法实现。该案例频域下变频部分的模块框图如图3所示。输入数据为5G采样率位宽12bit的数据，FPGA在156.25MHz工作时钟下对数据进行32路并行处理。32路并行数据进入DFT处理单元的第一步是每路进行64点的FFT运算。并行32路的64点FFT输出结果紧接着与第一旋转因子相乘，其中，L=2048，m值表示每一次FFT处理的时钟周期数，按m=0，1，2，3，…，63重复计数，s值则从第1路开始到第32路顺序取值为s=0，1，2，3，…，32。乘完第一旋转因子后的数据紧接着做一个并行32点的FFT处理。其中，第一旋转因子对应物理上的一个存储器（或一段存储空间），用来存储旋转因子，其值也是预先计算好的。

步骤160，获取搬移数据。

根据一预设的频谱搬移点数对频域数据中的各数据点往零频方向进行循环搬移处理，得到搬移数据,即根据频谱搬移点数计算单元计算得到的频谱搬移点数Y（整数），将前述DFT处理单元每次输出的L点频谱数据（复数）往零频方向循环搬移Y个点，得到新的L点频谱数据。一实施例中，数字采样数据的每组输入数据均等划分为U路分路数据，每路分路数据包括Q个数据点，Q和U是不小于2的整数。则每组输入数据对应的所述频域数据为U行Q列的数据矩阵A_QU，其中，第u路第q个输入数据点与数据矩阵A_QU的第u行第q列元素相对应，u∈U，q∈Q 。搬移数据是将数据矩阵A_QU的元素按先行后列的顺序依次向前移动Y次后的数据矩阵B_QU。其中，Y为预设的频谱搬移点数，频谱搬移点数的获取公式为：

Y=⌊f_c×L÷f_s⌋；

其中，f_c为所述待分析信号的中心频率，f_s为所述数字采样数据的采样率，L为每组输入数据的数据点数，Y为频谱搬移点数，⌊和⌋表示数值取整数部分的运算。

请参考图7和图8，为一种实施例中频域数据的矩阵示意图和搬移数据的矩阵示意图，为DFT处理单元输出的频域数据的矩阵A_QU通过频谱搬移后的搬移数据的矩阵B_QU。在上述应用案例的32路并行数据中：

第1路在64个时钟周期中依次输入{X(0)-X(63)}；

第2路在64个时钟周期中依次输入{X(64)~X(127)}；

...；

第32路在64个时钟周期中依次输入{X(1984)~X(2047)}。

32路并行数据用64个时钟完成输入2048个频谱数据。频谱搬移后，搬移数据的矩阵B_QU相对频域数据的矩阵A_QU横向地将频谱数据循环搬移。

依据上述方式获取搬移数据后，再依据搬移数据对待分析信号进行特性分析。在一实施例中，根据一预设的第一相位值对搬移数据进行相位校正，以获取第一校正数据。其中，第一相位值由离散傅里叶变换的单次数据处理点数L、当前数据处理次数k、频域内的频谱搬移点数Y、滤波器阶数P以及圆周率π经过多元函数计算得到。对第一校正数据进行离散傅里叶逆变换，处理得到第一时域数据，依据第一时域数据对待分析信号进行特性分析。在一实施例中，对搬移数据进行离散傅里叶逆变换，处理得到第二时域数据，再依据第二时域数据对待分析信号进行特性分析。一实施例中，对搬移数据进行离散傅里叶逆变换，处理得到第二时域数据，再根据一预设的第二相位值对第二时域数据进行相位校正，得到第二校正数据，以依据第二校正数据对待分析信号进行特征分析。

请参考图9，为另一种实施例中数字下变频的实现方法的流程示意图，一实施例中，数字下变频的实现方法还包括：

步骤210，获取校正数据。

对频谱搬移后形成的搬移数据进行相位校正处理。具体地，根据预设的相位值对搬移数据进行相位校正，得到校正数据步骤描述为：根据预设的相位值对搬移数据进行相位校正，将搬移数据中的各数据点分别和校正系数e^jΔφ进行相乘，通过乘积结果形成校正数据。为了达到相位校正的目的，本实施例中可以利用预设的相位值来实现数据相位校正的操作，相位值由离散傅里叶变换的单次数据处理点数L、当前数据处理次数k，和频域内的频谱搬移点数Y、滤波器阶数P以及圆周率π经过多元函数计算得到。一实施例中，获取搬移数据的校正系数，该校正系数与相位值有关，可以用公式表示为e^jΔφ，其中，e为自然对数的底数，Δφ为预设的相位值，j为虚数单位。在一个具体实施例中，相位值用公式表示为Δφ=f（k，Y，P，π），Q表示特定比例关系且有Q=L/P，f（）表示当前数据处理次数k、频谱搬移点数Y、特定比例关系Q和圆周率π的多元计算函数。为了进一步描述Δφ和内部参数之间的数值关系，这里以Q=2进行计算结果的说明，得到的相位值Δφ可以参考下表1。

表1 相位值Δφ与内部参数的关系

参见表1，在Q=2且Y为偶数的情况下，无论k为何值计算得到的相位值均为0；在Q=2、Y为奇数且k为偶数的情况下，计算得到的相位值为0；在Q=2、Y为奇数且k为奇数的情况下，计算得到的相位值为-π。

步骤220，进行频率滤波处理。

一个实施例中，将校正数据中的各数据点和预设的滤波系数进行点乘，以对校正数据进行频率滤波处理。频率滤波处理的作用是对其前面处理的每次输出的点频谱数据进行频域低通滤波，其中滤波器系数预先计算好并且存储于滤波系数存储单元中。请参考图10，为一种实施例中滤波系数的存储排列示意图，点乘过程用公式表示为：

Y（h）=X（h）×H（h）；

其中，Y（h）表示点乘后的数据，X（h）表示点乘前的数据，H（h）表示滤波系数，h表示各数据点的遍历序号且满足h=0，1，2，…,L-1。在另一个实施例中，上频率滤波处理可以设置于相位校正步骤之前，那么此时的频域滤波步骤可以描述为：将搬移数据（即指频谱搬移后的数据）中的各数据点和预设的滤波系数进行点乘，得到频率滤波处理后的搬移数据后，再进行相位校正。

本领域的技术人员可以理解，本实施例中在对搬移数据进行相位校正之后，使得信号的频域处理阶段能够将频谱搬移和频域滤波结合到一起予以实现，如此大大减少了资源消耗，提高了硬件设备的处理效率。

步骤230，IDFT处理。

对校正数据进行离散傅里叶逆变换（Inverse Discrete Fourier Transform，简称IDFT），处理得到时域数据。这里的时域数据用作信号的特性分析。具体地，将滤波数据划分为一路数据并整体执行离散傅里叶逆变换的计算，得到至少一组输出数据；根据单次数据处理点数L和滤波器阶数P对每组输出数据进行输出格式控制，得到对应的时域数据。具体处理过程包括：

对于每组校正数据，将校正数据均等划分为多路数据并各自执行共轭处理和离散傅里叶变换的计算，比如将具有L个数据点的校正数据划分为N路且每路M个数据点的数据，且满足L=N×M；接下来，通过预设的第二旋转因子分别配置多路数据的计算结果并整体执行离散傅里叶变换的计算，以及整体执行离散傅里叶变换的计算结果经过共轭处理和增益控制处理后，得到至少一组输出数据。涉及的第二旋转因子可以采用公式表示为：

W_L ^ms=e^-j2mπs/L；

在一应用案例中，IDFT输入的校正数据的矩阵的排列顺序是横向递增，例如，第1个时钟32路并行输入为{ Y(0),Y(64), Y(128),...,Y(2016)}，第2个时钟32路并行输入为{ Y(1),Y(65), Y(129),...,Y(2017)}，以此类推可以将每个时钟32路上的输入看做是完整的校正数据按64:1抽取后的序列。IDFT处理过程是先并行地对32路输入的64:1抽样后的校正数据进行32点FFT运算，紧接着乘以第二旋转因子，最后再对每一路数据串行地进行64点的FFT运算，得到时域数据。需要说明的是，共轭处理是指复数里边的共轭计算。此外，当L=N×M，并且N和M都是2的整数次幂时，N路且每路M点的DFT运算可以用N路且每路M点的FFT（快速傅里叶变换）运算来实现，N点的DFT运算可以用N点的FFT运算来实现，由此能够极大地提高处理效率，还能够节省计算资源。

步骤240，获取输出数据。

根据单次数据处理点数L和滤波器阶数P对每组输出数据进行输出格式控制，得到对应的时域数据。请参考图11，为一种实施例中输出数据格式控制示意图，对每组输出数据的输出格式控制可以采用以下两种方式，在一个具体实施例中，参见图11中的情况一，对于DFT输入情形，k表示数字采样数据被等份截取的序号，也可以表示形成的每一组输入数据的序号；每次截取L-P个数据点，k=1次截取数据前端组合k=0截取数据末端的P个数据点就形成了k=1次的输入数据，如此使得第k次L个数据点的DFT输入数据中最前面个数据点，和第

次DFT输入数据中最后P个数据点相同；由于k=0次截取的数据前面没有任何数据，所以k=0次直接截取L个数据点的数据并作为k=0次的输入数据。本实施例中，补零处理用于对数字采样数据进行等份截取，在当前截取的数据末端组合P个零值数据点，形成一组输入数据；每组输入数据具有L个数据点。在另一个具体实施中，参见图11中的情况二，对于DFT输入情形，k表示数字采样数据被等份截取的序号，也可以表示形成的每一组输入数据的序号；每次截取L-P个数据点，k=0次截取数据末端组合P个零值数据点就形成了k=0次的输入数据，k=1次截取数据末端组合P个零值数据点就形成了k=1次的输入数据，k=2次截取数据末端组合P个零值数据点就形成了k=2次的输入数据，以此类推；如此使得第k次L个数据点的DFT输入数据中最后面的P个数据点均为零值，只有前面L-P个数据点才是原始的数字采样数据。

在本实施例中，DFT输入控制和IDFT输出控制过程中，均采用数据并行处理机制，使得数据处理能力成倍提升，非常适合用来实现高速采样场合下的数字下变频。这种并行实现方式相对于时域采用传统DDC结构或者带通采样、多相滤波等方法，能够节省大量硬件资源。

本领域的技术人员可以理解，本实施例在数字下变频的频域处理过程中，创新性的加入频谱搬移和频域数据的相位校正环节，使得离散傅里叶逆变换后的时域数据的相位保持连续性，从而实现采样信号的全带宽测量要求。此外，每一次频谱搬移、相位校正和频域滤波处理后经IDFT处理得到的时域数据的相位具有连续性，相位连续性不仅仅指单次处理得到的L-P个时域点内部的相位连续，而且更重要的是指第k次输出的L-P个时域数据与第k+1次处理输出的L-P个时域数据的相位整体上具有连续性。

实施例三

请参考图12，为一种实施例中信号处理装置结构示意图，信号处理装置6包括存储器61和处理器62，下面分别说明。

存储器61用于存储程序，该程序是上述实施例二中数字下变频实现方法所对应的软件代码。

处理器62与存储器61连接，用于通过执行存储器存储的程序以实现上述实施例二中公开的数字下变频实现方法。

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

1.一种数字示波器，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于采集所述数字示波器的模数转换器输出的数字信号以形成数字采样数据；

所述IDFT处理单元用于将所述校正数据均等划分为多路校正分路数据并各自执行共轭处理和离散傅里叶变换的计算，通过预设的第二旋转因子分别配置多路校正分路数据的计算结果，并对配置的计算结果整体执行离散傅里叶变换的计算，以及将整体执行离散傅里叶变换的计算结果经过共轭处理和增益控制处理后，得到至少一组输出数据；

2.如权利要求1所述的数字示波器，其特征在于，所述变频处理模块还包括频域滤波单元；

3.如权利要求1所述的数字示波器，其特征在于，所述DFT处理单元包括多分路数据变换模块、多分路配置模块和输入数据变换模块；

4.如权利要求1所述的数字示波器，其特征在于，所述IDFT处理单元包括第一共轭处理模块、校正数据变换模块、校正数据配置模块、多分路校正数据变换模块、第二共轭处理模块和求商模块；

所述第一共轭处理模块用于对所述校正数据进行共轭处理；

所述多分路校正数据变换模块用于将配置后的所述校正数据进行离散傅里叶变换的计算结果均等划分为多路所述校正分路数据,并分别对每路所述校正分路数据执行离散傅里叶变换的计算；

5.一种数字下变频的实现方法，其特征在于，包括：

获取待分析信号的数字采样数据；

将每组所述输入数据均等划分为至少两路分路数据，并对每路分路数据分别执行离散傅里叶变换的计算；

通过预设的旋转因子分别配置每路分路数据的计算结果，并对配置的计算结果整体执行离散傅里叶变换的计算；

将整体执行离散傅里叶变换的计算结果作为频域数据；

依据所述搬移数据对所述待分析信号进行特性分析。

6.如权利要求5所述的实现方法，其特征在于，所述依据所述搬移数据对所述待分析信号进行特性分析，包括：

根据一预设的第一相位值对所述搬移数据进行相位校正，以获取第一校正数据；其中，所述第一相位值由离散傅里叶变换的单次数据处理点数L、当前数据处理次数k、频域内的频谱搬移点数Y、滤波器阶数P以及圆周率π经过多元函数计算得到；

对所述第一校正数据进行离散傅里叶逆变换，处理得到第一时域数据；

依据所述第一时域数据对所述待分析信号进行特性分析；

和/或，

对所述搬移数据进行离散傅里叶逆变换，处理得到第二时域数据；

依据所述第二时域数据对所述待分析信号进行特性分析；

和/或，

根据一预设的第二相位值对所述第二时域数据进行相位校正，得到第二校正数据；

依据所述第二校正数据对所述待分析信号进行特征分析。

7.如权利要求5所述的实现方法，其特征在于，所述根据单次数据处理点数L和滤波器阶数P对所述数字采样数据进行预处理，包括：

对所述数字采样数据进行重叠控制和/或补零处理；

所述重叠控制用于对所述数字采样数据进行等份截取，在当前截取的数据前端组合前一次截取的数据末端的P个数据点，形成一组输入数据；每组输入数据具有L个数据点；

所述补零处理用于对所述数字采样数据进行等份截取，在当前截取的数据末端组合P个零值数据点，形成一组输入数据；每组输入数据具有L个数据点。

8.如权利要求5所述的实现方法，其特征在于，所述旋转因子的获取公式为：

W_L ^ms=e^-j2mπs/L ，

其中，若用N、M分别表示每组输入数据中L个数据点均等划分的等份数目和每份数据量，则m为每组输入数据中L个数据点执行离散傅里叶变换的时钟周期数且按m=1,2,…，M-1进行重复计数，上标s为均等划分的多路数据中每路数据的顺序取值且满足s=1,2,…，N-1，j表示虚数单位；

所述频谱搬移点数的获取公式为：

Y=⌊f_c×L÷f_s⌋，

9.如权利要求5所述的实现方法，其特征在于，所述数字采样数据的每组所述输入数据均等划分为U路分路数据，每路分路数据包括Q个数据点，Q和U是不小于2的整数；

则每组输入数据对应的所述频域数据为U行Q列的数据矩阵A_QU；其中，第u路第q个输入数据点与所述数据矩阵A_QU的第u行第q列元素相对应，u∈U，q∈Q ；

所述搬移数据是将所述数据矩阵A_QU的元素按先行后列的顺序依次向前移动Y次后的数据矩阵B_QU；其中，Y为预设的所述频谱搬移点数。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述介质上存储有程序，所述程序能够被处理器执行以实现如权利要求5-9中任一项所述的方法。