CN114966200A - 一种频谱仪采用数字信号处理实现rbw和vbw的方法 - Google Patents

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刘畅
金曙晨
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Abstract

一种频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法，包括步骤：步骤1，对中频信号进行数字化；步骤2，对中频信号进行变频，得到混频信号。步骤3，通过滤波，得到两路正交的原始采样率的零中频信号；步骤4，对两路原始采样率的零中频信号分别进行抽取和滤波；步骤5，对抽取和滤波后的两路原始采样率的零中频信号进行原型滤波，得到同相路信号I和正交路信号Q；步骤6，对同相路信号I和正交路信号Q进行求模运算，并得到视频信号；步骤7，对视频信号进行滤波处理。RBW和VBW的实现全部在一片FPGA中即可完成，同时整个处理过程是数据流式的工作方式，无需将数据进行缓存，该设计简化了系统复杂度，同时降低了设计成本、体积和功耗，具有较强的实用性。

Description

一种频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法
技术领域
本发明涉及频谱仪数字信号处理领域，尤其涉及一种频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法。
背景技术
分辨率带宽（RBW）和视频带宽（VBW）是频谱仪的两个重要指标，RBW决定了频谱仪分辨两个紧邻信号的能力，VBW决定了频谱仪抑制视频信号噪声的能力。而传统频谱仪RBW和VBW是靠模拟滤波器以及包络检波器来实现的。模拟滤波器电路复杂、受温漂和器件老化影响，指标稳定性较差。同时器件一致性也影响了RBW和VBW指标的一致性，往往需要复杂的调试才能保证指标。另外最重要的缺点是模拟滤波器难以实现窄带的RBW和VBW。因此后来发展出了模拟/数字混合处理方式，采用模拟滤波器实现宽带滤波，采用数字滤波器实现窄带滤波。但是由于依然保留了模拟滤波器方式，模拟滤波器的固有缺陷依然存在。
再到后来，发展出了全数字实现的RBW和VBW滤波器。数字滤波器设计更加简单、灵活以及具有良好的温度稳定性，没有老化现象，无需调整，能实现较高精度的带宽。但是传统数字滤波器，信号必须经过快速傅里叶变换（FFT），而且整个频谱仪工作于固定调谐模式，即频谱仪的本振不是连续扫频，而是以一定的频率步进进行跳频，降低了频率扫描速度。而且FFT占用大量的FPGA资源，数字滤波器实现较为复杂。
发明内容
本发明提供了一种频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法，以解决上述现有技术的不足，RBW和VBW的实现全部在一片FPGA中即可完成，同时整个处理过程是数据流式的工作方式，无需将数据进行缓存。该设计简化了系统复杂度，同时降低了设计成本、体积和功耗，具有较强的实用性。
为了实现本发明的目的，拟采用以下技术：
一种频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法，包括步骤：
步骤1，对中频信号进行ADC数字化；
步骤2，对步骤1数字化后的中频信号进行变频，并得到混频信号。
步骤3，对步骤2得到的混频信号通过滤波，得到两路正交的原始采样率的零中频信号：同相路零中频信号I1和正交路零中频信号Q1；
步骤4，根据RBW的带宽大小，对步骤3得到的同相路零中频信号I1和正交路零中频信号Q1的两路原始采样率的零中频信号分别进行抽取和滤波；
步骤5，对步骤4中抽取和滤波后的同相路零中频信号I1和正交路零中频信号Q1进行原型滤波，得到同相路信号I和正交路信号Q；
步骤6，对步骤5中得到的同相路信号I和正交路信号Q进行求模运算，并得到视频信号；
步骤7，对步骤6中所得的视频信号进行滤波处理。
进一步地，步骤2中对步骤1数字化后的中频信号进行数字正交下变频，数字下变频的本振信号为：同相路本振信号NCO_I和正交路本振信号NCO_Q。
进一步地，步骤2中的同相路本振信号NCO_I以及正交路本振信号NCO_Q的数学模型分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 39099DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为本振信号数字化的归一化频率，n为本振信号数字化后的数据点计数。
进一步地，步骤4中的多级CIC滤波器和HB半带滤波器对采样率的零中频信号抽取的倍数是RBW带宽的5倍。
进一步地，步骤6中对同相路信号I和正交路信号Q两路信号进行求模运算的运算公式为：
Figure 384760DEST_PATH_IMAGE004
其中，I为同相路信号，Q为正交路信号。
进一步地，步骤3中通过低通滤波对混频信号进行滤波，得到原始采样率的零中频信号。
进一步地，步骤4中通过多级CIC滤波器和多级HB半带滤波器对原始采样率的零中频信号进行抽取和滤波。
进一步地，步骤5中通过FIR滤波器对抽取和滤波后的同相路零中频信号I1和正交路零中频信号Q1进行原型滤波。
进一步地，步骤7中采用FIR滤波器对视频信号进行滤波处理。
上述技术方案的优点在于：
本发明釆用全数字实现的RBW和VBW滤波器，既不需要做耗费资源FFT运算，也不需要改变本振的扫频方式。可实现各种窄带和宽带RBW以及VBW，窄带可实现1Hz带宽甚至更低，宽带可实现10MHz带宽甚至更高。另外由于数字滤波器的阶数和系数只与归一化带宽、过渡带、阻带抑制等参数相关，如果抽取倍数选择合适，可将所有RBW和VBW设置为同一个归一化频率。在其它参数也一致的情况下，只需改变抽取倍数，并通过一种结构形式即可实现系统所要求的所有宽带和窄带RBW和VBW。同时无需改变频谱仪本振的扫描方式，频谱仪频率扫描速度快且系统更为简单，RBW滤波器后直接对同相路信号I以及正交路信号Q两路进行求模，无需采用FFT运算，也无需更改频谱仪本振的扫描方式，节约了FPGA资源和提高扫描速度，具有较强的实用性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步的详细描述。
图1示出了本申请的流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法，包括步骤：
步骤1，对中频信号进行ADC数字化。
步骤2，对步骤1数字化后的中频信号进行数字正交下变频，数字下变频的本振信号为：同相路本振信号NCO_I和正交路本振信号NCO_Q。
步骤3，通过低通滤波，对正交的混频信号通过滤波后得到原始采样率的零中频信号，由于混频后含有差频分量和和频分量，因此需要低通滤波器滤除和频分量，因此混频后加一级低通滤波器。
步骤4，根据RBW的带宽大小，通过多级CIC滤波器和多级HB半带滤波器对原始采样率的零中频信号分别进行抽取和滤波，为了尽量保持所有宽带、窄带的RBW的采样率一致，因此将多级CIC滤波器和HB半带滤波器对原始采样率的零中频信号抽取的倍数是RBW带宽的5倍。同时，CIC滤波器和HB半带滤波器能够保留通道的信号特性，以确保在进行数据抽取过程中，频谱不发生混叠。
步骤5，对步骤4中抽取和滤波后的原始采样率的零中频信号（同相路零中频信号I1和正交路零中频信号Q1）通过FIR滤波器进行原型滤波，得到同相路信号I和正交路信号Q。FIR滤波器作为原型滤波器决定了RBW的形状，由于抽取后的数据和RBW的带宽之比是固定的，那么FIR滤波器的归一化带宽也将是固定的，因而一个FIR滤波器即可实现所有RBW带宽的滤波器，RBW带宽由CIC滤波器和HB半带滤波器的抽取倍数决定。
步骤6，对采样率的同相路信号I和正交路信号Q两路信号进行求模运算，并得到视频信号。求模运算为乘加运算，可由FPGA中专门的乘加运算单元进行实现，提高运行速度和效率。
步骤7，对步骤6中所得的视频信号通过FIR滤波器（VBW滤波器）进行滤波处理。
具体的实施方式为：在本实施例中中频信号采用70MHz中频，而ADC采样率为100MHz，可实现的RBW和VBW为1Hz~20MHz，可实现的形状因子可达4.6：1。
70MHz中频信号经100MHz的ADC采样后，首先进行正交数字下变频，那么数字本振的频率为70MHz，同相路本振信号NCO_I以及正交路本振信号NCO_Q的数学模型分别为：
Figure 645977DEST_PATH_IMAGE001
Figure 393485DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 652428DEST_PATH_IMAGE003
为本振信号数字化的归一化频率，n为本振信号数字化后的数据点计数。而此时，
Figure 219806DEST_PATH_IMAGE003
=70MHz/100MHz=0.7为本振的归一化频率。（本振信号的频率需要用采样率进行归一化，归一化过程就是用频率（70MHz）除以采样率（100MHz））
而后，对变频后的信号通过低通滤波后得到100MHz采样率的零中频信号：同相路零中频信号I1以及正交路零中频信号Q1。
接着，根据RBW的大小，通过多级CIC滤波器和HB半带滤波器对100MHz采样率的零中频信号进行抽取滤波，抽取倍数的选择准则是抽取后的采样率为RBW带宽的5倍。如RBW为10kHz，那么抽取倍数为1000倍，其中CIC滤波器抽取倍数为125，HB半带滤波器的抽取倍数为8倍。
然后，对抽取和滤波后的数据进行原型滤波，得到同相路信号I和正交路信号Q。原型滤波器的形状决定了RBW的形状。原型滤波器采用FIR滤波器进行设计。由于经过抽取后的数据由采样率都统一抽取成了RBW的5倍，而FIR滤波器的归一化带宽为0.2，形状因子4.6：1，因此同一个FIR滤波器即可实现所有RBW带宽，从而简化了系统设计复杂度。
接着，原型滤波器后对同相路信号I和正交路信号Q进行包络检波，包络检波就是求模运算。公式为：
Figure 19135DEST_PATH_IMAGE004
其中，I为同相路信号，Q为正交路信号。
最后，通过求模运算即得到视频信号，然后需要进一步地对视频信号进行滤波处理，以抑制噪声的影响。视频滤波器采用FIR进行设计，设计方法同RBW原型滤波器。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，对中频信号进行ADC数字化；
步骤2，对步骤1数字化后的中频信号进行变频，并得到混频信号；
步骤3，对步骤2得到的混频信号通过滤波，得到两路正交的原始采样率的零中频信号：同相路零中频信号I1和正交路零中频信号Q1；
步骤4，根据RBW的带宽大小，对步骤3得到的同相路零中频信号I1和正交路零中频信号Q1的两路原始采样率的零中频信号分别进行抽取和滤波；
步骤5，对步骤4中抽取和滤波后的同相路零中频信号I1和正交路零中频信号Q1进行原型滤波，得到同相路信号I和正交路信号Q；
步骤6，对步骤5中得到的同相路信号I和正交路信号Q进行求模运算，并得到视频信号；
步骤7，对步骤6中所得的视频信号进行滤波处理。
2.根据权利要求1所述的频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法，其特征在于，步骤2中对步骤1数字化后的中频信号进行数字正交下变频，数字下变频的本振信号为：同相路本振信号NCO_I和正交路本振信号NCO_Q。
3.根据权利要求2所述的频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法，其特征在于，步骤2中的同相路本振信号NCO_I以及正交路本振信号NCO_Q的数学模型分别为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE001
Figure RE-395123DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE003
为本振信号数字化的归一化频率，n为本振信号数字化后的数据点计数。
4.根据权利要求1所述的频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法，其特征在于，步骤4中的多级CIC滤波器和HB半带滤波器对采样率的零中频信号抽取的倍数是RBW带宽的5倍。
5.根据权利要求1所述的频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法，其特征在于，步骤6中对同相路信号I和正交路信号Q两路信号进行求模运算的运算公式为：
Figure RE-380134DEST_PATH_IMAGE004
其中，I为同相路信号，Q为正交路信号。
6.根据权利要求1所述的频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法，其特征在于，步骤3中通过低通滤波对混频信号进行滤波，得到原始采样率的零中频信号。
7.根据权利要求1所述的频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法，其特征在于，步骤4中通过多级CIC滤波器和多级HB半带滤波器对原始采样率的零中频信号进行抽取和滤波。
8.根据权利要求1所述的频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法，其特征在于，步骤5中通过FIR滤波器对抽取和滤波后的同相路零中频信号I1和正交路零中频信号Q1进行原型滤波。
9.根据权利要求1所述的频谱仪采用数字信号处理实现RBW和VBW的方法，其特征在于，步骤7中采用FIR滤波器对视频信号进行滤波处理。
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