CN115792376A - 一种宽带频谱监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种宽带频谱监测系统及方法，包括射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块，射频信号处理模块将接收到的射频信号转换为中频信号发送至数字信号处理模块，数字信号处理模块对中频信号进行时域采样以及FFT变换形成频谱数据发送至接口信号处理模块，接口信号处理模块对频谱数据进行串并转换，将串并转换处理的频谱数据发送至控制计算机进行显示。通过将得到频谱数据之前的每一个步骤进行模块化，与现有技术的台式频谱分析仪相比，具有价格成本抵，体积、功耗以及重量小，便于在室外和现场的环境工作、具有较高的频率分辨率和接收灵敏度。
Description
技术领域
本申请涉及无线电信号处理技术领域，具体而言，涉及一种宽带频谱监测系统及方法。
背景技术
随着电子技术的不断发展和进步，无线电业务的应用领域迅速扩大，各种移动通信、卫星通信、广播电视、雷达导航、遥测遥控、射电天文等应用遍及国防、公共安全、商用和工业等各个部门，其业务量在日益增大。无线电业务的迅猛发展对无线电频谱的管理和监测提出了新的挑战和更高要求。
由于台式频谱分析仪向着更大的带宽和更高的性能发展，在现有的技术手段中主要是通过台式频谱分析仪对无线电频谱进行监测, 而台式的频谱仪主要用于实验室，研究所等室内环境，它主要的优点是工作频率范围大、实时捕获带宽大、实时分析能力强等。而缺点也很明显，即价格成本高，体积、功耗以及重量大，不便于在室外和现场的环境工作。此外，还有较低的频率分辨率和接收灵敏度等缺点。
因此，如何解决上述的问题成为本领域的技术人员不得不考虑的难题之一。
发明内容
本申请的目的在于，为了克服现有的技术缺陷，提供了一种宽带频谱监测系统及方法，通过将得到频谱数据的各个动作进行模块化，能够解决台式频谱分析仪存在的价格成本高，体积、功耗以及重量大，不便于在室外和现场的环境工作、较低的频率分辨率和接收灵敏度的问题。
本申请目的通过下述技术方案来实现：
第一方面，本申请提出了一种宽带频谱监测系统，所述宽带频谱监测系统包括射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块，射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块依次相连；
所述射频信号处理模块，用于将接收到的射频信号转换为中频信号，将所述中频信号发送至所述数字信号处理模块；
所述数字信号处理模块，用于对所述中频信号进行时域采样以及FFT变换形成频谱数据，将所述频谱数据发送至所述接口信号处理模块；
所述接口信号处理模块，用于对所述频谱数据进行串并转换，将串并转换处理的频谱数据发送至控制计算机进行显示。
可选的，所述射频信号处理模块包括射频接收通道、本振电路以及控制电路；
所述本振电路，用于产生混频功能的载波信号，将所述载波信号发送至所述射频接收通道；
所述控制电路，用于提供开关、混频、衰减功能的控制信号，将所述控制信号发送至所述射频接收通道；
所述射频接收通道，用于根据所述载波信号完成所述射频信号的混频功能，根据所述控制信号完成所述射频信号的开关、混频、衰减功能，输出中频信号。
可选的，所述本振电路包括锁相环电路、分倍频电路以及选择滤波电路；
所述锁相环电路，用于根据接收到的外部参考时钟信号产生本振源信号并发送至所述分倍频电路；
所述分倍频电路，用于根据所述本振源信号产生两组本振信号；
所述选择滤波电路，用于对所述两组本振信号进行谐波、杂散信号抑制。
可选的，所述本振电路产生的载波信号由所述控制电路通过SPI总线产生。
可选的，所述数字信号处理模块，用于将所述中频信号通过带通采样转换为数字信号，将中频信号通过数字本振进行下变频处理得到基带信号；
将所述基带信号分解为两路互相正交的IQ信号，对所述IQ信号做FFT变换，得到频谱数据。
可选的，所述接口信号处理模块包括FPGA；
所述FPGA，用于完成所述频谱数据的串并转换，根据通信协议将所述频谱数据转换为SRIO高速串行数据，将所述SRIO高速串行数据通过GTX接口发送至上位机显示。
可选的，所述接口信号处理模块还包括ARM；
所述ARM，用于通过CAN总线将射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块的自检状态信息上报至上位机显示。
第二方面，本申请提出了一种宽带频谱监测方法，应用于宽带频谱监测系统，所述宽带频谱监测系统，包括射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块，射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块依次相连；
通过所述射频信号处理模块将接收到的射频信号转换为中频信号，将所述中频信号发送至所述数字信号处理模块；
通过所述数字信号处理模块对所述中频信号进行时域采样以及FFT变换形成频谱数据，将所述频谱数据发送至所述接口信号处理模块；
通过所述接口信号处理模块对所述频谱数据进行串并转换，将串并转换处理的频谱数据发送至控制计算机进行显示。
可选的，所述射频信号处理模块包括射频接收通道、本振电路以及控制电路；
通过所述本振电路产生混频功能的载波信号，将所述载波信号发送至所述射频接收通道；
通过所述控制电路提供开关、混频、衰减功能的控制信号，将所述控制信号发送至所述射频接收通道；
通过所述射频接收通道根据所述载波信号完成所述射频信号的混频功能，根据所述控制信号完成所述射频信号的开关、混频、衰减功能，输出中频信号。
可选的，所述本振电路包括锁相环电路、分倍频电路以及选择滤波电路；
通过所述锁相环电路根据接收到的外部参考时钟信号产生本振源信号并发送至所述分倍频电路；
通过所述分倍频电路根据所述本振源信号产生两组本振信号；
通过所述选择滤波电路对所述两组本振信号进行谐波、杂散信号抑制。
上述本申请主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本申请可采用并要求保护的方案；且本申请，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本申请方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本申请所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本申请公开了一种宽带频谱监测系统及方法，包括射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块，射频信号处理模块将接收到的射频信号转换为中频信号发送至数字信号处理模块，数字信号处理模块对中频信号进行时域采样以及FFT变换形成频谱数据发送至接口信号处理模块，接口信号处理模块对频谱数据进行串并转换，将串并转换处理的频谱数据发送至控制计算机进行显示。通过将得到频谱数据之前的每一个步骤进行模块化，与现有技术的台式频谱分析仪相比，具有价格成本抵，体积、功耗以及重量小，便于在室外和现场的环境工作、具有较高的频率分辨率和接收灵敏度。
附图说明
图1示出了本申请实施例提供的宽带频谱监测系统的连接示意图。
图2示出了本申请实施例提供的数字信号处理模块的结构示意图。
图3示出了本申请实施例提出的接口信号处理模块的内部示意图。
图4示出了本申请实施例提供的一种宽带频谱监测方法的流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在现有技术中，由于台式频谱分析仪向着更大的带宽和更高的性能发展，在现有的技术手段中主要是通过台式频谱分析仪对无线电频谱进行监测, 而台式的频谱仪主要用于实验室，研究所等室内环境，它主要的优点是工作频率范围大、实时捕获带宽大、实时分析能力强等。而缺点也很明显，即价格成本高，体积、功耗以及重量大，不便于在室外和现场的环境工作。此外，还有较低的频率分辨率和接收灵敏度等缺点。因此，如何解决该问题成为本领域的技术人员不得不考虑的难题之一。
为了解决上述问题，本申请实施例提出了一种宽带频谱监测系统及方法，通过将得到频谱数据的各个动作进行模块化，能够解决台式频谱分析仪存在的价格成本高，体积、功耗以及重量大，不便于在室外和现场的环境工作、较低的频率分辨率和接收灵敏度的问题。接下来对其进行详细地说明。
请参照图1，图1示出了本申请实施例提供的宽带频谱监测系统的连接示意图，宽带频谱监测系统包括射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块，射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块依次相连。射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块之间的数据交换均通过模块间通信背板完成，各个模块通过不同的总线或者接口与模块间通信背板进行通信。
射频信号处理模块，用于将接收到的射频信号转换为中频信号，将中频信号发送至数字信号处理模块。
数字信号处理模块，用于对中频信号进行时域采样以及FFT变换形成频谱数据，将频谱数据发送至接口信号处理模块。
接口信号处理模块，用于对频谱数据进行串并转换，将串并转换处理的频谱数据发送至控制计算机进行显示。
其中射频信号处理模块通过超外差的接收架构将频率在10MHz～18GHz的射频信号转换为153.6MHz的中频信号，将该中频信号通过射频线缆送给数字信号处理模块，数字信号处理模块对中频信号进行时域采样、FFT变换等数据处理，形成频谱数据，通过并行总线送给接口信号处理模块。接口信号处理模将接收到的频谱数据进行并串转换，还可以进行通信协议转换和截位处理等数据处理之后，通过GTX总线送给控制计算机进行显示。
射频信号处理模块具备限幅、开关滤波、低噪声放大、混频、衰减、电压检测、温度检测等功能，其包括射频接收通道、本振电路以及控制电路，其中本振电路，用于产生混频功能的载波信号，将载波信号发送至射频接收通道。
控制电路，用于提供开关、混频、衰减等功能的控制信号，将控制信号发送至射频接收通道。
射频接收通道，用于根据载波信号完成射频信号的混频功能，根据控制信号完成射频信号的开关、混频、衰减等功能，输出符合要求的中频信号。
射频信号处理模块还能够接收外部的系统下发的频率信息，通过内部的FPGA对频率信息所处的频段下发相应的开关控制信号至射频通道，射频通道选择相应的接收通道进行滤波、放大。
频率为10MHz～18GHz的射频信号通过预选滤波器划分为8段，如表1所示：
表1
| 序号 | 频率范围 |
| 1 | 10MHz~700MHz |
| 2 | 700MHz~1GHz |
| 3 | 1GHz~1.7GHz |
| 4 | 1.7GHz~3GHz |
| 5 | 3GHz~4.5GHz |
| 6 | 4.5GHz~7.5GHz |
| 7 | 7.5GHz~12GHz |
| 8 | 12GHz~18GHz |
控制电路接收外部系统命令，控制射频接收通道的开关完成预选滤波器筛选，根据外部系统下发的接收频率信息，通过开关切换让射频信号进入相应频段筛选之后的预选滤波器，再通过SPI总线控制本振电路的载波信号，合作完成射频信号的一次和二次变频，预选滤波器形成3路信号频段经过放大、衰减、一次变频至3582MHz和2022MHz两组不同的频率，再经二次变频至中频信号153.6MHz。
本振电路包括锁相环电路、分倍频电路以及选择滤波电路。其中锁相环电路，用于根据接收到的外部参考时钟信号产生本振源信号并发送至分倍频电路。
分倍频电路，用于根据本振源信号产生两组本振信号。
选择滤波电路，用于对两组本振信号进行谐波、杂散信号抑制。
锁相环电路接收外部参考时钟信号，通过两路锁相环产生本振源信号，再通过分倍频电路产生3.5GHz至22GHz和1.87至3.74GHz的两组本振信号，滤波电路对其进行谐波、杂散信号抑制。此时本振电路为射频接收通道的混频器提供载波信号，一本振为3.5GHz至22GHz扫频信号（一次变频），二本振为1.87GHz和3.74GHz的电频信号（二次变频）。此外本振电路产生的载波信号频率由控制电路通过SPI总线发送指令产生。
数字信号处理模块，用于将中频信号通过带通采样转换为数字信号，将中频信号通过数字本振进行下变频处理得到基带信号，将基带信号分解为两路互相正交的IQ信号，对IQ信号做FFT变换，得到频谱数据。
数字信号处理模块具备AD采样、数据处理等功能，以FPGA为核心，包括ADC、DDR等器件，请参照图2，图2示出了本申请实施例提供的数字信号处理模块的结构示意图，射频信号处理模块将153.6MHz的中频信号发送至数字信号处理模块的ADC芯片B9643E完成带通采样转换为数字信号，通过FPGA数字下变频将中频信号与内部的数字正交本振混频变换到基带，同时将基带信号分解为互相正交的IQ分量。然后根据用户设置的实时分辨率带宽，对两路IQ信号进行变速率信号处理与数字滤波，降低信号的等效采样率。最后，两路基带信号在FPGA中做FFT变换，得到频谱数据，通过并口线传输给接口处理模块，接口处理模块通过GTX传输给上层进行显示。
接口信号处理模块包括FPGA和ARM，其中FPGA，用于完成频谱数据的串并转换，根据通信协议将频谱数据转换为SRIO高速串行数据，将SRIO高速串行数据通过GTX接口发送至上位机显示。
ARM，用于通过CAN总线将射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块的自检状态信息上报至上位机显示。
请参照图3，图3示出了本申请实施例提出的接口信号处理模块的内部示意图，接口信号处理模块以FPGA+ARM为核心，包括CAN收发器、MLVDS收发器等器件。
数字信号处理模块通过并行总线（16位数据线[D0:D15]和10位地址线[A0:A9]）将频谱数据传输给接口信号处理模块的FPGA，在其内部完成并串转换后，再根据通信协议转换为SRIO高速串行数据，通过GTX接口送给上位机显示。
数字信号处理模块通过并行总线（16位数据线[D0:D15]和10位地址线[A0:A9]）将其他模块的自检状态（电压、温度等）传输给接口信号处理模块的FPGA，FPGA通过SPI总线传给ARM；在ARM中完成CAN总线协议转换，再经过CAN收发器报给上位机。
经过测试，本申请实施例的宽带频谱监测系统的接收灵敏度为-95dBm（带宽25kHz下测试，信噪比≥8dB），超过-90dBm的设计目标。
下面给出一种宽带频谱监测方法可能的实现方式，其用于执行上述实施例及可能的实现方式中示出的宽带频谱监测系统各个执行步骤和相应技术效果。具体的，图4示出了本申请实施例提供的一种宽带频谱监测方法的流程示意图，该方法应用于上述的宽带频谱监测系统中，包括以下各个步骤。
S110、通过射频信号处理模块将接收到的射频信号转换为中频信号，将中频信号发送至数字信号处理模块。
S120、通过数字信号处理模块对中频信号进行时域采样以及FFT变换形成频谱数据，将频谱数据发送至接口信号处理模块。
S130、通过接口信号处理模块对频谱数据进行串并转换，将串并转换处理的频谱数据发送至控制计算机进行显示。
可选的，射频信号处理模块包括射频接收通道、本振电路以及控制电路；
通过本振电路产生混频功能的载波信号，将载波信号发送至射频接收通道；
通过控制电路提供开关、混频、衰减等功能的控制信号，将控制信号发送至射频接收通道；
通过射频接收通道根据载波信号完成射频信号的混频功能，根据控制信号完成射频信号的开关、混频、衰减等功能，输出中频信号。
可选的，本振电路包括锁相环电路、分倍频电路以及选择滤波电路；
通过锁相环电路根据接收到的外部参考时钟信号产生本振源信号并发送至分倍频电路；
通过分倍频电路根据本振源信号产生两组本振信号；
通过选择滤波电路对两组本振信号进行谐波、杂散信号抑制。
本申请公开了一种宽带频谱监测系统及方法，包括射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块，射频信号处理模块将接收到的射频信号转换为中频信号发送至数字信号处理模块，数字信号处理模块对中频信号进行时域采样以及FFT变换形成频谱数据发送至接口信号处理模块，接口信号处理模块对频谱数据进行串并转换，将串并转换处理的频谱数据发送至控制计算机进行显示。通过将得到频谱数据之前的每一个步骤进行模块化，与现有技术的台式频谱分析仪相比，具有价格成本抵，体积、功耗以及重量小，便于在室外和现场的环境工作、具有较高的频率分辨率和接收灵敏度。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种宽带频谱监测系统，其特征在于，所述宽带频谱监测系统包括射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块，所述射频信号处理模块、所述数字信号处理模块以及所述接口信号处理模块依次相连；
所述射频信号处理模块，用于将接收到的射频信号转换为中频信号，将所述中频信号发送至所述数字信号处理模块；
所述数字信号处理模块，用于对所述中频信号进行时域采样以及FFT变换形成频谱数据，将所述频谱数据发送至所述接口信号处理模块；
所述接口信号处理模块，用于对所述频谱数据进行串并转换，将串并转换处理的频谱数据发送至控制计算机进行显示。
2.如权利要求1所述的宽带频谱监测系统，其特征在于，所述射频信号处理模块包括射频接收通道、本振电路以及控制电路；
所述本振电路，用于产生混频功能的载波信号，将所述载波信号发送至所述射频接收通道；
所述控制电路，用于提供开关、混频、衰减功能的控制信号，将所述控制信号发送至所述射频接收通道；
所述射频接收通道，用于根据所述载波信号完成所述射频信号的混频功能，根据所述控制信号完成所述射频信号的开关、混频、衰减功能，输出中频信号。
3.如权利要求2所述的宽带频谱监测系统，其特征在于，所述本振电路包括锁相环电路、分倍频电路以及选择滤波电路；
所述锁相环电路，用于根据接收到的外部参考时钟信号产生本振源信号并发送至所述分倍频电路；
所述分倍频电路，用于根据所述本振源信号产生两组本振信号；
所述选择滤波电路，用于对所述两组本振信号进行谐波、杂散信号抑制。
4.如权利要求2所述的宽带频谱监测系统，其特征在于，所述本振电路产生的载波信号由所述控制电路通过SPI总线产生。
5.如权利要求1所述的宽带频谱监测系统，其特征在于，所述数字信号处理模块，用于将所述中频信号通过带通采样转换为数字信号，将中频信号通过数字本振进行下变频处理得到基带信号；
将所述基带信号分解为两路互相正交的IQ信号，对所述IQ信号做FFT变换，得到频谱数据。
6.如权利要求1所述的宽带频谱监测系统，其特征在于，所述接口信号处理模块包括FPGA；
所述FPGA，用于完成所述频谱数据的串并转换，根据通信协议将所述频谱数据转换为SRIO高速串行数据，将所述SRIO高速串行数据通过GTX接口发送至上位机显示。
7.如权利要求1所述的宽带频谱监测系统，其特征在于，所述接口信号处理模块还包括ARM；
所述ARM，用于通过CAN总线将射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块的自检状态信息上报至上位机显示。
8.一种宽带频谱监测方法，其特征在于，应用于宽带频谱监测系统，所述宽带频谱监测系统，包括射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块，射频信号处理模块、数字信号处理模块以及接口信号处理模块依次相连；
通过所述射频信号处理模块将接收到的射频信号转换为中频信号，将所述中频信号发送至所述数字信号处理模块；
通过所述数字信号处理模块对所述中频信号进行时域采样以及FFT变换形成频谱数据，将所述频谱数据发送至所述接口信号处理模块；
通过所述接口信号处理模块对所述频谱数据进行串并转换，将串并转换处理的频谱数据发送至控制计算机进行显示。
9.如权利要求8所述的宽带频谱监测方法，其特征在于，所述射频信号处理模块包括射频接收通道、本振电路以及控制电路；
通过所述本振电路产生混频功能的载波信号，将所述载波信号发送至所述射频接收通道；
通过所述控制电路提供开关、混频、衰减功能的控制信号，将所述控制信号发送至所述射频接收通道；
通过所述射频接收通道根据所述载波信号完成所述射频信号的混频功能，根据所述控制信号完成所述射频信号的开关、混频、衰减功能，输出中频信号。
10.如权利要求9所述的宽带频谱监测方法，其特征在于，所述本振电路包括锁相环电路、分倍频电路以及选择滤波电路；
通过所述锁相环电路根据接收到的外部参考时钟信号产生本振源信号并发送至所述分倍频电路；
通过所述分倍频电路根据所述本振源信号产生两组本振信号；
通过所述选择滤波电路对所述两组本振信号进行谐波、杂散信号抑制。
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