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全數(shù)字中頻頻譜分析儀及頻譜分析方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種全數(shù)字中頻頻譜分析儀及頻譜分析方法。該全數(shù)字中頻頻譜分析儀包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、正交數(shù)字下變頻器、中頻帶寬濾波器、鑒幅鑒相器、頻率計數(shù)器、視頻濾波器、采樣率提升模塊、檢波器、快速掃描補償模塊和控制及顯示模塊。本發(fā)明中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可采用較低成本的中低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬中頻信號進(jìn)行采樣后，后續(xù)通過單片的FPGA就可實現(xiàn)整個的數(shù)字中頻頻譜分析，成本低廉，調(diào)試方便，經(jīng)過實際生產(chǎn)測試，穩(wěn)定性高。采用本發(fā)明可以實現(xiàn)1Hz~1MHz的分析帶寬。
【專利說明】全數(shù)字中頻頻譜分析儀及頻譜分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種頻譜分析儀，具體地說是一種全數(shù)字中頻頻譜分析儀及頻譜分析 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 頻譜分析儀是研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號失真度、調(diào)制度、譜純度、頻 率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)的測量，可用于測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參 數(shù)，是一種多用途的電子測量儀器。頻譜分析儀按對信號的分析處理方式可分為模擬式頻 譜分析儀和數(shù)字式頻譜分析儀。
[0003] 模擬式頻譜分析儀采用濾波器或混頻器將被分析信號中各頻率分量逐一分離，再 配合后續(xù)的檢波得到信號的頻譜。中頻電路全部采用模擬器件，因而精度低、一致性差、體 積大；且其性能隨溫度變化，受環(huán)境影響較大，當(dāng)溫度、濕度變化時，整機的性能下降嚴(yán)重， 難以滿足進(jìn)一步減小體積和功耗的要求。
[0004] 數(shù)字式頻譜分析儀采用數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing, DSP)的方 法來完成信號的頻譜分析。數(shù)字式頻譜分析儀相比模擬式頻譜分析儀來說，具有分析速度 快、分析精度高的優(yōu)點；而且，數(shù)字式頻譜分析儀還可以通過DSP算法來擴(kuò)展頻譜分析儀的 功能，因此，越來越多的頻譜分析儀都采用數(shù)字式的實現(xiàn)方式。
[0005] 現(xiàn)有的數(shù)字式頻譜分析儀使用較多的是全數(shù)字實時快速傅氏變換（Fast Fourier Transformation, FFT)頻譜分析儀。全數(shù)字實時FFT頻譜分析儀首先通過ADC (模數(shù)轉(zhuǎn)換 器）對整個頻段的模擬信號進(jìn)行采樣，之后進(jìn)行FFT運算，得到被測信號的頻域信息。這種 頻譜分析儀有兩種實現(xiàn)方式，第一種實現(xiàn)方式是把高頻信號經(jīng)過混頻搬移到低頻，然后經(jīng) 過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，對一小段頻譜進(jìn)行FFT運算，得到一段頻譜；通過多次頻譜搬移和FFT運 算，可以得到整個頻段內(nèi)的頻譜信息。第二種實現(xiàn)方式是直接對射頻信號進(jìn)行采樣，實時進(jìn) 行FFT運算，得到整個頻段內(nèi)的頻譜信息。這兩種實現(xiàn)方式都需要高速的ADC和運算能力 超強的DSP處理器，因此成本較高。而且，如果要實現(xiàn)比較窄的分析帶寬（Resolution Band Width，RBW)(例如1Hz)，需要非常大的存儲空間，實現(xiàn)起來難度較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的之一就是提供一種全數(shù)字中頻頻譜分析儀，以解決現(xiàn)有的全數(shù)字實 時FFT頻譜分析儀成本高以及實現(xiàn)窄分析帶寬難度大的問題。
[0007] 本發(fā)明的目的之二就是提供一種全數(shù)字中頻頻譜分析方法，以較低的成本實現(xiàn)對 中頻信號的頻譜分析，且能比較容易實現(xiàn)窄分析帶寬。
[0008] 本發(fā)明的目的之一是這樣實現(xiàn)的：一種全數(shù)字中頻頻譜分析儀，包括：
[0009] 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，與正交數(shù)字下變頻器相接，用于對模擬中頻信號進(jìn)行采樣并進(jìn)行模 數(shù)轉(zhuǎn)換以得到數(shù)字中頻信號；
[0010] 正交數(shù)字下變頻器，分別與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器和中頻帶寬濾波器相接，用于產(chǎn)生兩 路正交信號，并將所產(chǎn)生的兩路正交信號與所述數(shù)字中頻信號混頻，以得到零中頻的寬帶 復(fù)基帶信號S ;其中，s = sr+j*si ; toon] 中頻帶寬濾波器，分別與所述正交數(shù)字下變頻器和鑒幅鑒相器相接，用于對所述 寬帶復(fù)基帶信號S進(jìn)行濾波，以得到窄帶復(fù)基帶信號S';其中，S' =sr' +j*si';
[0012] 鑒幅鑒相器，分別與所述中頻帶寬濾波器、視頻濾波器和頻率計數(shù)器相接，用于 對所述窄帶復(fù)基帶信號V進(jìn)行振幅和相角的運算，以得出基帶包絡(luò)信號和復(fù)基帶相位信 號；
[0013] 頻率計數(shù)器，分別與所述鑒幅鑒相器和控制及顯示模塊相接，用于對所述復(fù)基帶 相位信號進(jìn)行計數(shù)運算，以得出寬帶復(fù)基帶信號s的頻率值；
[0014] 視頻濾波器，分別與所述鑒幅鑒相器和采樣率提升模塊相接，用于對所述基帶包 絡(luò)信號進(jìn)行濾波處理，以得到濾波后基帶包絡(luò)信號；
[0015] 采樣率提升模塊，分別與所述視頻濾波器和檢波器相接，用于將所述濾波后基帶 包絡(luò)信號的采樣率進(jìn)行提升，以得到高采樣率基帶包絡(luò)信號；
[0016] 檢波器，分別與所述采樣率提升模塊和快速掃描補償模塊相接，用于對所述高采 樣率基帶包絡(luò)信號進(jìn)行檢波，以得到檢波后基帶包絡(luò)信號；
[0017] 快速掃描補償模塊，分別與所述檢波器和控制及顯示模塊相接，用于對所述檢波 后基帶包絡(luò)信號進(jìn)行補償，以得到補償后基帶包絡(luò)信號；以及
[0018] 控制及顯示模塊，分別與所述頻率計數(shù)器和所述快速掃描補償模塊相接，用于接 收所述寬帶復(fù)基帶信號S的頻率值和所述補償后基帶包絡(luò)信號并進(jìn)行顯示。
[0019] 所述中頻帶寬濾波器包括：
[0020] 第一 CIC抽取濾波器，其輸出端與第二CIC抽取濾波器的輸入端相接，用于實現(xiàn) 3?1000倍的抽取速率；
[0021] 第二CIC抽取濾波器，其輸入端與所述第一 CIC抽取濾波器的輸出端相接，其輸出 端與高斯FIR濾波器的輸入端相接，用于實現(xiàn)1?3000倍的抽取速率；以及
[0022] 高斯FIR濾波器，其輸入端與所述第二CIC抽取濾波器的輸出端相接。
[0023] 所述視頻濾波器包括：
[0024] 第三CIC抽取濾波器，其輸出端與第四CIC抽取濾波器的輸入端相接，用于實現(xiàn) 1?1000倍的抽取速率；
[0025] 第四CIC抽取濾波器，其輸入端與所述第三CIC抽取濾波器的輸出端相接，其輸出 端與FIR濾波器的輸入端相接，用于實現(xiàn)1?3000倍的抽取速率；以及
[0026] FIR濾波器，其輸入端與所述第四CIC抽取濾波器的輸出端相接。
[0027] 所述采樣率提升模塊包括第一 CIC內(nèi)插濾波器和第二CIC內(nèi)插濾波器，所述第一 CIC內(nèi)插濾波器的輸出端與所述第二CIC內(nèi)插濾波器的輸入端相接。
[0028] 本發(fā)明中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器無需采用成本較高的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，只需使用成本較低 的中低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器即可；而且，正交數(shù)字下變頻器、中頻帶寬濾波器、鑒幅鑒相器、頻率計 數(shù)器、視頻濾波器、采樣率提升模塊、檢波器和快速掃描補償模塊均是基于現(xiàn)場可編程邏輯 門陣列（FPGA)來實現(xiàn)的，因此，本發(fā)明通過單片的FPGA就可以實現(xiàn)整個數(shù)字中頻頻譜分 析，成本低廉，調(diào)試方便，經(jīng)過實際生產(chǎn)測試，穩(wěn)定性高。采用本發(fā)明可以實現(xiàn)1Hz?1MHz 的分析帶寬，1Hz的分析帶寬即為比較窄的分析帶寬。
[0029] 通過采樣率提升模塊來提升視頻濾波器輸出信號的速率（或稱采樣率），可以輕 易地擴(kuò)展檢波器的點數(shù)。在實際設(shè)計中，可以把速率提升到30?45. 5MHz，很容易擴(kuò)展實現(xiàn) 10000個點的檢波點數(shù)。
[0030] 通過快速掃描補償模塊對中頻帶寬濾波器中的高斯FIR濾波器和視頻濾波器中 的FIR濾波器的衰減進(jìn)行補償，可降低儀器的RBW切換誤差，理論上可以達(dá)到零切換誤差。
[0031] 本發(fā)明的目的之二是這樣實現(xiàn)的：一種全數(shù)字中頻頻譜分析方法，包括如下步 驟：
[0032] a、采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬中頻信號進(jìn)行采樣并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以得到數(shù)字中頻信 號；
[0033] b、由正交數(shù)字下變頻器產(chǎn)生兩路正交信號，所述兩路正交信號與所述數(shù)字中頻信 號混頻，得到零中頻的寬帶復(fù)基帶信號s ;其中，s = sr+j*si ;
[0034] c、采用中頻帶寬濾波器對所述寬帶復(fù)基帶信號s進(jìn)行濾波，得到窄帶復(fù)基帶信號 s' ；其中，s' =sr' +j*si' ；
[0035] d、由鑒幅鑒相器對所述窄帶復(fù)基帶信號s'進(jìn)行振幅和相角的運算，以得出基帶 包絡(luò)信號和復(fù)基帶相位信號；
[0036] e、由頻率計數(shù)器對所述復(fù)基帶相位信號進(jìn)行計數(shù)運算，以得出寬帶復(fù)基帶信號S 的頻率值；
[0037] f、由視頻濾波器對所述基帶包絡(luò)信號進(jìn)行濾波處理，以得出濾波后基帶包絡(luò)信 號；
[0038] g、采用采樣率提升模塊對所述濾波后基帶包絡(luò)信號的采樣率進(jìn)行提升，以得到高 采樣率基帶包絡(luò)信號；
[0039] h、采用檢波器對所述高采樣率基帶包絡(luò)信號進(jìn)行檢波，以得到檢波后基帶包絡(luò)信 號；
[0040] i、采用快速掃描補償模塊對所述檢波后基帶包絡(luò)信號進(jìn)行補償，以得到補償后基 帶包絡(luò)信號；
[0041] j、通過控制及顯示模塊對所述寬帶復(fù)基帶信號s的頻率值和所述補償后基帶包 絡(luò)信號進(jìn)行顯示。
[0042] 所述步驟c具體包括如下步驟：
[0043] cl、第一 CIC抽取濾波器接收所述寬帶復(fù)基帶信號s，并實現(xiàn)3?1000倍的抽取速 率；
[0044] c2、第二CIC抽取濾波器接收所述第一 CIC抽取濾波器輸出的信號，并實現(xiàn)1? 3000倍的抽取速率；
[0045] c3、高斯FIR濾波器接收所述第二CIC抽取濾波器輸出的信號并進(jìn)行濾波處理，以 得到窄帶復(fù)基帶信號V 。
[0046] 所述步驟f具體包括如下步驟：
[0047] Π 、第三CIC抽取濾波器接收所述基帶包絡(luò)信號，并實現(xiàn)1?1000倍的抽取速率；
[0048] f2、第四CIC抽取濾波器接收所述第三CIC抽取濾波器輸出的信號，并實現(xiàn)1? 3000倍的抽取速率；
[0049] f3、FIR濾波器接收所述第四CIC抽取濾波器輸出的信號并進(jìn)行濾波處理，以得到 濾波后基帶包絡(luò)信號。
[0050] 本發(fā)明所提供的方法，可采用中低速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬中頻信號進(jìn)行采樣，后 續(xù)可通過單片的FPGA實現(xiàn)全數(shù)字中頻頻譜分析，成本低廉，調(diào)試方便，穩(wěn)定性高，采用本發(fā) 明可實現(xiàn)1Hz?1MHz的分析帶寬。通過采樣率提升模塊提升視頻濾波器輸出信號的速率， 可輕易地擴(kuò)展檢波器的點數(shù)。通過快速掃描補償模塊對中頻帶寬濾波器中的高斯FIR濾波 器和視頻濾波器中的FIR濾波器的衰減進(jìn)行補償，可降低儀器的RBW切換誤差。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0051] 圖1是本發(fā)明所提供的全數(shù)字中頻頻譜分析儀的結(jié)構(gòu)框圖。
[0052] 圖2是圖1中中頻帶寬濾波器的結(jié)構(gòu)框圖。
[0053] 圖3是圖1中視頻濾波器的結(jié)構(gòu)框圖。
[0054] 圖4是圖1中采樣率提升模塊的結(jié)構(gòu)框圖。
[0055] 圖5是圖1中檢波器的結(jié)構(gòu)框圖。

【具體實施方式】
[0056] 實施例1，一種全數(shù)字中頻頻譜分析儀。
[0057] 如圖1所示，本發(fā)明所提供的全數(shù)字中頻頻譜分析儀包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、正交數(shù)字 下變頻器、中頻帶寬濾波器、鑒幅鑒相器、頻率計數(shù)器、視頻濾波器、采樣率提升模塊、檢波 器、快速掃描補償模塊和控制及顯示模塊。
[0058] 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與正交數(shù)字下變頻器的輸入端相接，其輸入端連接模擬中頻 信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于對模擬中頻信號進(jìn)行采樣并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以得到數(shù)字中頻信號。本 發(fā)明中所用模數(shù)轉(zhuǎn)換器一般為中低速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，例如采用60MHz (中速）或20MHz (低 速）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這種中低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的成本較低。
[0059] 正交數(shù)字下變頻器的輸入端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端，其輸出端連接中頻帶寬濾 波器的輸入端。正交數(shù)字下變頻器的振蕩頻率與模擬中頻信號的頻率相等。正交數(shù)字下變 頻器產(chǎn)生兩路正交信號，分別為同相信號和正交信號。所產(chǎn)生的兩路正交信號與模數(shù)轉(zhuǎn)換 器輸出的數(shù)字中頻信號進(jìn)行混頻，得到零中頻的寬帶復(fù)基帶信號s，其中，s = sr+j*si，sr 為同相基帶信號，si為正交基帶信號。該寬帶復(fù)基帶信號s的幅度就反應(yīng)了模擬中頻信號 的頻譜信息。
[0060] 正交數(shù)字下變頻器的輸出送入中頻帶寬濾波器，由中頻帶寬濾波器實現(xiàn)儀器所需 的各種中頻帶寬濾波。參考圖2,本發(fā)明中的中頻帶寬濾波器包括第一CIC(級聯(lián)積分梳狀） 抽取濾波器、第二CIC抽取濾波器和Gaussian (高斯）FIR(有限長單位沖激響應(yīng)）濾波器。 第一 CIC抽取濾波器和第二CIC抽取濾波器均可以為5階CIC抽取濾波器。第一 CIC抽取 濾波器接收正交數(shù)字下變頻器輸出的寬帶復(fù)基帶信號s，并實現(xiàn)3?1000倍的抽取速率； 第一 CIC抽取濾波器的輸出送入第二CIC抽取濾波器。第二CIC抽取濾波器接收第一 CIC 抽取濾波器輸出的信號，并實現(xiàn)1?3000倍的抽取速率，第一 CIC抽取濾波器和第二CIC 抽取濾波器級聯(lián)實現(xiàn)3?3000000倍的抽取速率；第二CIC抽取濾波器的輸出送入高斯FIR 濾波器。高斯FIR濾波器接收第二CIC抽取濾波器輸出的信號并進(jìn)行濾波處理，實現(xiàn)精確 的RBW(3dB帶寬）及形狀因子（60dB帶寬與3dB帶寬之比），最終輸出濾波后的降低了采 樣率和帶寬的窄帶復(fù)基帶信號s';其中，s' =sr' +j*si'，sy為濾波后的同相基帶信 號，si'為濾波后的正交基帶信號。
[0061] 中頻帶寬濾波器的輸出送入鑒幅鑒相器，本發(fā)明中的鑒幅鑒相器為 CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer,坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算方法）鑒幅鑒相器， 該鑒幅鑒相器依據(jù)C0RDIC算法，對窄帶復(fù)基帶信號s'進(jìn)行振幅和相角的運算，得出基帶 包絡(luò)信號和復(fù)基帶相位信號。基帶包絡(luò)信號被送入視頻濾波器，復(fù)基帶相位信號被送入頻 率計數(shù)器。
[0062] 頻率計數(shù)器接收由鑒幅鑒相器輸出的復(fù)基帶相位信號并進(jìn)行計數(shù)運算，以得出 窄帶復(fù)基帶信號s'的頻率值（或?qū)拵?fù)基帶信號s的頻率值，兩者相等）。窄帶復(fù)基 帶信號S'的頻率值可以為正，也可以為負(fù)；需要頻率計數(shù)器能夠判別。頻率計數(shù)器的具 體工作原理為：在計數(shù)器開始工作前，將計數(shù)器清0 ;對于每一個窄帶復(fù)基帶信號s '= +j*si/的周期，判斷si'的相位是超前還是滯后sr';如果si'相位超前sr',則 計數(shù)器減1 ;如果si'相位滯后sr'，則計數(shù)器加1。待所設(shè)定的若干計數(shù)周期都計數(shù)完成 后，計數(shù)過程結(jié)束，最終所得計數(shù)值為中頻偏差；之后由頻率計數(shù)器進(jìn)行相應(yīng)運算，可得出 窄帶復(fù)基帶信號V (或?qū)拵?fù)基帶信號s)的頻率值。頻率計數(shù)器輸出的窄帶復(fù)基帶信號 V (或?qū)拵?fù)基帶信號s)的頻率值送至控制及顯示模塊。
[0063] 如圖3所示，視頻濾波器包括第三CIC抽取濾波器、第四CIC抽取濾波器和FIR濾 波器。第三CIC抽取濾波器和第四CIC抽取濾波器均可以為5階CIC抽取濾波器。第三 CIC抽取濾波器接收由鑒幅鑒相器輸出的基帶包絡(luò)信息，并實現(xiàn)1?1000倍的抽取速率； 第三CIC抽取濾波器的輸出送入第四CIC抽取濾波器。第四CIC抽取濾波器接收第三CIC 抽取濾波器輸出的信號，并實現(xiàn)1?3000倍的抽取速率；第四CIC抽取濾波器的輸出送入 FIR濾波器。FIR濾波器接收第四CIC抽取濾波器輸出的信號并進(jìn)行濾波處理，得到濾波后 基帶包絡(luò)信號，該濾波后基帶包絡(luò)信號其實就是對噪聲進(jìn)行了抑制后的基帶包絡(luò)信號，以 滿足頻譜分析儀整機的視頻帶寬指標(biāo)需求。FIR濾波器的輸出送入采樣率提升模塊。
[0064] 采樣率提升模塊是為了滿足后面檢波器的需要。當(dāng)視頻濾波器工作在10Hz時，若 放大倍數(shù)為15,則數(shù)據(jù)的總體采樣率只有150Hz左右。如果掃描時間設(shè)置為ls，檢波器的 采樣點數(shù)設(shè)置為3001點，則Is內(nèi)的總點數(shù)150〈〈3001，因此需要提升采樣率。如圖4所示， 采樣率提升模塊包括第一 CIC內(nèi)插濾波器和第二CIC內(nèi)插濾波器，這兩個CIC內(nèi)插濾波器 可以均為5階CIC內(nèi)插濾波器。第一 CIC內(nèi)插濾波器的輸入端與FIR濾波器的輸出端（或 視頻濾波器的輸出端）相接，第一 CIC內(nèi)插濾波器的輸出端與第二CIC內(nèi)插濾波器的輸入 端相接。由視頻濾波器輸出的濾波后基帶包絡(luò)信號為低速率（或稱低采樣率）信號，該低 速率信號通過采樣率提升模塊后，在第一 CIC內(nèi)插濾波器和第二CIC內(nèi)插濾波器的作用下， 得到高采樣率基帶包絡(luò)信號，以滿足后面檢波器對數(shù)據(jù)速率的需求。
[0065] 檢波器是為了完成頻譜儀需要的各種檢波方式，每一種檢波方式均由一組專門的 檢波電路組成。如圖5所示，檢波器包括信號驅(qū)動器、信號選擇器和六路檢波電路。由采 樣率提升模塊輸出的高采樣率基帶包絡(luò)信號首先進(jìn)入信號驅(qū)動器，由信號驅(qū)動器將高采樣 率基帶包絡(luò)信號分別分到六個不同的檢波電路，對高采樣率基帶包絡(luò)信號分別進(jìn)行正峰值 檢波、負(fù)峰值檢波、抽樣檢波、正常檢波、電壓平均值檢波和有效值平均檢波；六路檢波電路 的輸出送入信號選擇器，由信號選擇器根據(jù)頻譜儀的需要輸出其中一種檢波后基帶包絡(luò)信 號。檢波器輸出的檢波后基帶包絡(luò)信號送入快速掃描補償模塊。
[0066] 快速掃描補償模塊是為了對檢波器的輸出進(jìn)行幅度補償。當(dāng)快速掃描時，中頻帶 寬濾波器中的高斯FIR濾波器和視頻濾波器中的FIR濾波器，都會對被測中頻信號的幅度 進(jìn)行衰減。兩個FIR濾波器都是低通濾波器，在直流處的增益為1，即當(dāng)輸入信號是直流的 時候，F(xiàn)IR濾波器的輸出也是等幅度的直流。但中頻帶寬濾波器中高斯FIR濾波器的輸入 信號是一個掃頻信號，視頻濾波器中FIR濾波器的輸入信號是一個包絡(luò)為中頻帶寬濾波器 中高斯FIR濾波器沖擊響應(yīng)的信號，兩個輸入信號都不是直流，首先生成這兩個FIR濾波 器輸入信號的模擬信號，之后使所生成的模擬信號分別與對應(yīng)FIR濾波器的沖擊響應(yīng)求卷 積，最后再將兩個卷積進(jìn)行求和，即得到需要的補償值。根據(jù)該補償值對檢波器輸出的檢波 后基帶包絡(luò)信號進(jìn)行補償，得到補償后基帶包絡(luò)信號。
[0067] 控制及顯示模塊可以由CPU控制器及LCD顯示屏組成。快速掃描補償模塊輸出的 補償后基帶包絡(luò)信號和頻率計數(shù)器輸出的窄帶復(fù)基帶信號s'(或?qū)拵?fù)基帶信號s)的頻 率值均送入控制及顯示模塊，在CPU控制器的控制下，由IXD顯示屏對補償后基帶包絡(luò)信號 和窄帶復(fù)基帶信號V (或?qū)拵?fù)基帶信號s)的頻率值進(jìn)行顯示。
[0068] 實施例2, 一種全數(shù)字中頻頻譜分析方法。
[0069] 結(jié)合圖1?圖5,本發(fā)明所提供的全數(shù)字中頻頻譜分析方法包括如下步驟：
[0070] a、采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬中頻信號進(jìn)行采樣并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以得到數(shù)字中頻信 號。
[0071] 模數(shù)轉(zhuǎn)換器為中低速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，例如可以為60MHz (中速）或20MHz (低速） 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這種中低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的成本較低。
[0072] b、由正交數(shù)字下變頻器產(chǎn)生兩路正交信號，所產(chǎn)生的兩路正交信號與模數(shù)轉(zhuǎn)換器 輸出的數(shù)字中頻信號進(jìn)行混頻，得到零中頻的寬帶復(fù)基帶信號s ;其中，s = sr+j*si。
[0073] 正交數(shù)字下變頻器的振蕩頻率與模擬中頻信號的頻率相等。正交數(shù)字下變頻器所 產(chǎn)生的兩路正交信號分別為同相信號和正交信號。兩路正交信號與模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字 中頻信號混頻后，得到零中頻的寬帶復(fù)基帶信號s = sr+j*si，其中，sr為同相基帶信號，si 為正交基帶信號。該寬帶復(fù)基帶信號s的幅度就反應(yīng)了模擬中頻信號的頻譜信息。
[0074] c、采用中頻帶寬濾波器對寬帶復(fù)基帶信號s進(jìn)行濾波，得到窄帶復(fù)基帶信號s'; 其中，s' = sr' +j*si '。
[0075] 中頻帶寬濾波器包括依序連接的第一 CIC抽取濾波器、第二CIC抽取濾波器和高 斯FIR濾波器。第一 CIC抽取濾波器和第二CIC抽取濾波器可以均為5階CIC抽取濾波器。 第一 CIC抽取濾波器可實現(xiàn)3?1000倍的抽取速率，第二CIC抽取濾波器可實現(xiàn)1?3000 倍的抽取速率；第一 CIC抽取濾波器和第二CIC抽取濾波器級聯(lián)實現(xiàn)3?3000000倍的抽 取速率；寬帶復(fù)基帶信號s經(jīng)過兩級CIC抽取濾波器后降低了采樣率；之后經(jīng)過高斯FIR濾 波器實現(xiàn)精確的RBW及形狀因子，最終輸出濾波后的降低了采樣率和帶寬的窄帶復(fù)基帶信 號s';其中，s' =sr' +j*si'，sr'為濾波后的同相基帶信號，si'為濾波后的正交基 帶信號。
[0076] d、由鑒幅鑒相器對窄帶復(fù)基帶信號s'進(jìn)行振幅和相角的運算，以得出基帶包絡(luò) 信號和復(fù)基帶相位信號。
[0077] 鑒幅鑒相器為C0RDIC鑒幅鑒相器，該鑒幅鑒相器依據(jù)C0RDIC算法，對窄帶復(fù)基帶 信號S'進(jìn)行振幅和相角的運算，得出基帶包絡(luò)信號和復(fù)基帶相位信號。基帶包絡(luò)信號被送 入視頻濾波器，復(fù)基帶相位信號被送入頻率計數(shù)器。
[0078] e、由頻率計數(shù)器對復(fù)基帶相位信號進(jìn)行計數(shù)運算，以得出寬帶復(fù)基帶信號s的頻 率值。
[0079] 寬帶復(fù)基帶信號s的頻率值和窄帶復(fù)基帶信號s'的頻率值相等。窄帶復(fù)基帶 信號s'的頻率值可以為正，也可以為負(fù)；需要頻率計數(shù)器能夠判別。頻率計數(shù)器的具 體工作原理為：在計數(shù)器開始工作前，將計數(shù)器清〇 ;對于每一個窄帶復(fù)基帶信號s '= +j*si/的周期，判斷si'的相位是超前還是滯后sr';如果si'相位超前sr',則 計數(shù)器減1 ;如果si'相位滯后sr'，則計數(shù)器加1。待所設(shè)定的若干計數(shù)周期都計數(shù)完成 后，計數(shù)過程結(jié)束，最終所得計數(shù)值為中頻偏差；之后由頻率計數(shù)器進(jìn)行相應(yīng)運算，可得出 寬帶復(fù)基帶信號s (或窄帶復(fù)基帶信號V )的頻率值。由頻率計數(shù)器輸出的寬帶復(fù)基帶信 號s的頻率值送至控制及顯示模塊。
[0080] f、由視頻濾波器對基帶包絡(luò)信號進(jìn)行濾波處理，以得到濾波后基帶包絡(luò)信號。
[0081] 視頻濾波器包括依序連接的第三CIC抽取濾波器、第四CIC抽取濾波器和FIR濾 波器。第三CIC抽取濾波器和第四CIC抽取濾波器可以均為5階CIC抽取濾波器。第三 CIC抽取濾波器接收由鑒幅鑒相器輸出的基帶包絡(luò)信號，并實現(xiàn)1?1000倍的抽取速率； 第三CIC抽取濾波器的輸出送入第四CIC抽取濾波器。第四CIC抽取濾波器接收第三CIC 抽取濾波器輸出的信號，并實現(xiàn)1?3000倍的抽取速率；第四CIC抽取濾波器的輸出送入 FIR濾波器。FIR濾波器接收第四CIC抽取濾波器輸出的信號并進(jìn)行濾波處理，得到濾波后 基帶包絡(luò)信號，以滿足頻譜分析儀整機的視頻帶寬指標(biāo)需求。FIR濾波器的輸出送入采樣率 提升1?塊。
[0082] g、采用采樣率提升模塊對由視頻濾波器輸出的濾波后基帶包絡(luò)信號的采樣率進(jìn) 行提升，得到高采樣率基帶包絡(luò)信號。
[0083] 當(dāng)視頻濾波器工作在10Hz時，若放大倍數(shù)為15,則數(shù)據(jù)的總體采樣率只有150Hz 左右。如果掃描時間設(shè)置為ls，檢波器的采樣點數(shù)設(shè)置為3001點，則Is內(nèi)的總點數(shù) 150〈〈3001，因此需要提升采樣率。采樣率提升模塊包括第一 CIC內(nèi)插濾波器和第二CIC內(nèi) 插濾波器，這兩個CIC內(nèi)插濾波器可以均為5階CIC內(nèi)插濾波器。第一 CIC內(nèi)插濾波器的輸 入端與視頻濾波器的輸出端相接，第一 CIC內(nèi)插濾波器的輸出端與第二CIC內(nèi)插濾波器的 輸入端相接。由視頻濾波器輸出的濾波后基帶包絡(luò)信號為低速率（或稱低采樣率）信號， 該低速率信號通過采樣率提升模塊后，在第一 CIC內(nèi)插濾波器和第二CIC內(nèi)插濾波器的作 用下，得到高采樣率基帶包絡(luò)信號，以滿足后面檢波器對數(shù)據(jù)速率的需求。
[0084] h、采用檢波器對由采樣率提升模塊輸出的高采樣率基帶包絡(luò)信號進(jìn)行檢波，得到 檢波后基帶包絡(luò)信號。
[0085] 檢波器包括信號驅(qū)動器、信號選擇器和六路檢波電路。由采樣率提升模塊輸出的 高采樣率基帶包絡(luò)信號首先進(jìn)入信號驅(qū)動器，由信號驅(qū)動器將高采樣率基帶包絡(luò)信號分別 分到六個不同的檢波電路，對高采樣率基帶包絡(luò)信號分別進(jìn)行正峰值檢波、負(fù)峰值檢波、抽 樣檢波、正常檢波、電壓平均值檢波和有效值平均檢波；六路檢波電路的輸出送入信號選擇 器，由信號選擇器根據(jù)頻譜儀的需要輸出其中一種檢波后基帶包絡(luò)信號。檢波器輸出的檢 波后基帶包絡(luò)信號送入快速掃描補償模塊。
[0086] i、采用快速掃描補償模塊對由檢波器輸出的檢波后基帶包絡(luò)信號進(jìn)行補償，得到 補償后基帶包絡(luò)信號。
[0087] 當(dāng)快速掃描時，中頻帶寬濾波器中的高斯FIR濾波器和視頻濾波器中的FIR濾波 器，都會對被測中頻信號的幅度進(jìn)行衰減。兩個FIR濾波器都是低通濾波器，在直流處的增 益為1，即當(dāng)輸入信號是直流的時候，F(xiàn)IR濾波器的輸出也是等幅度的直流。但中頻帶寬濾 波器的高斯FIR濾波器的輸入信號是一個掃頻信號，視頻濾波器中FIR濾波器的輸入信號 是一個包絡(luò)為中頻帶寬濾波器中高斯FIR濾波器沖擊響應(yīng)的信號，兩個輸入信號都不是直 流，本步驟中采用快速掃描補償模塊生成這兩個FIR濾波器輸入信號的模擬信號，所生成 的模擬信號分別與對應(yīng)FIR濾波器的沖擊響應(yīng)求卷積，最后再將兩個卷積進(jìn)行求和，即得 到需要的補償值。根據(jù)該補償值對檢波器輸出的檢波后基帶包絡(luò)信號進(jìn)行補償，得到補償 后基帶包絡(luò)信號。
[0088] j、通過控制及顯示模塊對所述寬帶復(fù)基帶信號s的頻率值和所述補償后基帶包 絡(luò)信號進(jìn)行顯示。
[0089] 控制及顯示模塊包括CPU控制器及IXD顯示屏。快速掃描補償模塊輸出的補償 后基帶包絡(luò)信號和頻率計數(shù)輸出的寬帶復(fù)基帶信號s的頻率值被送入控制及顯示模塊，在 (PU控制器的控制下，由LCD顯示屏對寬帶復(fù)基帶信號S的頻率值和補償后基帶包絡(luò)信號進(jìn) 行顯示。
【權(quán)利要求】
1. 一種全數(shù)字中頻頻譜分析儀，其特征是，包括： 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，與正交數(shù)字下變頻器相接，用于對模擬中頻信號進(jìn)行采樣并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn) 換以得到數(shù)字中頻信號； 正交數(shù)字下變頻器，分別與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器和中頻帶寬濾波器相接，用于產(chǎn)生兩路正 交信號，并將所產(chǎn)生的兩路正交信號與所述數(shù)字中頻信號混頻，以得到零中頻的寬帶復(fù)基 帶信號S ;其中，s = sr+j*si ; 中頻帶寬濾波器，分別與所述正交數(shù)字下變頻器和鑒幅鑒相器相接，用于對所述寬帶 復(fù)基帶信號s進(jìn)行濾波，以得到窄帶復(fù)基帶信號V ;其中，s' =sr' +j*si'; 鑒幅鑒相器，分別與所述中頻帶寬濾波器、視頻濾波器和頻率計數(shù)器相接，用于對所述 窄帶復(fù)基帶信號V進(jìn)行振幅和相角的運算，以得出基帶包絡(luò)信號和復(fù)基帶相位信號； 頻率計數(shù)器，分別與所述鑒幅鑒相器和控制及顯示模塊相接，用于對所述復(fù)基帶相位 信號進(jìn)行計數(shù)運算，以得出寬帶復(fù)基帶信號s的頻率值； 視頻濾波器，分別與所述鑒幅鑒相器和采樣率提升模塊相接，用于對所述基帶包絡(luò)信 號進(jìn)行濾波處理，以得到濾波后基帶包絡(luò)信號； 采樣率提升模塊，分別與所述視頻濾波器和檢波器相接，用于將所述濾波后基帶包絡(luò) 信號的采樣率進(jìn)行提升，以得到高采樣率基帶包絡(luò)信號； 檢波器，分別與所述采樣率提升模塊和快速掃描補償模塊相接，用于對所述高采樣率 基帶包絡(luò)信號進(jìn)行檢波，以得到檢波后基帶包絡(luò)信號； 快速掃描補償模塊，分別與所述檢波器和控制及顯示模塊相接，用于對所述檢波后基 帶包絡(luò)信號進(jìn)行補償，以得到補償后基帶包絡(luò)信號；以及 控制及顯示模塊，分別與所述頻率計數(shù)器和所述快速掃描補償模塊相接，用于接收所 述寬帶復(fù)基帶信號s的頻率值和所述補償后基帶包絡(luò)信號并進(jìn)行顯示。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字中頻頻譜分析儀，其特征是，所述中頻帶寬濾波器包 括： 第一 CIC抽取濾波器，其輸出端與第二CIC抽取濾波器的輸入端相接，用于實現(xiàn)3? 1000倍的抽取速率； 第二CIC抽取濾波器，其輸入端與所述第一 CIC抽取濾波器的輸出端相接，其輸出端與 高斯FIR濾波器的輸入端相接，用于實現(xiàn)1?3000倍的抽取速率；以及 高斯FIR濾波器，其輸入端與所述第二CIC抽取濾波器的輸出端相接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的全數(shù)字中頻頻譜分析儀，其特征是，所述視頻濾波器包括： 第三CIC抽取濾波器，其輸出端與第四CIC抽取濾波器的輸入端相接，用于實現(xiàn)1? 1000倍的抽取速率； 第四CIC抽取濾波器，其輸入端與所述第三CIC抽取濾波器的輸出端相接，其輸出端與 FIR濾波器的輸入端相接，用于實現(xiàn)1?3000倍的抽取速率；以及 FIR濾波器，其輸入端與所述第四CIC抽取濾波器的輸出端相接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的全數(shù)字中頻頻譜分析儀，其特征是，所述采樣率提升模 塊包括第一 CIC內(nèi)插濾波器和第二CIC內(nèi)插濾波器，所述第一 CIC內(nèi)插濾波器的輸出端與 所述第二CIC內(nèi)插濾波器的輸入端相接。
5. -種全數(shù)字中頻頻譜分析方法，其特征是，包括如下步驟： a、 采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對模擬中頻信號進(jìn)行采樣并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以得到數(shù)字中頻信號； b、 由正交數(shù)字下變頻器產(chǎn)生兩路正交信號，所述兩路正交信號與所述數(shù)字中頻信號混 頻，得到零中頻的寬帶復(fù)基帶信號s ;其中，s = sr+j*si ; c、 采用中頻帶寬濾波器對所述寬帶復(fù)基帶信號s進(jìn)行濾波，得到窄帶復(fù)基帶信號s'; 其中，s' = sr' +j*si ' ； d、 由鑒幅鑒相器對所述窄帶復(fù)基帶信號s'進(jìn)行振幅和相角的運算，以得出基帶包絡(luò) 信號和復(fù)基帶相位信號； e、 由頻率計數(shù)器對所述復(fù)基帶相位信號進(jìn)行計數(shù)運算，以得出寬帶復(fù)基帶信號s的頻 率值； f、 由視頻濾波器對所述基帶包絡(luò)信號進(jìn)行濾波處理，以得出濾波后基帶包絡(luò)信號； g、 采用采樣率提升模塊對所述濾波后基帶包絡(luò)信號的采樣率進(jìn)行提升，以得到高采樣 率基帶包絡(luò)信號； h、 采用檢波器對所述高采樣率基帶包絡(luò)信號進(jìn)行檢波，以得到檢波后基帶包絡(luò)信號； i、 采用快速掃描補償模塊對所述檢波后基帶包絡(luò)信號進(jìn)行補償，以得到補償后基帶包 絡(luò)信號； j、 通過控制及顯示模塊對所述寬帶復(fù)基帶信號s的頻率值和所述補償后基帶包絡(luò)信 號進(jìn)行顯示。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的全數(shù)字中頻頻譜分析方法，其特征是，所述步驟c具體包括如 下步驟： cl、第一 CIC抽取濾波器接收所述寬帶復(fù)基帶信號s，并實現(xiàn)3?1000倍的抽取速率； c2、第二CIC抽取濾波器接收所述第一 CIC抽取濾波器輸出的信號，并實現(xiàn)1?3000 倍的抽取速率； c3、高斯FIR濾波器接收所述第二CIC抽取濾波器輸出的信號并進(jìn)行濾波處理，以得到 窄帶復(fù)基帶信號V 。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的全數(shù)字中頻頻譜分析方法，其特征是，所述步驟f具體包 括如下步驟： Π 、第三CIC抽取濾波器接收所述基帶包絡(luò)信號，并實現(xiàn)1?1000倍的抽取速率； f2、第四CIC抽取濾波器接收所述第三CIC抽取濾波器輸出的信號，并實現(xiàn)1?3000 倍的抽取速率； f3、FIR濾波器接收所述第四CIC抽取濾波器輸出的信號并進(jìn)行濾波處理，以得到濾波 后基帶包絡(luò)信號。
【文檔編號】G01R23/165GK104122444SQ201410382713
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】鄧志成, 蔣富雄, 王樹慶 申請人:石家莊數(shù)英儀器有限公司