專利名稱：具有數(shù)字中頻信號處理系統(tǒng)的頻譜分析儀及其實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有數(shù)字中頻信號處理系統(tǒng)的頻譜分析儀及其數(shù)字中頻實現(xiàn)方法，屬 于信號處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
頻譜儀通常用于測量信號的頻率、功率并在顯示器上顯示出來，一般分為兩種類 型。一種是動態(tài)信號分析儀，即快速傅里葉變換分析儀，它是在一種特定時間周期內(nèi)對信號 進行FFT變換以獲得頻率、幅度和相位信息的儀器，這種儀器能夠分析周期和非周期信號， 但頻率測量上限較低。另一種是掃頻頻譜儀，它是一種超外差可調(diào)預(yù)選接收機，能對信號或 由信號變換來的中頻信號進行分析。它的測量頻率范圍高，可以滿足用戶對測量頻率范圍、 靈敏度等指標提出的更高要求。目前的掃頻頻譜儀有兩種實現(xiàn)方案一種是模擬中頻，它采用模擬電路來完成信 號的頻譜分析；另外一種方案是數(shù)字中頻，采用DSP的方法來完成信號的頻譜分析。數(shù)字中 頻在頻譜分析速度和精度上都大大優(yōu)于模擬中頻，除此之外，采用數(shù)字中頻的設(shè)備還可以 通過DSP算法來擴展頻譜儀的功能。因此，愈來愈多的掃頻頻譜儀采用了數(shù)字中頻實現(xiàn)方案。在數(shù)字中頻中，需要對采樣得到的數(shù)字信號進行混頻，以得到同相和正交兩路信 號，再經(jīng)濾波后進行頻率計數(shù)。現(xiàn)有技術(shù)中，采用通過計算同相和正交兩路信號的相位信息 來完成頻率計數(shù)的方法，在獲取相位信息時需要進行復(fù)雜的計算。掃頻頻譜儀工作時會產(chǎn)生一定量的信號處理結(jié)果，從這些結(jié)果中挑選出或者計算 出若干個結(jié)果進行顯示，如用戶設(shè)定了正峰值檢波方式，則會將信號處理結(jié)果分成若干段， 然后從每段結(jié)果中挑選出最大的一個信號結(jié)果用于顯示。當用戶設(shè)定了較大頻率范圍，較 小的分辨率帶寬時，會產(chǎn)生數(shù)量巨大的用于顯示的數(shù)據(jù)。對于這樣數(shù)據(jù)，通常情況下會直接 將數(shù)據(jù)送往DSP處理器進行處理，即顯示檢波是使用DSP處理器來實現(xiàn)的，這種方法可以充 分利用DSP處理器的靈活性，很方便的實現(xiàn)要求的顯示檢波處理，但是，這種方法要求在數(shù) 字中頻ASIC和DSP處理器之間進行大量的數(shù)據(jù)傳送，同時也需要DSP處理器處理大量的數(shù) 據(jù)，會占用大量的DSP處理器時間。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有數(shù)字中頻信號處理系 統(tǒng)的頻譜分析儀及其實現(xiàn)方法，它利用系統(tǒng)中已經(jīng)產(chǎn)生的同相信號和正交信號，經(jīng)過簡單 的處理后即可得到所需的測量值。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種具有數(shù)字中頻信號處理系統(tǒng)的頻譜分析儀，包括抗混疊濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC、數(shù)字中頻、顯示器，模擬中頻輸入信號經(jīng)抗混疊濾波器送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采 樣輸出的信號送入數(shù)字中頻進行頻譜分析，數(shù)字中頻分析的結(jié)果送顯示器，其特征在于所述數(shù)字中頻包括數(shù)字變頻器、兩個基帶濾波器、頻率計數(shù)器、幅度檢波器、視頻濾波器、顯示 檢波器，其中數(shù)字變頻器產(chǎn)生相差為90度的兩路信號，并同模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣輸出的信號 進行混頻得到同相和正交兩路信號；同相和正交兩路信號分別送入兩個基帶濾波器濾波； 兩個基帶濾波器的輸出同時送至頻率計數(shù)器和幅度檢波器；幅度檢波器的輸出送至視頻濾 波器；視頻濾波器的輸出送至顯示檢波器；頻率計數(shù)器的輸出和顯示檢波器的輸出經(jīng)數(shù)據(jù) 處理器DSP送顯示器。所述基帶濾波器包括兩級級聯(lián)的CIC濾波器、高階低速FIR濾波器、低階高速FIR 濾波器，其中第一級CIC濾波器的輸出送入低階高速FIR濾波器；第二級CIC濾波器的輸 出送入高階低速FIR濾波器；高階低速FIR濾波器和低階高速FIR濾波器合并輸出基帶信號。一種頻譜分析儀中的數(shù)字中頻的實現(xiàn)方法，包括以下步驟采用數(shù)字變頻器產(chǎn)生相差為90度的兩路信號，并同模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣輸出的信號Sd 進行混頻，得到同相信號Id和正交信號Qd ；用兩個基帶濾波器分別濾除同相和正交兩路信號中的高頻分量，得到濾波后的同 相信號I’ D和正交信號Q’ D ；對濾波后的兩路信號一方面進行頻率計數(shù)，另一方面進行幅度檢波；對幅度檢波的結(jié)果再進行視頻濾波之后，通過顯示檢波得到最終的頻譜分析結(jié)^ ο其中，通過以下方法進行頻率計數(shù)通過測量信號相對于中頻頻率的偏差，得到待測信號的頻率值& ；根據(jù)同相信號I’ D和正交信號Q’ D的變化規(guī)律判斷待測信號頻率值&是大于還 是小于中頻頻率。在所述頻率計數(shù)方法中，通過公式4 = fs*Co/Cl得到所述待測信號的頻率值4，其 中fs為基準信號，C1為基準信號fs的計數(shù)輸出值，Ctl為同相信號I’ D的計數(shù)輸出值；通過以下方法判斷待測信號的頻率值&的正負如果I' D(n)從大于0變化到小于0，Q' D(n)的符號保持不變且其數(shù)值大于0， 則f。為正值；如果I' D(n)從小于0變化到大于0，Q' D(n)的符號保持不變且其數(shù)值小于0， 則f。為正值；如果I' D(n)從大于0變化到小于0，Q' D(n)的符號保持不變且其數(shù)值小于0， 則fo為負值；如果I' D(n)從小于0變化到大于0，Q' D(n)的符號保持不變且其數(shù)值大于0， 則fo為負值；f0為正值或負值表示待測信號頻率值大于或者小于中頻頻率。通過以下方法進行幅度檢波和顯示檢波掃頻頻譜儀完成一次掃頻過程中會產(chǎn)生Ftl…Fim共N個計算結(jié)果，此時在數(shù)字中頻 專用集成電路ASIC中進行第一次檢波，從這N個計算結(jié)果中產(chǎn)生k個trace點，trace點 是用戶根據(jù)自己的設(shè)定希望得到的點，產(chǎn)生的方法按照用戶選定的顯示檢波方法進行，如
用戶選定正峰值檢波，則將F^Fim分為k段，對于每一段找出最大值，當$>> 1時，此時數(shù)字中頻ASIC會完成絕大部分顯示檢波的處理從而減少數(shù)據(jù)傳送帶寬要求和DSP處理器的 處理負擔；顯示檢波要求在k個trace點中選出1個點用于屏幕顯示，選出方法同從FyF1^1 中選出k個trace點，此部分通過在DSP處理器中進行第二次檢波進行實現(xiàn)。進行幅度檢波和顯示檢波的詳細步驟為1)根據(jù)用戶的配置，計算得到幅度檢波將計算得到N個點，同時用戶要求最終產(chǎn) 生k個trace點，將N點分成k段，則每段包含f個點，記f = AptL1，其中d+1為整數(shù)部分， CL1為小數(shù)部分；2)將數(shù)字中頻ASIC中的顯示檢波模塊中幅度檢波結(jié)果計數(shù)器清0，trace點數(shù)計 數(shù)器清0，段內(nèi)最大點數(shù)置為d+1. CL1 ；3)當數(shù)字中頻ASIC中的顯示檢波模塊接收到幅度檢波模塊的輸出結(jié)果時，按照 顯示檢波模式進行數(shù)據(jù)處理，同時幅度檢波結(jié)果計數(shù)器+1 ；4)如果幅度檢波結(jié)果計數(shù)器大于段內(nèi)最大點數(shù)，則輸出一個trace點傳送給DSP 處理器，Trace點數(shù)計數(shù)器加一，如果trace點數(shù)=k，則完成第一次顯示檢波處理，跳到步 驟5)，否則將段內(nèi)最大點數(shù)加上d+1. CL1,并返回到步驟3)；5)將k點分成1段，則每段包含 個點，記I = Cf^ct1，其中d' +1為整數(shù)部分，d' ！ 為小數(shù)部分；6)將DSP處理器中的顯示檢波模塊中trace結(jié)果計數(shù)器清0，顯示點數(shù)計數(shù)器清 0，段內(nèi)最大點數(shù)置為d' +1.d' 1；7)當DSP處理器中的顯示檢波模塊接收到數(shù)字中頻ASIC的輸出結(jié)果時，按照顯示 檢波模式進行數(shù)據(jù)處理，同時幅度檢波結(jié)果計數(shù)器+1 ；8)如果幅度檢波結(jié)果計數(shù)器大于段內(nèi)最大點數(shù)，則輸出一個顯示點傳送給顯示屏 進行顯示，顯示點數(shù)計數(shù)器加一，如果顯示點數(shù)=1，則完成第二次顯示檢波處理，結(jié)束整個 顯示檢波處理，否則將段內(nèi)最大點數(shù)加上d' +1.d'—并返回到步驟7)。本發(fā)明的優(yōu)點是1.本發(fā)明利用系統(tǒng)中已經(jīng)產(chǎn)生的I、Q信號，經(jīng)過簡單的處理后即可得到所需的測 量值。與通過I、Q兩路信號計算信號的相位信息完成頻率計數(shù)的方法相比，避免了獲取相 位信息的復(fù)雜計算。2.本發(fā)明采用數(shù)字中頻ASIC和DSP處理器共同處理信號完成顯示檢波的方法，當 掃頻頻譜儀完成一次掃頻過程時，在數(shù)字中頻ASIC中進行第一次檢波，此時數(shù)字中頻ASIC 會完成絕大部分顯示檢波的處理，從而減少數(shù)據(jù)傳送帶寬要求和DSP處理器的處理負擔。 然后再從第一次檢波的結(jié)果中選出用于屏幕顯示的數(shù)據(jù)，此部分通過在DSP處理器中進行 第二次檢波實現(xiàn)。由于第一次檢波已經(jīng)完成了大部分數(shù)據(jù)處理操作，因此DSP處理器僅需 要開銷較少的處理時間即可完成用戶所需的操作。


圖1是數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)框圖；圖2是DDC結(jié)構(gòu)框圖3是頻率計數(shù)原理框圖；圖4是判斷待測信號頻率為正值或負值的原理框圖；圖5是濾波器原理框圖；圖6是級聯(lián)積分器梳狀濾波器原理圖。
具體實施例方式本發(fā)明涉及具有數(shù)字中頻信號處理系統(tǒng)的頻譜分析儀及其實現(xiàn)方法。下面結(jié)合附 圖詳細介紹。數(shù)字中頻整體介紹如圖1所示本發(fā)明具有數(shù)字中頻信號處理系統(tǒng)的頻譜分析儀包括抗混疊濾波 器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、數(shù)字中頻、顯示器。數(shù)字中頻在頻譜分析儀中的作用是完成信號的頻譜 分析。模擬中頻輸入信號經(jīng)抗混疊濾波器送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣輸出的信號送 入數(shù)字中頻進行頻譜分析，數(shù)字中頻分析的結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)處理器DSP送顯示器。數(shù)字中頻包 括數(shù)字變頻器DDC、兩個基帶濾波器、頻率計數(shù)器、幅度檢波器、視頻濾波器、顯示檢波器，其 中數(shù)字變頻器DDC產(chǎn)生相差為90度的兩路信號，并同模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣輸出的信號進 行混頻得到同相和正交兩路信號；同相和正交兩路信號分別送入兩個基帶濾波器濾波；兩個基帶濾波器的輸出同時送至頻率計數(shù)器和幅度檢波器；幅度檢波器的輸出送至視頻濾波器；視頻濾波器的輸出送至顯示檢波器；頻率計數(shù)器的輸出和顯示檢波器的輸出經(jīng)數(shù)據(jù)處理器DSP送顯示器。ADC采樣得到的數(shù)字信號，首先通過DDC將中頻信號搬移到零頻并產(chǎn)生同相 (in-phase)和正交(quadrature-phase)兩路信號，DDC的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中NCO為數(shù) 控振蕩器，產(chǎn)生相差為90度的兩路信號并同ADC采樣輸出的信號進行混頻得到I (同相)、 Q (正交)兩路信號。對這兩路信號分別進行濾波，濾波之后的信號，一方面進行幅度檢波，另一方面進 行頻率計數(shù)。幅度檢波的結(jié)果再進行視頻濾波之后，通過顯示檢波得到最終的頻譜分析結(jié)^ ο實現(xiàn)本發(fā)明中數(shù)字中頻的方法，包括以下步驟采用數(shù)字變頻器產(chǎn)生相差為90度的兩路信號，并同模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣輸出的信號Sd 進行混頻，得到同相信號Id和正交信號Qd ；用兩個基帶濾波器分別濾除同相和正交兩路信號中的高頻分量，得到濾波后的同 相信號I’ D和正交信號Q’ D ；對濾波后的兩路信號一方面進行頻率計數(shù)，另一方面進行幅度檢波；對幅度檢波的結(jié)果再進行視頻濾波之后，通過顯示檢波得到最終的頻譜分析結(jié)^ ο假設(shè)使用頻譜儀進行分析的信號Sk (t) = AK*sin(2* π *fK*t)，在經(jīng)過前端的電路 的處理后，最后一級中頻的輸出是&(0 =外*如(2、*(/}+/0)” +的，其中41；是頻譜儀進行分析的信號Sk(t)的幅度，A1= β *ΑΚ，β為前端模擬電路的增益，fx為中頻頻率，&為fK通 過前端模擬電路頻率變換后搬移到中頻附近后的頻率。P為前端模擬電路引入的相位延時。S1經(jīng)過ADC采樣后可表示為知W = Z^sinPV(T)+/0)//s*n +的，其中&為采樣頻率。 Sd通過DDC進行頻率變換后，輸出的同相分量和正交分量分別為Id{n) = A1* sin(2* π* (f, + fa)/fs * η + φ)* cos(2* 冗* // //s * “)(式 _ 1)
= /2*Α,*(Β η(2*π*(2*/Ι+/0)//5*η + φ) + 3 η(2*π*/0//8*η + φ))Qd (H) = A1* sin(2 *π*(/ι + fo)'fs * +<P)* ~ 如(2 * 足 * // / Λ * )(式 _2)
= \I2* A,*(cos(2*n*(2* f, + f0)/fs *η + φ)-οο$(2* π* fa / fs * η + φ))這兩路信號通過基帶濾波后會濾除高頻分量，得到下面的兩路信號ID(n) = l/2* A1* sin(2* π* fo'fs^ + φ)(式 _3)QD(n) =-M2* A1* cos(2* π* f0 / fs * η + φ)(式 _4)幅度檢波器根據(jù)下列公式計算輸入信號的幅度AD(n) = ^ll+Q^ =XIA^A1 (式 _5)結(jié)合關(guān)系式A1 = β*Ακ，有Ak = 4*Α>)/β。即可得到待分析信號的幅度值。下面詳細介紹頻率計數(shù)部分當頻譜儀在采用RBW濾波器(分析帶寬較大的濾波器)進行掃頻時，很多時候希 望獲得某一點待測信號的準確頻率值，此需求通過頻率計數(shù)功能加以完成，頻率計數(shù)通過 測量信號相對于中頻頻率的偏差，得到待測信號的準確頻率值。由于待測信號的頻率可能 會大于中頻頻率，也可能會小于中頻頻率，因此不僅需要獲取待測信號相對于中頻頻率的 偏差，同時也需要判斷待測信號的頻率值大于中頻頻率或小于中頻頻率。本發(fā)明采用等精度測頻的方法測量信號的頻率大小，然后根據(jù)I、Q兩路信號的變 化規(guī)律判斷待測信號頻率值大于或者小于中頻頻率。使用等精度測頻的方法計算頻率大小的原理框圖見圖3。在測量頻率之前，清零信 號會將兩個計數(shù)器進行清零操作，然后門控信號有效，啟動兩個計數(shù)器進行計數(shù)。門控信號 持續(xù)一段時間后，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o效并停止兩個計數(shù)器的計數(shù)，對于這兩個計數(shù)器而言，由于計數(shù) 的時間相等，于是有(Vfs = c。/f。，即f。= QCcZC1,得到待測信號頻率f。的大小。送到頻率計數(shù)器的信號通過下面的原理獲取頻率計數(shù)結(jié)果的符號(見圖4)根據(jù)(式-3)和(式_4)，假定fQ為正值，如果I' D(n)從大于0變化到小于0， Q' D(n)的符號保持不變且其數(shù)值大于0，如果I' D(n)從小于0變化到大于0，Q' D(n) 的符號保持不變且其數(shù)值小于0。假定&為負值，如果Γ D(n)從大于0變化到小于0， Q' D (η)的符號保持不變且其數(shù)值小于0，如果I' D (η)從小于0變化到大于0，Q' 的 符號保持不變且其數(shù)值大于0。根據(jù)這個規(guī)律，可通過對上述假設(shè)進行反推的方法獲取頻率 計數(shù)結(jié)果符號通過以上等精度測頻的方法測量信號的頻率大小，然后根據(jù)I、Q兩路信號的變化 規(guī)律判斷待測信號的正負，如果為正值，說明待測信號頻率值大于中頻頻率；如果為負值， 說明待測信號頻率值小于中頻頻率。這樣，可以得到待測信號相對于中頻信號的頻率值，對此頻率值進行修正即可得到準確的待測信號頻率值。此方法利用系統(tǒng)中已經(jīng)產(chǎn)生的I、Q信 號，經(jīng)過簡單的處理后即可得到所需的測量值。與通過I、Q兩路信號計算信號的相位信息 完成頻率計數(shù)的方法相比，避免了獲取相位信息的復(fù)雜計算。檢波部分掃頻頻譜儀工作時，會根據(jù)用戶設(shè)定的頻率范圍、分辨率帶寬，以某一個步進頻率 對前端輸入的待測信號進行調(diào)諧，每當掃頻頻譜儀以某一個固定頻率對前端輸入的待測信 號進行調(diào)諧時，會產(chǎn)生一定量的信號處理結(jié)果，此時會根據(jù)用戶設(shè)定的顯示檢波方式，從這 些結(jié)果中挑選一個或者計算一個結(jié)果出來進行顯示。如用戶設(shè)定了正峰值檢波方式，則會 從信號處理結(jié)果中挑選出最大的一個信號結(jié)果用于顯示。當用戶設(shè)定了較大頻率范圍，較 小的分辨率帶寬時，會產(chǎn)生數(shù)量巨大的用于顯示的數(shù)據(jù)。例如當用戶設(shè)定頻率范圍為3GHz， IOHz的的分辨率帶寬時，此時可能會產(chǎn)生3，000，000，000顯示數(shù)據(jù)，對于這樣數(shù)據(jù)，通常情 況下會直接將數(shù)據(jù)送往DSP處理器進行處理，即顯示檢波是使用DSP處理器來實現(xiàn)的，這種 方法可以充分利用DSP處理器的靈活性，很方便的實現(xiàn)要求的顯示檢波處理，但是，這種方 法要求在數(shù)字中頻ASIC (Application Specific Integrated Circuits，專用集成電路)和 DSP處理器之間進行大量的數(shù)據(jù)傳送，同時也需要DSP處理器處理大量的數(shù)據(jù)，會占用大量 的DSP處理器時間，因此，本發(fā)明采用了數(shù)字中頻ASIC和DSP處理器共同處理上述信號處 理的結(jié)果，完成顯示檢波的方法。當掃頻頻譜儀以某一頻率調(diào)諧前端輸入信號，此時數(shù)字中頻ASIC中的幅度檢波 會計算得到一個分析結(jié)果，假定當掃頻頻譜儀的前端電路調(diào)諧到頻率fn時，計算得到的結(jié) 果是Fn，因此當掃頻頻譜儀完成一次掃頻過程時，會產(chǎn)生Ftl…Fim共N個計算結(jié)果。此時在 數(shù)字中頻ASIC中進行第一次檢波，從這N個計算結(jié)果中產(chǎn)生k個trace點(trace點是頻譜 儀中的專用術(shù)語，意思是在一個很大的信號頻率范圍內(nèi)，根據(jù)用戶的設(shè)定，用戶希望得到 的點。)，產(chǎn)生的方法按照用戶選定的顯示檢波方法進行，如用戶選定正峰值檢波，則將Fcr-Fn^1分為k段，對于每一段找出最大值，當I i時，此時數(shù)字中頻ASIC會完成絕大部分顯示
檢波的處理，從而減少數(shù)據(jù)傳送帶寬要求和DSP處理器的處理負擔。同時顯示檢波要求在 k個trace點中選出1個點用于屏幕顯示。選出方法同從Ftl…F1^1中選出k個trace點，此 部分通過在DSP處理器中進行第二次檢波進行實現(xiàn)。由于第一次檢波已經(jīng)完成了大部分數(shù) 據(jù)處理操作，因此DSP處理器僅需要開銷較少的處理時間即可完成用戶所需的操作。具體的實施步驟如下1、根據(jù)用戶的配置，計算得到幅度檢波將計算得到N個點，同時用戶要求最終產(chǎn) 生k個trace點。將N點分成k段，則每段包含&個點，記| = d^.d.,。其中d+1為整數(shù)部分， CL1為小數(shù)部分。2、將數(shù)字中頻ASIC中的顯示檢波模塊中幅度檢波結(jié)果計數(shù)器清0，trace點數(shù)計 數(shù)器清0。段內(nèi)最大點數(shù)置為d+i.cU。3、當數(shù)字中頻ASIC中的顯示檢波模塊接收到幅度檢波模塊的輸出結(jié)果時，按照 顯示檢波模式進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，同時幅度檢波結(jié)果計數(shù)器+1，4、如果幅度檢波結(jié)果計數(shù)器大于段內(nèi)最大點數(shù)，則輸出一個trace點傳送給DSP 處理器。Trace點數(shù)計數(shù)器加一，如果trace點數(shù)=k，則完成第一次顯示檢波處理，跳到步驟5，否則將段內(nèi)最大點數(shù)加上d+1. CL1,并返回到步驟3。5、將k點分成1段，則每段包含-個點，記| = d^d^。其中d' +1為整數(shù)部分，d' ！ 為小數(shù)部分。6、將DSP處理器中的顯示檢波模塊中trace結(jié)果計數(shù)器清0，顯示點數(shù)計數(shù)器清 0。段內(nèi)最大點數(shù)置為d' +1.d' 107、當DSP處理器中的顯示檢波模塊接收到數(shù)字中頻ASIC的輸出結(jié)果時，按照顯示 檢波模式進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，同時幅度檢波結(jié)果計數(shù)器+1，8、如果幅度檢波結(jié)果計數(shù)器大于段內(nèi)最大點數(shù)，則輸出一個顯示點傳送給顯示屏 進行顯示。顯示點數(shù)計數(shù)器加一，如果顯示點數(shù)=1，則完成第二次顯示檢波處理，結(jié)束整個 顯示檢波處理，否則將段內(nèi)最大點數(shù)加上d' +1.d' 并返回到步驟7。濾波部分ADC對經(jīng)過抗混疊濾波器的模擬中頻信號進行采樣，并將采樣得到的信號送往 DDC,將信號變換到基帶，基帶濾波器對DDC輸出的信號進行濾波后，通過幅度檢波得到待 分析信號的頻譜數(shù)值。在這個系統(tǒng)中，基帶濾波器起到了限定進入幅度檢波器信號帶寬的 作用，也稱為RBW濾波器，此濾波器的設(shè)計決定了頻譜儀最終的頻率分辨能力，掃描時間長 短等頻譜儀的關(guān)鍵指標，因此在掃頻頻譜儀中，此濾波器的設(shè)計起到了極其核心的作用。在本發(fā)明的頻譜儀中，濾波器的結(jié)構(gòu)如圖5所示?；鶐V波器包括兩級級聯(lián)的CIC 濾波器、高階低速FIR濾波器、低階高速FIR濾波器，其中第一級CIC濾波器的輸出送入低 階高速FIR濾波器；第二級CIC濾波器的輸出送入高階低速FIR濾波器；高階低速FIR濾波 器和低階高速FIR濾波器合并輸出基帶信號。若ADC的采樣率為45. 5MHz，要求的RBW濾波器的最小帶寬為IOHz，最大帶寬 為1MHz，同時RBW濾波器的帶寬可按照1-3-10的步進進行設(shè)置，為采樣率45. 5MHz的信 號實現(xiàn)一個帶寬為IOHz的超窄帶濾波，如果簡單的采用FIR濾波器(Finite Impulse Response，有限沖激響應(yīng)濾波器)或者IIR濾波器(Infinite Impulse Response，無限沖激 響應(yīng)濾波器)，都需要使用非常高階的濾波器對速率高達45. 5MHz的信號進行濾波才能實 現(xiàn)，這不具備現(xiàn)實意義。為了解決此問題，本發(fā)明采用多速率濾波技術(shù)實現(xiàn)超窄帶濾波器， 首先將信號進行抽取操作，然后再使用FIR濾波器得到最終所需的濾波器帶寬。濾波器中 的抽取濾波器采用兩級級聯(lián)的CIC濾波器進行實現(xiàn)，CIC具備所實現(xiàn)資源少、很好的可編程 性能等特點，這些特點使得CIC成為滿足系統(tǒng)要求很好的選擇。一個標準的CIC濾波器(級 聯(lián)積分器梳狀濾波器)如圖6所示。圖中所示CIC具備以下特點1.系統(tǒng)函數(shù)為=Hcie(Z) 二其中R為抽取率，D為CIC的階數(shù)。2. CIC濾波器的增益和抽取率R、階數(shù)D相關(guān)，其最大增益發(fā)生在直流處，為Gac = Rd，因此如果進入CIC濾波器進行濾波的數(shù)據(jù)如果使用長度為I的字長進行表示，則濾波器 中的累加器至少得使用長度為O^log2RfW1J的字長才能保證計算結(jié)果不發(fā)生溢出，從而 保證計算的準確性。因為最小分辨率帶寬為10Hz，因此為減少FIR濾波器的實現(xiàn)難度，應(yīng)盡量采用較 大的抽取率，同時為了保證抽取時由于混疊引入的噪聲在允許的指標以內(nèi)，CIC必須保證在 6階以上，這導(dǎo)致在分辨率帶寬為IOHz時，如果采用的抽取率為500，000，此時CICI濾波器的累加器的字長可能需要上百位，如果簡單的采用一個CIC完成所需的各種抽取率，需要 以采樣頻率實現(xiàn)數(shù)個字長高達的累加器，這會導(dǎo)致實現(xiàn)的難度加大，因此采用了多 級抽取濾波器級聯(lián)的方式加以解決。如圖6所示，采用兩級CIC，當抽取率小于128時，僅使 用第一級CIC濾波器，此時CIC濾波器中累加器的字長最大僅需要即可，因此極大的 降低了實現(xiàn)難度。在抽取率大于128時，在第一級CIC濾波器后面再插入一級CIC濾波器， 將第一級CIC濾波器的輸出送入到第二級CIC濾波器，此時因為進入到第二級CIC數(shù)據(jù)速 率，為f/R，此速率大大低于采樣率，因此第二級CIC濾波器可以工作在較低的數(shù)據(jù)，很容易 進行實現(xiàn)，采用這樣的結(jié)構(gòu)，可以較小的硬件成本實現(xiàn)高達數(shù)十萬抽取率的CIC濾波器。
權(quán)利要求
1.一種具有數(shù)字中頻信號處理系統(tǒng)的頻譜分析儀，包括抗混疊濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC、數(shù)字中頻、顯示器，模擬中頻輸入信號經(jīng)抗混疊濾波器送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采 樣輸出的信號送入數(shù)字中頻進行頻譜分析，數(shù)字中頻分析的結(jié)果送顯示器，其特征在于所述數(shù)字中頻包括數(shù)字變頻器、兩個基帶濾波器、頻率計數(shù)器、幅度檢波器、視頻濾波 器、顯示檢波器，其中數(shù)字變頻器產(chǎn)生相差為90度的兩路信號，并同模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣輸出的信號進行混頻 得到同相和正交兩路信號；同相和正交兩路信號分別送入兩個基帶濾波器濾波； 兩個基帶濾波器的輸出同時送至頻率計數(shù)器和幅度檢波器； 幅度檢波器的輸出送至視頻濾波器； 視頻濾波器的輸出送至顯示檢波器；頻率計數(shù)器的輸出和顯示檢波器的輸出經(jīng)數(shù)據(jù)處理器DSP送顯示器。
2.如權(quán)利要求1所述的具有數(shù)字中頻信號處理系統(tǒng)的頻譜分析儀，其特征在于 所述基帶濾波器包括兩級級聯(lián)的CIC濾波器、高階低速FIR濾波器、低階高速FIR濾波器，其中第一級CIC濾波器的輸出送入低階高速FIR濾波器； 第二級CIC濾波器的輸出送入高階低速FIR濾波器； 高階低速FIR濾波器和低階高速FIR濾波器合并輸出基帶信號。
3.一種頻譜分析儀中的數(shù)字中頻的實現(xiàn)方法，其特征在于包括以下步驟采用數(shù)字變頻器產(chǎn)生相差為90度的兩路信號，并同模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣輸出的信號SD進 行混頻，得到同相信號Id和正交信號Qd ；用兩個基帶濾波器分別濾除同相和正交兩路信號中的高頻分量，得到濾波后的同相信 號I’ D和正交信號Q’ D ；對濾波后的兩路信號一方面進行頻率計數(shù)，另一方面進行幅度檢波；對幅度檢波的結(jié)果再進行視頻濾波之后，通過顯示檢波得到最終的頻譜分析結(jié)果；其中，通過以下方法進行頻率計數(shù)通過測量信號相對于中頻頻率的偏差，得到待測信號的頻率值& ； 根據(jù)同相信號I’ D和正交信號Q’ D的變化規(guī)律判斷待測信號頻率值&是大于還是小 于中頻頻率。
4.如權(quán)利要求3所述的數(shù)字中頻的實現(xiàn)方法，其特征在于在所述頻率計數(shù)方法中，通過公式& = fs*c0/Cl得到所述待測信號的頻率值&，其中 fs為基準信號，C1為基準信號fs的計數(shù)輸出值，Ctl為同相信號I’ D的計數(shù)輸出值； 通過以下方法判斷待測信號的頻率值&的正負如果Γ D(n)從大于0變化到小于0，Q' D(n)的符號保持不變且其數(shù)值大于0，則& 為正值；如果Γ D(n)從小于0變化到大于0，Q' D(n)的符號保持不變且其數(shù)值小于0，則& 為正值；如果Γ D(n)從大于0變化到小于0，Q' D(n)的符號保持不變且其數(shù)值小于0，則& 為負值；如果Γ D(n)從小于0變化到大于0，Q' D(n)的符號保持不變且其數(shù)值大于0，則& 為負值；4為正值或負值表示待測信號頻率值大于或者小于中頻頻率。
5.如權(quán)利要求3所述的數(shù)字中頻的實現(xiàn)方法，其特征在于 通過以下方法進行幅度檢波和顯示檢波掃頻頻譜儀完成一次掃頻過程中會產(chǎn)生Ftl…Fim共N個計算結(jié)果，此時在數(shù)字中頻專 用集成電路ASIC中進行第一次檢波，從這N個計算結(jié)果中產(chǎn)生k個trace點，trace點是 用戶根據(jù)自己的設(shè)定希望得到的點，產(chǎn)生的方法按照用戶選定的顯示檢波方法進行，如用戶選定正峰值檢波，則將F^Fim分為k段，對于每一段找出最大值，當1時，此時數(shù)字 中頻ASIC會完成絕大部分顯示檢波的處理，從而減少數(shù)據(jù)傳送帶寬要求和DSP處理器的處 理負擔；顯示檢波要求在k個trace點中選出1個點用于屏幕顯示，選出方法同從F^Fim中 選出k個trace點，此部分通過在DSP處理器中進行第二次檢波進行實現(xiàn)。
6.如權(quán)利要求5所述的數(shù)字中頻的實現(xiàn)方法，其特征在于 進行幅度檢波和顯示檢波的詳細步驟為1)根據(jù)用戶的配置，計算得到幅度檢波將計算得到N個點，同時用戶要求最終產(chǎn)生k個trace點，將N點分成k段，則每段包含 個點，記|二 I1I1，其中d+i為整數(shù)部分，為小k數(shù)部分；2)將數(shù)字中頻ASIC中的顯示檢波模塊中幅度檢波結(jié)果計數(shù)器清0，traCe點數(shù)計數(shù)器 清0，段內(nèi)最大點數(shù)置為d+1.d_1;3)當數(shù)字中頻ASIC中的顯示檢波模塊接收到幅度檢波模塊的輸出結(jié)果時，按照顯示 檢波模式進行數(shù)據(jù)處理，同時幅度檢波結(jié)果計數(shù)器+1 ；4)如果幅度檢波結(jié)果計數(shù)器大于段內(nèi)最大點數(shù)，則輸出一個trace點傳送給DSP處理 器，Trace點數(shù)計數(shù)器加一，如果trace點數(shù)=k，則完成第一次顯示檢波處理，跳到步驟5)， 否則將段內(nèi)最大點數(shù)加上d+1. CL1,并返回到步驟3)；5)將k點分成1段，則每段包含f個點，記I= J^dL1，其中d' +1為整數(shù)部分，d' ^為 小數(shù)部分；6)將DSP處理器中的顯示檢波模塊中trace結(jié)果計數(shù)器清0，顯示點數(shù)計數(shù)器清0，段 內(nèi)最大點數(shù)置為d' +1.d' 1；7)當DSP處理器中的顯示檢波模塊接收到數(shù)字中頻ASIC的輸出結(jié)果時，按照顯示檢波 模式進行數(shù)據(jù)處理，同時幅度檢波結(jié)果計數(shù)器+1 ；8)如果幅度檢波結(jié)果計數(shù)器大于段內(nèi)最大點數(shù)，則輸出一個顯示點傳送給顯示屏進行 顯示，顯示點數(shù)計數(shù)器加一，如果顯示點數(shù)=1，則完成第二次顯示檢波處理，結(jié)束整個顯示 檢波處理，否則將段內(nèi)最大點數(shù)加上d' +1.d'—并返回到步驟7)。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有數(shù)字中頻信號處理系統(tǒng)的頻譜分析儀及其實現(xiàn)方法，其數(shù)字中頻的實現(xiàn)方法包括以下步驟采用數(shù)字變頻器產(chǎn)生相差為90度的兩路信號，并同模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣輸出的信號SD進行混頻，得到同相信號ID和正交信號QD；用兩個基帶濾波器分別濾除同相和正交兩路信號中的高頻分量，得到濾波后的同相信號I’D和正交信號Q’D；對濾波后的兩路信號一方面進行頻率計數(shù)，另一方面進行幅度檢波；對幅度檢波的結(jié)果再進行視頻濾波之后，通過顯示檢波得到最終的頻譜分析結(jié)果；其中，通過以下方法進行頻率計數(shù)通過測量信號相對于中頻頻率的偏差，得到待測信號的頻率值；根據(jù)同相信號I’D和正交信號Q’D的變化規(guī)律判斷待測信號頻率值大于或者小于中頻頻率。
文檔編號G01R23/165GK102109555SQ200910243898
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者李維森, 王悅, 王鐵軍 申請人:北京普源精電科技有限公司