频谱分析仪全数字中频设计研究与实现

2017-05-05杨文超

环球市场 2017年11期

关键词：傅里叶信号处理频域

杨文超

青岛兴仪电子设备有限责任公司

频谱分析仪全数字中频设计研究与实现

杨文超

青岛兴仪电子设备有限责任公司

早期的频谱分析仪以模拟式频谱仪为主，其中频部分使用模拟电路对信号分析处理。由于中频电路全部使用模拟器件，因而一致性差、精度低、体积大，且其性能受环境影响较大，当温度、湿度发生变化或受到振动、冲击时，整机的性能指标会发生较大变化，测试结果可信度降低，不利于批量生产。随着软件无线电技术的快速发展，目前的频谱分析仪大多采用数字中频技术，以数字滤波器或快速傅里叶变换(FFT)为基础，精度高、功能配置灵活，可以完全替代复杂的模拟中频电路组件。

频谱分析仪；全数字中频设计；实现

信号的描述方式一般有两种，一种是时域的描述，另外一种是频域的描述。时域描述方式是电压或者电流信号相对于时间的变化关系，最直观的一种仪器就是示波器，信号的频域描述指的是电压或者电流信号相对于频率的变化关系，频谱分析仪就是这种描述方式的一种体现。

1 频谱分析仪原理

随着微处理器的处理速度越来越快，利用计算机对信号进行处理已成为通用的方法。即将待测信号通过模数转换变成数字信号并输入计算机，然后通过FFT (快速傅里叶变换)转成频域信号再显示。FFT频谱分析仪的理论根据为均匀抽样定理和傅里叶变换。均匀抽样定理一个在频谱中不含有大于频率Fmax分量的有限频带的信号，由对该信号以不大于1/ (2Fmax)的时间间隔进行的抽样值惟一地确定。当这样的抽样信号通过截止频率为F(Fmax≤F≤Fsample(采样)-Fmax)的理想低通滤波器后，可以将原信号完全重建。当然FFT频谱分析仪A /D的实际采样频率应＞2Fmax。傅里叶变换根据傅里叶变换，信号可用时域函数f(t)完整地表示出来，也可用频域函数F(jk)=F傅里叶变换[f(t)]完整地表示出来，而且两者间有密切的联系，其中只要一个确定，另一个也随之惟一地确定。所以可实现时域向频域的转换。

2 中频信号处理

中频信号处理在变频后的最后一级中频进行，由于中频增益可以以确定的步进调整，因此后续信号处理部分可将最大信号电平保持恒定。输入信号的频谱应通过相对缓慢的本振调谐变换到中频来避免幅度误差，因此现代频谱分析仪多选用优化瞬态响应的高斯滤波器，在确保不失真进行频谱分析的同时尽可能实现相对短的测试时间。对于相关信号的测量，比如雷达中的典型脉冲信号，脉冲带宽可用如下公式计算得出：

式中BI：为脉冲带宽，单位为Hz，Hv(f)为电压传递函数，HO，O为电压传递函数在通带中心点处的值。如果用外差式频谱仪测量正弦信号，当频率跨度设置较小时，根据傅氏变换，结果应为1根单独的谱线，而实际测试结果显示的则是中频滤波器的形状。扫描时，输入信号扫过中频滤波器并乘以滤波器的传递函数后变换到中频。

3 频谱分析仪的数字中频设计与实现

3.1 频谱分析仪的数字中频技术

数字中频技术的结构框图现代频谱仪将外差扫描频谱分析技术与FFT信号处理技术巧妙的结合起来，兼有两种技术的优点：前端仍采用传统的外差式模拟变频结构，而在中频处理部分采用全数字结构，该部分使用数字技术取代了原来的模拟部分使得性能大幅度提高。数字中频结构在现阶段也使用很多的一种设计方式，就是在数字中频中加入快速傅里叶变换，可以省去数字检波这一块，最终数据数据直接读入上位机进行显示处理。其结构原理图如图1所示。

图1 FFT 结构的中频结构图

被测信号经过模拟下变频到达中频之后，经高速 A/D 采集，通过与 NCO 产生的数字本振扫频信号混频，下变频后得到 I 和 Q 两路正交信号，每一路都经过抽取和滤波后变成基带信号，在进行 FFT运算之前，需要加上窗函数，这样做是为了防止频谱泄露。完成 FFT运算后是上位机读取数据，上图中因为 FFT 模块的存在而没有了检波模块。从图中可以看出数字下变频仍然是是关键的信号通道，运算量巨大，它的输出有数字基带信号的同相分量，正交分量，幅度信息和相位信息，减轻了后端的信号处理量。

3.2 频谱分析仪的数字中频设计

在数字中频的设计中使用 15Mhz 的信号去采样 10Mhz 的信号，其中高速AD 使用的是 AD 公司推出的 AD9280 芯片，该 AD 芯片是 8 位位宽，最大采样率可以达到 32Mbps。在信号进入 AD 芯片之前，使用了一片 AD8056 芯片构建衰减电路，接口的输入范围是-5V～+5V(10Vpp)。衰减以后，才能满足 AD 的输入范围，其转换公式如下：