頻譜分析儀全數(shù)字中頻設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)

楊文超

青島興儀電子設(shè)備有限責(zé)任公司

頻譜分析儀全數(shù)字中頻設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)

楊文超

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早期的頻譜分析儀以模擬式頻譜儀為主，其中頻部分使用模擬電路對(duì)信號(hào)分析處理。由于中頻電路全部使用模擬器件，因而一致性差、精度低、體積大，且其性能受環(huán)境影響較大，當(dāng)溫度、濕度發(fā)生變化或受到振動(dòng)、沖擊時(shí)，整機(jī)的性能指標(biāo)會(huì)發(fā)生較大變化，測(cè)試結(jié)果可信度降低，不利于批量生產(chǎn)。隨著軟件無(wú)線電技術(shù)的快速發(fā)展，目前的頻譜分析儀大多采用數(shù)字中頻技術(shù)，以數(shù)字濾波器或快速傅里葉變換(FFT)為基礎(chǔ)，精度高、功能配置靈活，可以完全替代復(fù)雜的模擬中頻電路組件。

頻譜分析儀；全數(shù)字中頻設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

信號(hào)的描述方式一般有兩種，一種是時(shí)域的描述，另外一種是頻域的描述。時(shí)域描述方式是電壓或者電流信號(hào)相對(duì)于時(shí)間的變化關(guān)系，最直觀的一種儀器就是示波器，信號(hào)的頻域描述指的是電壓或者電流信號(hào)相對(duì)于頻率的變化關(guān)系，頻譜分析儀就是這種描述方式的一種體現(xiàn)。

1 頻譜分析儀原理

隨著微處理器的處理速度越來(lái)越快，利用計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理已成為通用的方法。即將待測(cè)信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)，然后通過(guò)FFT (快速傅里葉變換)轉(zhuǎn)成頻域信號(hào)再顯示。FFT頻譜分析儀的理論根據(jù)為均勻抽樣定理和傅里葉變換。均勻抽樣定理 一個(gè)在頻譜中不含有大于頻率Fmax分量的有限頻帶的信號(hào)，由對(duì)該信號(hào)以不大于1/ (2Fmax)的時(shí)間間隔進(jìn)行的抽樣值惟一地確定。當(dāng)這樣的抽樣信號(hào)通過(guò)截止頻率為F(Fmax≤F≤Fsample(采樣)-Fmax)的理想低通濾波器后，可以將原信號(hào)完全重建。當(dāng)然FFT頻譜分析儀A /D的實(shí)際采樣頻率應(yīng)＞2Fmax。傅里葉變換 根據(jù)傅里葉變換，信號(hào)可用時(shí)域函數(shù)f(t)完整地表示出來(lái)，也可用頻域函數(shù)F(jk)=F傅里葉變換[f(t)]完整地表示出來(lái)，而且兩者間有密切的聯(lián)系，其中只要一個(gè)確定，另一個(gè)也隨之惟一地確定。所以可實(shí)現(xiàn)時(shí)域向頻域的轉(zhuǎn)換。

2 中頻信號(hào)處理

中頻信號(hào)處理在變頻后的最后一級(jí)中頻進(jìn)行，由于中頻增益可以以確定的步進(jìn)調(diào)整，因此后續(xù)信號(hào)處理部分可將最大信號(hào)電平保持恒定。輸入信號(hào)的頻譜應(yīng)通過(guò)相對(duì)緩慢的本振調(diào)諧變換到中頻來(lái)避免幅度誤差，因此現(xiàn)代頻譜分析儀多選用優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)的高斯濾波器，在確保不失真進(jìn)行頻譜分析的同時(shí)盡可能實(shí)現(xiàn)相對(duì)短的測(cè)試時(shí)間。對(duì)于相關(guān)信號(hào)的測(cè)量，比如雷達(dá)中的典型脈沖信號(hào)，脈沖帶寬可用如下公式計(jì)算得出：

式中BI：為脈沖帶寬，單位為Hz，Hv(f)為電壓傳遞函數(shù)，HO，O為電壓傳遞函數(shù)在通帶中心點(diǎn)處的值。如果用外差式頻譜儀測(cè)量正弦信號(hào)，當(dāng)頻率跨度設(shè)置較小時(shí)，根據(jù)傅氏變換，結(jié)果應(yīng)為1根單獨(dú)的譜線，而實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示的則是中頻濾波器的形狀。掃描時(shí)，輸入信號(hào)掃過(guò)中頻濾波器并乘以濾波器的傳遞函數(shù)后變換到中頻。

3 頻譜分析儀的數(shù)字中頻設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 頻譜分析儀的數(shù)字中頻技術(shù)

數(shù)字中頻技術(shù)的結(jié)構(gòu)框圖 現(xiàn)代頻譜儀將外差掃描頻譜分析技術(shù)與FFT信號(hào)處理技術(shù)巧妙的結(jié)合起來(lái)，兼有兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：前端仍采用傳統(tǒng)的外差式模擬變頻結(jié)構(gòu)，而在中頻處理部分采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，該部分使用數(shù)字技術(shù)取代了原來(lái)的模擬部分使得性能大幅度提高。數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)在現(xiàn)階段也使用很多的一種設(shè)計(jì)方式，就是在數(shù)字中頻中加入快速傅里葉變換，可以省去數(shù)字檢波這一塊，最終數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)直接讀入上位機(jī)進(jìn)行顯示處理。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 FFT 結(jié)構(gòu)的中頻結(jié)構(gòu)圖

被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬下變頻到達(dá)中頻之后，經(jīng)高速 A/D 采集，通過(guò)與 NCO 產(chǎn)生的數(shù)字本振掃頻信號(hào)混頻，下變頻后得到 I 和 Q 兩路正交信號(hào)，每一路都經(jīng)過(guò)抽取和濾波后變成基帶信號(hào)，在進(jìn)行 FFT運(yùn)算之前，需要加上窗函數(shù)，這樣做是為了防止頻譜泄露。完成 FFT運(yùn)算后是上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)，上圖中因?yàn)?FFT 模塊的存在而沒(méi)有了檢波模塊。從圖中可以看出數(shù)字下變頻仍然是是關(guān)鍵的信號(hào)通道，運(yùn)算量巨大，它的輸出有數(shù)字基帶信號(hào)的同相分量，正交分量，幅度信息和相位信息，減輕了后端的信號(hào)處理量。

3.2 頻譜分析儀的數(shù)字中頻設(shè)計(jì)

在數(shù)字中頻的設(shè)計(jì)中使用 15Mhz 的信號(hào)去采樣 10Mhz 的信號(hào)，其中高速AD 使用的是 AD 公司推出的 AD9280 芯片，該 AD 芯片是 8 位位寬，最大采樣率可以達(dá)到 32Mbps。在信號(hào)進(jìn)入 AD 芯片之前，使用了一片 AD8056 芯片構(gòu)建衰減電路，接口的輸入范圍是-5V～+5V(10Vpp)。衰減以后，才能滿足 AD 的輸入范圍，其轉(zhuǎn)換公式如下：

當(dāng)輸入信號(hào)為 5V 的時(shí)候，AD 的輸入信號(hào)為 2V，當(dāng)輸入信號(hào)為-5V 時(shí)，輸入 AD 的信號(hào)為 0V。

在數(shù)字中頻的搭建中，使用的是紅芯電子的 Xilinx 開(kāi)發(fā)板如圖4-6，其中可編程邏輯器件是 spartan3E 系列。該系類(lèi)芯片最多有 232個(gè)用戶 IO 管腳，320 個(gè)FBGA 封裝的引腳，并且有超過(guò) 10000 個(gè)邏輯單元。該芯片能夠很好的完成數(shù)字中頻的驗(yàn)證工作。

綜上所述，本文提出的頻譜分析儀中頻技術(shù)，使用模擬射頻前端寬帶掃描與數(shù)字中頻相結(jié)合的構(gòu)架，及軟件替代部分硬件功能，省去了大量的模擬濾波器和模擬中頻組件，提高了整機(jī)的可靠性，技術(shù)指標(biāo)與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相當(dāng)，也是現(xiàn)在主流頻譜分析儀采用的技術(shù)方案。今后我們將繼續(xù)開(kāi)展基于數(shù)字中頻的寬帶實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)的研究。

[1]曹聯(lián)國(guó)，鐘景華.頻譜分析儀的數(shù)字中頻設(shè)計(jì)方案[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2013，(05)：72-75.

[2]劉祖深.頻譜分析儀全數(shù)字中頻設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009，(02)：39-45.