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)計研究與實現(xiàn)

楊文超

青島興儀電子設(shè)備有限責(zé)任公司

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信號分析處理。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、沖擊時，整機的性能指標(biāo)會發(fā)生較大變化，測試結(jié)果可信度降低，不利于批量生產(chǎn)。隨著軟件無線電技術(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；實現(xiàn)

信號的描述方式一般有兩種，一種是時域的描述，另外一種是頻域的描述。時域描述方式是電壓或者電流信號相對于時間的變化關(guān)系，最直觀的一種儀器就是示波器，信號的頻域描述指的是電壓或者電流信號相對于頻率的變化關(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越快，利用計算機對信號進(jìn)行處理已成為通用的方法。即將待測信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號并輸入計算機，然后通過FFT (快速傅里葉變換)轉(zhuǎn)成頻域信號再顯示。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 一個在頻譜中不含有大于頻率Fmax分量的有限頻帶的信號，由對該信號以不大于1/ (2Fmax)的時間間隔進(jìn)行的抽樣值惟一地確定。當(dāng)這樣的抽樣信號通過截止頻率為F(Fmax≤F≤Fsample(采樣)-Fmax)的理想低通濾波器后，可以將原信號完全重建。當(dāng)然FFT頻譜分析儀A /D的實際采樣頻率應(yīng)＞2Fmax。傅里葉變換 根據(jù)傅里葉變換，信號可用時域函數(shù)f(t)完整地表示出來，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，而且兩者間有密切的聯(lián)系，其中只要一個確定，另一個也隨之惟一地確定。所以可實現(xiàn)時域向頻域的轉(zhuǎn)換。

2 中頻信號處理

中頻信號處理在變頻后的最后一級中頻進(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)信號處理部分可將最大信號電平保持恒定。輸入信號的頻譜應(yīng)通過相對緩慢的本振調(diào)諧變換到中頻來避免幅度誤差，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)行頻譜分析的同時盡可能實現(xiàn)相對短的測試時間。對于相關(guān)信號的測量，比如雷達(dá)中的典型脈沖信號，脈沖帶寬可用如下公式計算得出：

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)在通帶中心點處的值。如果用外差式頻譜儀測量正弦信號，當(dāng)頻率跨度設(shè)置較小時，根據(jù)傅氏變換，結(jié)果應(yīng)為1根單獨的譜線，而實際測試結(jié)果顯示的則是中頻濾波器的形狀。掃描時，輸入信號掃過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)計與實現(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信號處理技術(shù)巧妙的結(jié)合起來，兼有兩種技術(shù)的優(yōu)點：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

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

3.2 頻譜分析儀的數(shù)字中頻設(shè)計

在數(shù)字中頻的設(shè)計中使用 15Mhz 的信號去采樣 10Mhz 的信號，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)輸入信號為 5V 的時候，AD 的輸入信號為 2V，當(dāng)輸入信號為-5V 時，輸入 AD 的信號為 0V。

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

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，提高了整機的可靠性，技術(shù)指標(biāo)與國外同類產(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)開展基于數(shù)字中頻的寬帶實時頻譜分析技術(shù)的研究。

[1]曹聯(lián)國，鐘景華.頻譜分析儀的數(shù)字中頻設(shè)計方案[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)計研究與實現(xiàn)[J].電子測量與儀器學(xué)報，2009，(02)：39-45.