頻譜分析儀全數字中頻設計研究與實現

楊文超

青島興儀電子設備有限責任公司

頻譜分析儀全數字中頻設計研究與實現

楊文超

青島興儀電子設備有限責任公司

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，且其性能受環境影響較大，當溫度、濕度發生變化或受到振動、沖擊時，整機的性能指標會發生較大變化，測試結果可信度降低，不利于批量生產。隨著軟件無線電技術的快速發展，目前的頻譜分析儀大多采用數字中頻技術，以數字濾波器或快速傅里葉變換(FFT)為基礎，精度高、功能配置靈活，可以完全替代復雜的模擬中頻電路組件。

頻譜分析儀；全數字中頻設計；實現

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系，頻譜分析儀就是這種描述方式的一種體現。

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行處理已成為通用的方法。即將待測信號通過模數轉換變成數字信號并輸入計算機，然后通過FFT (快速傅里葉變換)轉成頻域信號再顯示。FFT頻譜分析儀的理論根據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)的時間間隔進行的抽樣值惟一地確定。當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。當然FFT頻譜分析儀A /D的實際采樣頻率應＞2Fmax。傅里葉變換 根據傅里葉變換，信號可用時域函數f(t)完整地表示出來，也可用頻域函數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。所以可實現時域向頻域的轉換。

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行，由于中頻增益可以以確定的步進調整，因此后續信號處理部分可將最大信號電平保持恒定。輸入信號的頻譜應通過相對緩慢的本振調諧變換到中頻來避免幅度誤差，因此現代頻譜分析儀多選用優化瞬態響應的高斯濾波器，在確保不失真進行頻譜分析的同時盡可能實現相對短的測試時間。對于相關信號的測量，比如雷達中的典型脈沖信號，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，HO，O為電壓傳遞函數在通帶中心點處的值。如果用外差式頻譜儀測量正弦信號，當頻率跨度設置較小時，根據傅氏變換，結果應為1根單獨的譜線，而實際測試結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后變換到中頻。

3 頻譜分析儀的數字中頻設計與實現

3.1 頻譜分析儀的數字中頻技術

數字中頻技術的結構框圖 現代頻譜儀將外差掃描頻譜分析技術與FFT信號處理技術巧妙的結合起來，兼有兩種技術的優點：前端仍采用傳統的外差式模擬變頻結構，而在中頻處理部分采用全數字結構，該部分使用數字技術取代了原來的模擬部分使得性能大幅度提高。數字中頻結構在現階段也使用很多的一種設計方式，就是在數字中頻中加入快速傅里葉變換，可以省去數字檢波這一塊，最終數據數據直接讀入上位機進行顯示處理。其結構原理圖如圖1所示。

圖1 FFT 結構的中頻結構圖

被測信號經過模擬下變頻到達中頻之后，經高速 A/D 采集，通過與 NCO 產生的數字本振掃頻信號混頻，下變頻后得到 I 和 Q 兩路正交信號，每一路都經過抽取和濾波后變成基帶信號，在進行 FFT運算之前，需要加上窗函數，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據，上圖中因為 FFT 模塊的存在而沒有了檢波模塊。從圖中可以看出數字下變頻仍然是是關鍵的信號通道，運算量巨大，它的輸出有數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 頻譜分析儀的數字中頻設計

在數字中頻的設計中使用 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，最大采樣率可以達到 32Mbps。在信號進入 AD 芯片之前，使用了一片 AD8056 芯片構建衰減電路，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，其轉換公式如下：

當輸入信號為 5V 的時候，AD 的輸入信號為 2V，當輸入信號為-5V 時，輸入 AD 的信號為 0V。

在數字中頻的搭建中，使用的是紅芯電子的 Xilinx 開發板如圖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，使用模擬射頻前端寬帶掃描與數字中頻相結合的構架，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，技術指標與國外同類產品相當，也是現在主流頻譜分析儀采用的技術方案。今后我們將繼續開展基于數字中頻的寬帶實時頻譜分析技術的研究。

[1]曹聯國，鐘景華.頻譜分析儀的數字中頻設計方案[J].現代雷達，2013，(05)：72-75.

[2]劉祖深.頻譜分析儀全數字中頻設計研究與實現[J].電子測量與儀器學報，2009，(02)：39-45.