一种频谱分析系统的制作方法

本申请涉及信号测试技术领域，特别是涉及一种频谱分析系统。

背景技术：

频谱是频率谱密度的简称，是频率的分布曲线。复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡，这些谐振荡的幅值按频率排列的图形叫做频谱。频谱广泛应用于声学、光学和无线电技术等方面。频谱分析是一种将复噪声号分解为较简单信号的技术。有效的频谱分析工具是完成电子产品开发、检验、生产、工程验证等环节的重要工具。

现有的主流频谱分析工具，诸如：安捷伦频谱仪、罗德施瓦茨频谱仪等，其模板完备、性能优良，然而针对生产老化、工程验证等测试要求较低的应用场景，主流频谱分析工具价格偏贵、重量偏重、操作复杂，使用广泛程度不高。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高频谱分析使用广泛程度的频谱分析系统。

一种频谱分析系统，包括：信号输入模块、fpga模块、频谱分析模块和图形绘制模块，所述fpga模块的输入端连接所述信号输入模块的输出端；所述信号输入模块、所述fpga模块、所述图形绘制模块均与所述频谱分析模块连接；

所述信号输入模块用于接收射频信号，将所述射频信号转化为所述fpga模块可接收的第一模拟信号；

所述fpga模块用于将所述第一模拟信号进行数据预处理，得到待分析的数据；

所述频谱分析模块用于接收所述fpga模块输出的所述待分析的数据，对所述待分析的数据进行频谱分析，得到频谱分析数据；

所述图形绘制模块用于根据所述频谱分析模块输出的频谱分析数据绘制频谱图形。

在其中一个实施例中，所述fpga模块采样所述第一模拟信号，将所述第一模拟信号转换为第一数字信号；

将所述第一数字信号进行数据解析和采样率转换，得到第二数字信号；

将所述第二数字信号进行数字下变频处理，得到第三数字信号；

滤除所述第三数字信号的噪声和干扰，得到基带信号；

根据预设的抓取条件提取所述基带信号，得到所述待分析的数据。

在其中一个实施例中，所述抓取条件包括数据提取组数、数据提取长度。

在其中一个实施例中，所述频谱分析模块将所述待分析的数据进行信号平滑处理，得到第二数据；

将所述第二数据进行快速傅里叶变换，得到频谱分析数据。

在其中一个实施例中，所述信号输入模块将所述射频信号与系统本振进行混频，得到第二模拟信号；将所述第二模拟信号进行中频滤波，得到所述第一模拟信号，所述第一模拟信号为中频信号。

在其中一个实施例中，所述fpga模块还可以对所述第一数字信号进行实时峰值功率检测反馈控制所述信号输入模块。

在其中一个实施例中，所述fpga模块中集成有adc芯片；

所述fpga模块使用所述adc芯片的最大数据采样率对所述第一模拟信号进行采样。

在其中一个实施例中，所述图形绘制模块根据至少一组频谱分析数据的平均值绘制频谱图形。

在其中一个实施例中，所述频谱分析模块中集成有数字滤波器；

所述频谱分析模块通过所述数字滤波器对所述待分析的数据进行信号平滑处理得到所述第二数据。

在其中一个实施例中，所述fpga模块中集成有fir滤波器；

所述fpga模块通过所述fir滤波器对所述第一数字信号进行采样率转换。

上述一种频谱分析系统、装置和方法，通过搭建基于fpga模块、频谱分析模块的双核架构，可以简易且实时地对接收的射频信号进行数据预处理和频谱分析，提高了频谱分析系统的使用广泛程度。

附图说明

图1为一个实施例中一种频谱分析系统的系统框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

图1为本发明的一种频谱分析系统在一个实施例中的系统框图，如图1所示，本发明实施例中的频谱分析系统包括包括：信号输入模块101、fpga模块102、频谱分析模块103和图形绘制模块104，fpga模块102的输入端连接信号输入模块101的输出端；信号输入模块101、fpga模块102、图形绘制模块104均与频谱分析模块103连接；

信号输入模块101用于接收射频信号，将射频信号转化为fpga模块可接收的第一模拟信号；

fpga模块102用于将第一模拟信号进行数据预处理，得到待分析的数据；

频谱分析模块103用于接收fpga模块输出的待分析的数据，对待分析的数据进行频谱分析，得到频谱分析数据；

图形绘制模块104用于根据频谱分析模块输出的频谱分析数据绘制频谱图形。

其中，射频信号可以是tetra、gsm、wcdma、cdma2000、lte等常用的通信制式信号，射频信号的频段可以涵盖300mhz--3.5ghz。fpga(field－programmablegatearray)，即现场可编程门阵列，它是在pal、gal、cpld等可编程器件的基础上进一步发展的产物；它是作为专用集成电路(asic)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。图形绘制模块在实施例中可以是webgui模块。

在本发明实施例中，信号输入模块101用于接收射频信号，射频信号可以来源于其他不同设备输出的信号，本申请在此不做具体限定。信号输入模块将射频信号转化为fpga模块可接收的第一模拟信号，第一模拟信号可以是模拟中频信号、模拟零中频信号；本实施例采用184.32msps的中频方案对信号输入模块接收的射频信号进行转换，得到第一模拟信号；信号输入模块将第一模拟信号发送到fpga模块。fpga模块102用于接收信号输入模块输出的第一模拟信号，并将第一模拟信号进行数据预处理，转换第一模拟信号得到待分析的数据；fpga模块使用高速数据传输通道将待分析的数据发送到频谱分析模块。频谱分析模块在本发明的一个实施例中可以是mpc8309处理芯片。

频谱分析模块103用于接收fpga模块输出的待分析的数据，对待分析的数据进行频谱分析，得到频谱分析数据，并将频谱分析数据发送至图形绘制模块；与此同时，频谱分析模块与信号输入模块连接，频谱分析模块可以输入信号类型调整分析精度。

图形绘制模块104用于根据频谱分析模块输出的频谱分析数据之后对频谱分析数据进行界面操作处理，比如进行mark点测试、频谱分析数据显示，最终绘制出可视化的频谱图形。

上述实施例的一种频谱分析系统中，通过搭建基于fpga模块、频谱分析模块的双核架构，可以简易且实时地对接收的射频信号进行数据预处理和频谱分析，提高了频谱分析系统的使用广泛程度。

根据本发明的一个实施例，上述的一种频谱分析系统，fpga模块具体可以用于：

采样第一模拟信号，将第一模拟信号转换为第一数字信号；

将第一数字信号进行数据解析和采样率转换，得到第二数字信号；

将第二数字信号进行数字下变频处理，得到第三数字信号；

滤除第三数字信号的噪声和干扰，得到基带信号；

根据预设的抓取条件提取基带信号，得到待分析的数据。其中，数字下变频指在超外差式接收机中经过混频后得到的中频信号比原始信号的频率低的一种混频方式，是软件无线电的核心技术之一。数字下变频的方法是将接收信号与本地振荡器产生的本振信号相乘，然后通过低通滤波器获得变频后的信号。采样率转换指的是将第二数字信号进行采样率转换以适配此种频谱分析系统的系统采样率，以适应不同的扫描带宽应用。

在本发明实施例中，fpga模块采样信号输入模块输出的第一模拟信号，使用模数转换电子元件将第一模拟信号转换为第一数字信号；进一步地，依据模数转换电子元件输出的第一数字信号的数据格式对第一数字信号进行数据有效解析恢复，从而防止第一数字信号失真；对有效解析恢复后的第一数字信号进行采样率转换以适配此种频谱分析系统的应用采样率，得到第二数字信号，从而便于系统接收第二数字信号，对第二数字信号做进一步的分析。例如，典型的频谱分析系统的应用采样率fs一般可以为122.88msps、92.16msps、61.44msps、30.72msps。进一步地，将第二数字信号进行数字下变频处理，降低第二数字信号的信号频率，得到第三数字信号；例如，将数字中频信号数字下变频为数字零中频信号。此时第三数字信号携带着所测带宽外部噪声及干扰信号，通过使用低通滤波器滤除第三数字信号携带的所测带宽外部噪声和干扰信号，得到相对纯净的基带信号s(t)。基带信号的数据表达式为；

s(t)＝i(t)+j*q(t)；

其中，i(t)表示基带信号的同向分量，i(t)表示基带信号的正交分量，j表示虚数单位。

进一步地，fpga模块根据预设的抓取条件提取多组基带信号，将多组基带信号进行整合得到待分析的数据。

上述实施例的一种频谱分析系统中，通过使用fpga模块对信号输入模块输出的第一模拟信号进行模数转换、数据解析、采样率转换、数字下变频和滤除外部噪声和干扰，实现信号的预处理，便于进一步地频谱分析，从而提高了本发明提高的一种频谱分析系统的处理速度。

根据本发明的一个实施例，上述的一种频谱分析系统，抓取条件包括数据提取组数、数据提取长度。

在本发明实施例中，fpga模块根据频谱分析模块使能获得提取基带信号的抓取条件，抓取条件包括数据提取组数、数据提取长度。通过提取多组基带信号，将多组基带信号进行整合得到待分析的数据s(t)，因此待分析的数据s(t)是由多组基带信号组成的数据组。待分析的数据s(t)的数据表达式为；

其中n为数据提取组数，可以根据实际情况进行调整，当数据提取组数越多时，频谱分析的结果就越准确，但会增加频谱分析时的数据处理负担；l为数据长度，同样可以根据实际情况进行调整，当数据长度越长时，频谱分析的结果就越能真实反映信号，但会增加频谱分析时的数据处理负担，因此需要根据实际应用情况设置；si(t)表示第i组测量所得到的基带信号；在本实施例中，可以将数据提取组数n设置为10，可以将数据长度设置为4096。

上述实施例的一种频谱分析系统中，通过频谱分析模块使能调整，提取基带信号的抓取条件如数据提取组数、数据提取长度。可以使此种频谱分析系统根据实际应用场景实时调整频谱分析的精确程度，从而满足不同测量精度的要求，提高此种频谱分析系统的使用广泛程度。

根据本发明的一个实施例，上述的一种频谱分析系统，频谱分析模块具体可以用于：将待分析的数据进行信号平滑处理，得到第二数据；将第二数据进行快速傅里叶变换，得到频谱分析数据。其中，快速傅里叶变换(fastfouriertransform),即利用计算机计算离散傅里叶变换的高效、快速计算方法的统称，简称fft。采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少，特别是被变换的抽样点数n越多，fft算法计算量的节省就越显著。

在本发明实施例中，频谱分析模块接收fpga模块输出的待分析的数据进行平滑处理，得到第二数据s’(t),第二数据s’(t)的数据表达式为；

其中，wi(t)表示当前第i组测量所使用的滤波器系数。

进一步地，将第二数据s’(t)进行快速傅里叶变换从而将第二数据转换为与其对应的频域数据；其中定义fi(t)＝wi(t)*si(t),并将且快速傅里叶变化后的数据定义为fi(w)，联立上式可以得到多种频域下的频谱分析数据f(w)；频谱分析数据f(w)的表达式为；

其中，n为数据提取组数。

上述实施例的一种频谱分析系统中，通过频谱分析模块对待分析的数据进行信号平滑处理，得到第二数据，从而克服了数据相位不连续而引起的频谱扩散；将第二数据进行快速傅里叶变换，将时域信号转换为对应的频域信号，从而得到的频谱分析数据，直观地显示出射频信号经频谱分析后的频谱波形。

根据本发明的一个实施例，上述的一种频谱分析系统，信号输入模块具体可以用于：将射频信号与系统本振进行混频，得到第二模拟信号；将第二模拟信号进行中频滤波，得到第一模拟信号，第一模拟信号为中频信号。其中，系统本振可以是频谱分析系统的振荡器。振荡器产生用于与接收的射频信号进行混频的高频电磁波。

在本发明实施例中，信号输入模块将接收到的射频信号与系统中的振荡器产生的高频电磁波进行混频，得到第二模拟信号，第二模拟信号为待处理的模拟中频信号。例如，信号输入模块接收的信号是900khz.振荡器的本振频率是1365khz.两频率信号混合后就可以产生一个465khz或者2265khz的差频信号，上述差频信号为待处理的模拟中频信号。进一步地，使用低通滤波器对第二模拟信号进行中频滤波得到第一模拟信号。

上述实施例的一种频谱分析系统中，通过信号输入模块将接收到的射频信号转换中频模拟信号，实现射频信号的初步处理，便于fpga模块的进一步处理。

根据本发明的一个实施例，上述的一种频谱分析系统，fpga模块还可以对第一数字信号进行实时峰值功率检测反馈控制信号输入模块。

在本发明实施例中，fpga模块对第一数字信号进行实时峰值功率检测，并将其引入反馈回路控制信号输入模块，从而对信号输入模块输出的第一模拟信号进行输出功率控制，防止第一模拟信号输出溢出，进而防止第一数字信号输出溢出。

上述实施例的一种频谱分析系统中，通过fpga模块对第一数字信号进行实时峰值功率检测反馈控制信号输入模块，可以对信号输入模块输出的第一模拟信号进行输出功率控制，防止第一模拟信号输出溢出，进而防止第一数字信号输出溢出，提高此种频谱分析系统运行稳定性。

根据本发明的一个实施例，上述的一种频谱分析系统，fpga模块中集成有adc芯片；fpga模块使用adc芯片的最大数据采样率对第一模拟信号进行采样。其中，adc芯片即模数转换器，是指将模拟信号转变为数字信号的电子元件。由于第一模拟信号在时域上是连续的，因此可以将它转换为时间上连续的一系列数字信号。这样就要求定义一个参数来表示新的数字信号采样自模拟信号速率。这个速率称为转换器的采样率或采样频率。在本发明实施例中，fpga模块使用adc芯片的最大数据采样率对第一模拟信号进行采样，adc芯片的最大数据采样率为245.76msps。

上述实施例的一种频谱分析系统中，通过使用adc芯片的最大数据采样率对第一模拟信号进行采样，可以提高第一模拟信号的采样质量，进而确保频谱分析的结果能真实反映信号。

根据本发明的一个实施例，上述的一种频谱分析系统，图形绘制模块根据至少一组频谱分析数据的平均值绘制频谱图形。

在本发明实施例中，图形绘制模块根据至少一组频谱分析数据的平均值绘制频谱图形，可以根据一组频谱分析数据或若干组频谱分析数据的平均值来确定频谱图形。上述绘制模式根据操作者对图形绘制模块进行操作使能。当用户对频谱分析结果的精确度要求不高时，图形绘制模块根据一组频谱分析数据绘制频谱图形；当用户对频谱分析结果的精确度要求较高时，图形绘制模块根据多组频谱分析数据绘制频谱图形，频谱分析数据的组数越多，得到频谱图形越能反映真实信号。多组频谱分析数据平均值y(w)的计算表达式为；

上述实施例的一种频谱分析系统中，通过增加显示多次频谱分析数据平均频谱数据图形，从而提高数据测量准确性和干扰杂散等的分辨率，使此种频谱分析系统根据实际应用场景实时调整频谱图形显示的精确程度，从而满足不同测量精度的要求，提高此种频谱分析系统的使用广泛程度。

根据本发明的一个实施例，上述的一种频谱分析系统，频谱分析模块中集成有数字滤波器；频谱分析模块通过数字滤波器对待分析的数据进行信号平滑处理得到第二数据。

在本发明实施例中，频谱分析模块通过数字滤波器对待分析的数据进行信号平滑处理得到第二数据，其中数字滤波器的滤波器系数wi(t)，本实施例采用汉明窗函数实现，其滤波器系数wi(t)函数表达式为；

wi(t)＝0.5*(1-cos(2*pi*t/n)),0≤t≤n；

其中i指的是第i次测量。

上述实施例的一种频谱分析系统中，通过使用数字滤波器可以快速地对待分析的数据进行信号平滑处理得到第二数据，

根据本发明的一个实施例，上述的一种频谱分析系统，fpga模块中集成有fir滤波器；fpga模块通过fir滤波器对第一数字信号进行采样率转换。

其中，fir(finiteimpulseresponse)滤波器：有限长单位冲激响应滤波器，又称为非递归型滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而fir滤波器是稳定的系统。

在本发明实施例中，fpga模块中集成有fir滤波器，通过fir滤波器对第一数字信号进行采样率转换，可以稳定地将采样率较高的第一数字信号转换为系统所可以接收的第二数字信号。

以上实施例均采用宽带扫描测量，控制流程相对比较简单，可满足工程、工厂老化等的简易指标测试。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。