一种基于任意可变数字中频的信号分析装置及方法与流程

本发明属于信号分析领域，具体涉及一种基于任意可变数字中频的信号分析装置及方法。

背景技术：

信号分析仪采用超外差结构，通过混频器变频方式实现对输入信号的频谱搬移，变频到中频进行后续处理，如图1所示。理想的混频器只在中频端口产生射频信号与本振信号的和频与差频，但在实际的混频中，在中频端口还出现本振与射频的基波和各次谐波信号。当本振频率与中频频率相同或接近时，本振泄露信号将通过中频滤波器耦合在中频信号里，而中频滤波器无法将此本振泄露信号消除。为消除该本振泄露，通常采用零频抑制技术来抵消该泄露。

零频抑制电路主要由微带线耦合器、模拟移相器、压控衰减器、滤波器以及电压产生电路组成，如图2所示。微带线耦合器用于耦合本振信号，提供其它一路本振信号。模拟移相器可调节本振信号相位。基本工作原理为：变频通路上本振信号通过混频器泄露到中频信号中；同时本振信号通过微带线耦合器耦合出一路信号，先经过模拟移相器进行相位调制，再通过压控衰减进行幅度调整，最后通过微带线耦合器耦合到中频信号中，使得两路信号等幅反相，从而抵消本振泄露信号。

现有技术存在以下缺点：

1、信号分析仪采用超外差结构架构，由于混频器隔离度有限，本振信号包含第一本振、第二本振甚至是第三本振会出现在混频器的输出端，耦合到中频信号中，会掩盖低频信号，通常采用零频抑制电路来消除本振信号漏到中频信号上，增加了额外电路，需要移相器、衰减以及电压产生等电路，提高了硬件成本与仪器功耗。

2、采用零频抑制电路进行本振泄露抵消时，只有严格等幅反相时才能完全消除，而实际工程应用时存在偏差，不可能完全消除。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于任意可变数字中频的信号分析装置及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于任意可变数字中频的信号分析装置，包括变频接收单元、中频调理单元以及数字处理单元；变频接收单元、中频调理单元和数字处理单元通过线路连接；

变频接收单元包括可编程衰减器、高波段变频通路、低波段调理通路、参考环和本振合成环路；

可编程衰减器，被配置为用于将射频输入信号分成高波段信号和低波段信号两路信号；

高波段变频通路，被配置为用于对高波段信号进行处理；

低波段调理通路，被配置为用于对低波段信号进行处理；

本振合成环路，被配置为用于为高波段变频通路提供高纯本振信号；

参考环，被配置为用于为本振合成环路提供参考信号；

中频调理单元包括放大器和滤波器；

数字处理单元包括采集调理电路、时钟驱动电路、adc转换器和数字下变频处理模块；

采集调理电路被配置为用于对adc采样前信号进行滤波与增益控制；

时钟驱动电路被配置为用于adc转换器提供高稳定性时钟信号；

adc转换器，被配置为用于将低波段信号和经过中频处理后的高波段信号转换为数字信号；

数字下变频处理模块，被配置为用于将经过adc转换器处理的信号进行数字下变频处理。

优选地，数字下变频处理模块包括高纯数字本振合成单元、数字混频器、cic抽取数字滤波器、低通滤波器。

高纯数字本振合成单元，被配置为用于数字混频器提供两路正交的任意可变高纯数字本振频率；

数字混频器，被配置为用于对输入的中频信号进行下变频；

cic抽取数字滤波器，被配置为用于对数字混频后的同相与正交两路信号进行抽取降速与滤波处理；

低通滤波器，被配置为用于对cic滤波后信号进行低通滤波，滤除高频成分。

此外，本发明还提到一种基于任意可变数字中频的信号分析方法，该方法采用如上所述的一种基于任意可变数字中频的信号分析装置，具体包括如下步骤：

步骤1：输入射频信号经过可编程衰减器后分成低波段和高波段两路信号；

步骤2：高波段信号经过高波段变频通路后进入中频调理单元，其中本振合成环路为高波段变频通路提供高纯本振信号，参考环为本振合成环路提供参考信号；

步骤3：高波段信号经过中频调理单元固定中频处理后进入adc转换器；

步骤4：经过adc转换器采集后的高波段信号进入数字下变频处理模块进行数字下变频处理；高频段信号数字下变频时采用两路正交的固定数字本振信号进行混频，该数字本振信号由高纯数字本振合成单元产生；

步骤5：低波段信号经过低频段调理通路进行滤波、衰减或放大处理后直接进入adc转换器进行数字化采集；

步骤6：经过adc转换器采集后的低波段信号进入数字下变频处理模块进行数字下变频处理；低频段信号数字下变频时采用两路正交的任意可变的数字本振信号进行混频，该数字本振信号由高纯数字本振合成单元产生；

步骤7：经过数字下变频后的高波段信号和低波段信号通过抽取滤波模块进行抽取滤波；

步骤8：对抽取滤波后的信号进行包括频谱分析、时域分析在内的信号分析。

优选地，数字下变频处理采用任意可变数字中频方式，低频段信号不进行模拟混频，由高纯数字本振合成单元产生正交两路高纯本振频率，与输入数字采集信号进行混频产生可变中频信号。

优选地，当需要分析低波段信号时，高纯数字本振合成单元可设置相应的频率，输出严格同相和正交信号与adc转换器采集的数据进行数字混频；当需要分析高波段信号时，高纯数字本振合成单元设置固定的频率与数据采集信号进行混频。

优选地，在数字化处理过程中，低波段信号通道平坦度是非线性的，adc转换器采集的数据与高纯数字本振合成单元产生的本振信号混频后有效位数在不同频率点与所需位数不一致，采用自动满量程增益控制联合可调数字混频技术，其核心思想是根据adc转换器采集数据是否满量程来自动控制通路的增益以及数字化混频的有效位数截取；当数据采集位数未满量程，则调整增加通道的放大增益，反之，则减小增益，同时，根据ad采集数据的有效位数对数字混频进行优化。

优选地，高纯数字本振采用基于随机序列叠加与幅值压缩方式实现高纯信号产生，通过控制字调整相位累加器的增量，同时采用随机序列叠加方式来打破相位累加器相位截断误差的周期性，在相位累加器中对频率控制字加入随机序列，叠加随机序列信号，该序列满足均值为零，方差为固定值。相位增量与相位幅度误差叠加后送入查找表产生本振信号，最后经量化误差校准后输出高纯本振信号。

优选地，幅值压缩主要基于泰勒级数的线性插值方法，即根据公式(1)在连续两点之间采用线性插值；

sinθ＝sinθi+α(θ-θi)(1)；

其中，θ与θi分别为连续存储相位，α为泰勒级数线性插值函数。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明对于低波段信号采用全数字下变频方式，不需外额外的变频电路和零频抑制电路，降低了电路成本特别是电路的总体功耗，大大减小了电路体积，实现低波段输入信号直接数字下变频功能；采用自动满量程增益控制联合可调数字混频方法，通过数据采集位数是否满量程来自动调整通道增益，并对数字混频有效位数进行动态截取，实现高精度信号分析；提出一种结合随机序列叠加与幅值压缩方法实现高纯数字本振发生，基于泰勒级数线性展开方法进行压缩，增加了查找表的寻址位数，实现了高纯数字本振信号的产生，提高了信号分析的精度。

附图说明

图1为信号分析仪基本框图。

图2为零频抑制原理框图。

图3为本发明的总体实现框图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

一种基于任意可变数字中频的信号分析装置，如图3所示，包括变频接收单元、中频调理单元以及数字处理单元；变频接收单元、中频调理单元和数字处理单元通过线路连接；

变频接收单元包括可编程衰减器、高波段变频通路、低波段调理通路、参考环和本振合成环路；

可编程衰减器，被配置为用于将射频输入信号分成高波段信号和低波段信号两路信号；

高波段变频通路，被配置为用于对高波段信号进行处理；

低波段调理通路，被配置为用于对低波段信号进行处理；

本振合成环路，被配置为用于为高波段变频通路提供高纯本振信号；

参考环，被配置为用于为本振合成环路提供参考信号；

中频调理单元包括放大器和滤波器；

数字处理单元包括采集调理电路、时钟驱动电路、adc转换器和数字下变频处理模块；

采集调理电路被配置为用于对adc采样前信号进行滤波与增益控制；

时钟驱动电路被配置为用于adc转换器提供高稳定性时钟信号；

adc转换器，被配置为用于将低波段信号和经过中频处理后的高波段信号转换为数字信号；

数字下变频处理模块，被配置为用于将经过adc转换器处理的信号进行数字下变频处理。

数字下变频处理模块包括高纯数字本振合成单元、数字混频器、cic抽取数字滤波器、低通滤波器。

高纯数字本振合成单元，被配置为用于数字混频器提供两路正交的任意可变高纯数字本振频率；

数字混频器，被配置为用于对输入的中频信号进行下变频；

cic抽取数字滤波器，被配置为用于对数字混频后的同相与正交两路信号进行抽取降速与滤波处理；

低通滤波器，被配置为用于对cic滤波后信号进行低通滤波，滤除高频成分。

实施例2：

在上述实施例的基础上，本发明还提到一种基于任意可变数字中频的信号分析方法，具体包括如下步骤：

步骤1：输入射频信号经过可编程衰减器后分成低波段和高波段两路信号；

步骤2：高波段信号经过高波段变频通路后进入中频调理单元，其中本振合成环路为高波段变频通路提供高纯本振信号，参考环为本振合成环路提供参考信号；

步骤3：高波段信号经过中频调理单元固定中频处理后进入adc转换器；

步骤4：经过adc转换器采集后的高波段信号进入数字下变频处理模块进行数字下变频处理；高频段信号数字下变频时采用两路正交的固定数字本振信号进行混频，该数字本振信号由高纯数字本振合成单元产生；

步骤5：低波段信号经过低频段调理通路进行滤波、衰减或放大处理后直接进入adc转换器进行数字化采集；

步骤6：经过adc转换器采集后的低波段信号进入数字下变频处理模块进行数字下变频处理；低频段信号数字下变频时采用两路正交的任意可变的数字本振信号进行混频，该数字本振信号由高纯数字本振合成单元产生；

步骤7：经过数字下变频后的高波段信号和低波段信号通过抽取滤波模块进行抽取滤波；

步骤8：对抽取滤波后的信号进行包括频谱分析、时域分析在内的信号分析。

数字下变频处理采用任意可变数字中频方式，低频段信号不进行模拟混频，由高纯数字本振合成单元产生正交两路高纯本振频率，与输入数字采集信号进行混频产生可变中频信号。

当需要分析低波段信号时，高纯数字本振合成单元可设置相应的频率，输出严格同相和正交信号与adc转换器采集的数据进行数字混频；当需要分析高波段信号时，高纯数字本振合成单元设置固定的频率与数据采集信号进行混频。

在数字化处理过程中，低波段信号通道平坦度是非线性的，adc转换器采集的数据与高纯数字本振合成单元产生的本振信号混频后有效位数在不同频率点与所需位数不一致，采用自动满量程增益控制联合可调数字混频技术，其核心思想是根据adc转换器采集数据是否满量程来自动控制通路的增益以及数字化混频的有效位数截取；当数据采集位数未满量程，则调整增加通道的放大增益，反之，则减小增益，同时，根据ad采集数据的有效位数对数字混频进行优化。

高纯数字本振采用基于随机序列叠加与幅值压缩方式实现高纯信号产生，通过控制字调整相位累加器的增量，同时采用随机序列叠加方式来打破相位累加器相位截断误差的周期性，在相位累加器中对频率控制字加入随机序列，叠加随机序列信号，该序列满足均值为零，方差为固定值。相位增量与相位幅度误差叠加后送入查找表产生本振信号，最后经量化误差校准后输出高纯本振信号。

幅值压缩主要基于泰勒级数的线性插值方法，即根据公式(1)在连续两点之间采用线性插值；

sinθ＝sinθi+α(θ-θi)(1)；

其中，θ与θi分别为连续存储相位，α为泰勒级数线性插值函数。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。