多通道实时频谱分析装置和方法与流程

本发明涉及信号处理技术领域，尤其是涉及多通道实时频谱分析装置和方法。

背景技术：

目前，频谱分析仪可应用于电磁脉冲测试、电磁干扰测试、通信测试和其他射频信号测试。

实时频谱仪在测试过程中可以保证时间的连续性。但是对于空间电磁场的测试，实时频谱仪通常只有一个接收设备，该接收设备为射频信号接收通道，该通道无法接收空间多个方向的信号，从而导致频谱数据结果不准确。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供多通道实时频谱分析装置和方法，可以采用多个并行射频通道，接收空间多个方向的信号，确保频谱数据结果的准确性。

第一方面，本发明实施例提供了多通道实时频谱分析装置，所述装置包括电磁场探头和主机，所述主机包括多个并行的射频模块、数字处理模块、上位机和可触摸显示屏；

所述电磁场探头与所述多个并行的射频模块相连接，所述多个并行的射频模块均与所述数字处理模块相连接，所述数字处理模块与所述上位机相连接，所述上位机与所述可触摸显示屏相连接；

所述射频模块，用于接收所述电磁场探头发送的射频信号，将所述射频信号进行下变频，得到中频模拟信号，将所述中频模拟信号进行模数转换，得到数字信号；

所述数字处理模块，用于将所述数字信号进行下变频，得到频谱搬移信号，将所述频谱搬移信号进行正交分解，得到正弦波模拟信号，将所述正弦波模拟信号进行滤波和短时傅里叶变换，得到频谱数据结果；根据所述频谱数据结果生成频谱曲线；

所述可触摸显示屏，用于显示所述频谱曲线。

第二方面，本发明实施例提供了多通道实时频谱分析方法，应用如上所述的多通道实时频谱分析装置，所述方法包括：

接收所述电磁场探头发送的射频信号；

将所述射频信号进行下变频，得到中频模拟信号；

将所述中频模拟信号进行模数转换，得到数字信号；

将所述数字信号进行下变频，得到频谱搬移信号；

将所述频谱搬移信号进行正交分解，得到正弦波模拟信号；

将所述正弦波模拟信号进行滤波和短时傅里叶变换，得到频谱数据结果；

根据所述频谱数据结果生成频谱曲线；

显示所述频谱曲线。

第三方面，本发明实施例提供了电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的方法。

第四方面，本发明实施例提供了具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行如上所述的方法。

本发明实施例提供了多通道实时频谱分析装置和方法，包括电磁场探头和主机，主机包括多个并行的射频模块、数字处理模块、上位机和可触摸显示屏；多个并行的射频模块均与数字处理模块相连接，数字处理模块与上位机相连接，上位机与可触摸显示屏相连接；射频模块用于接收电磁场探头发送的射频信号，将射频信号进行下变频，得到中频模拟信号，将中频模拟信号进行模数转换，得到数字信号；数字处理模块用于将数字信号进行下变频，得到频谱搬移信号，将频谱搬移信号进行正交分解，得到正弦波模拟信号，将正弦波模拟信号进行滤波和短时傅里叶变换，得到频谱数据结果；根据频谱数据结果生成频谱曲线；可触摸显示屏用于显示频谱曲线，可以采用多个并行射频通道，接收空间多个方向的信号，确保频谱数据结果的准确性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的多通道实时频谱分析装置示意图；

图2为本发明实施例一提供的主机示意图；

图3为本发明实施例一提供的电磁场探头示意图；

图4为本发明实施例一提供的电磁场探头的外形结构示意图；

图5为本发明实施例一提供的显示多个射频通道的示意图；

图6为本发明实施例一提供的显示一个射频通道的示意图；

图7为本发明实施例二提供的多通道实时频谱分析方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，频谱分析仪可应用于电磁脉冲测试、电磁干扰测试、通信测试和其他射频信号测试。

传统的频谱分析仪是通过扫描本振，将输入信号混频到固定的中频来实现频谱测量的。信号经过了若干级混频，最后通过模拟分辨率滤波器，这个模拟分辨率滤波器决定了频率分辨率。测量时间由两个因素决定，一是分辨率滤波器的设置时间，二是第一本振从终止频率回到起始频率的时间(即re-trace时间)。

第二代频谱分析仪在窄带宽时，采用了fft(fastfouriertransform，快速傅里叶变换)滤波器来代替模拟分辨率滤波器。多个窄带fft滤波器通过拼接来表示选定频跨内的一条迹线。因为对于窄带rbw(resolutionbandwidth，中频滤波器)而言，计算fft的时间小于窄带rbw的设置时间，所以与传统的频谱分析仪的扫频方法相比，该方法在处理速度上有着巨大的优势。

上述方法，对于扫频的终止点到下一次扫频起始点之间发生的信号也是无法测量得到的，这一段数据采集的间隙被称作“死区时间”。

而目前采用的实时频谱仪可以弥补上述方法的缺陷，避免了“死区时间”，在测试过程中可以保证时间的连续性。但是对于空间电磁场的测试，通常只有一个接收设备，该接收设备为射频信号接收通道，该通道无法接收空间多个方向的信号，从而导致频谱数据结果不准确。

为便于对本实施例进行理解，下面对本发明实施例进行详细介绍。

实施例一：

图1为本发明实施例一提供的多通道实时频谱分析装置示意图。

参照图1，该装置包括电磁场探头和主机。参照图2，主机包括多个并行的射频模块、数字处理模块、上位机和可触摸显示屏；

所述电磁场探头与所述多个并行的射频模块相连接，多个并行的射频模块均与数字处理模块相连接，数字处理模块与上位机相连接，上位机与可触摸显示屏相连接；

这里，多个并行的射频模块具有对应的射频通道，每个射频通道均具有相同的射频性能和信号处理能力，每个射频通道的数字化处理也是并行的，即每个射频通道可以独立工作，并且数据处理的时间同步。

射频模块，用于接收电磁场探头发送的射频信号，将射频信号进行下变频，得到中频模拟信号，将中频模拟信号进行模数转换，得到数字信号；

这里，射频模块可以接收电磁场探头发送的射频信号，由于射频模块的信号接口是通过的n型接头，故也可采用其他方式接收信号，例如，信号发生器通过射频电缆将射频信号发送给射频模块，从而完成对信号发生器输出信号的测试。

数字处理模块，用于将数字信号进行下变频，得到频谱搬移信号，将频谱搬移信号进行正交分解，得到正弦波模拟信号，将正弦波模拟信号进行滤波和短时傅里叶变换(shorttimefouriertransform，stft)，得到频谱数据结果；根据频谱数据结果生成频谱曲线；

可触摸显示屏，用于显示频谱曲线。

这里，主机还包括i/q存储模块，i/q存储模块用于存储频谱数据结果，并通过usb(universalserialbus，通用串行总线)导出。主机还包括第一n型接头、第二n型接头和第三n型接头，其中，第一n型接头、第二n型接头和第三n型接头为射频信号的输入端口。当与电磁场探头组合使用时，第一n型接头通过延长线与第一sma接头相连接，第二n型接头通过延长线与第二sma接头相连接，第三n型接头通过延长线与第三sma接头相连接。另外，主机的第二多芯航空插头通过延长线与电磁场探头的第一多芯航空插头相连接。

本实施例中，主机还包括上位机，上位机用于接收数字处理模块发送的频谱数据结果，并对频谱数据结果进行缓存，这是由于数字处理模块发送的数据量比较大，无法快速全部处理。上位机还可以绘制频谱曲线，并且显示频谱曲线，还可以对频谱曲线或频谱数据结果进行存储、导出或回放。上位机还可以对频谱数据结果处理完成后，对处理完成的频谱数据进行清除。

进一步的，多个并行的射频模块包括第一射频模块、第二射频模块和第三射频模块，其中，第一射频模块对应第一射频通道，第二射频模块对应第二射频通道，第三射频模块对应第三射频通道。

进一步的，频谱数据结果包括第一射频通道的频谱数据结果、第二射频通道的频谱数据结果和第三射频通道的频谱数据结果，其中，第一射频通道的频谱数据结果、第二射频通道的频谱数据结果和第三射频通道的频谱数据结果均包括多个频率点，每个频率点对应相应的电压值；

数字处理模块，用于从第一射频通道的频谱数据结果、第二射频通道的频谱数据结果和第三射频通道的频谱数据结果中分别选取同频率点的多个电压值，对同频率点的多个电压值计算得到同频率点的综合电压值，重复执行以上处理，直至每个同频率点均被遍历。

具体地，从第一射频通道的频谱数据结果、第二射频通道的频谱数据结果和第三射频通道的频谱数据结果中分别选取同频率点的多个电压值，并采用公式(1)进行计算，得到该频率点的综合电压值，此时，再获取下一个同频率点的电压值，再通过公式(1)进行计算，从而得到下一个同频率点的电压值，重复执行上述处理，直至每个同频率点均被遍历，此时，得到多个综合电压值，然后再用多个综合电压值绘制频谱曲线。表1为多个同频率点对应的电压值，具体参照表1：

其中，同频率点为100khz、200khz和300khz，x轴对应的电压、y轴对应的电压和z轴对应的电压可参照表1，根据公式(1)计算，可得到综合电压值，具体参照表2：

其中，当同频率点为100khz时，对应的综合电压值为0.27v；当同频率点为200khz时，对应的综合电压值为0.3v；当同频率点为300khz时，对应的综合电压值为0.23v。

进一步的，数字处理模块具体用于：

根据公式(1)计算同频率点的综合电压值：

其中，v为同频率点的综合电压值，x为从第一射频通道的频谱数据结果中选取的同频率点的电压值，y为从第二射频通道的频谱数据结果中选取的同频率点的电压值，z为从第三射频通道的频谱数据结果中选取的同频率点的电压值。

进一步的，数字处理模块包括单片机和电源管理模块；

单片机，与电源管理模块相连接，用于接收上位机发送的控制指令信息；

电源管理模块，分别与多个并行的射频模块相连接，用于根据单片机发送的控制指令信息控制多个并行射频模块对应射频通道的电源开关。

进一步的，控制指令信息包括开启指令信息或关闭指令信息；

电源管理模块，用于根据开启指令信息以拉高电平的方式开启多个并行射频模块对应射频通道的电源开关；

或者，

根据关闭指令信息以拉低电平的方式关闭多个并行射频模块对应射频通道的电源开关。

进一步的，参照图3，电磁场探头包括第一多芯航空插头、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第三低噪声放大器、第一天线、第二天线和第三天线，其中，第一低噪声放大器与第一天线相连接，第二低噪声放大器与第二天线相连接，第三低噪声放大器与第三天线相连接；

主机包括第二多芯航空插头，其中，第一多芯航空插头和第二多芯航空插头相连接；单片机通过射频模块与第二多芯航空插头相连接。

具体地，电磁场探头是三轴并行全向宽带有源探头，内置第一噪声放大器、第二噪声放大器和第三噪声放大器，三个轴向分别对应的第一天线、第二天线和第三天线相互正交，分别测试空间x、y和z方向的射频信号，其中，每个轴向包括天线和低噪声放大器，例如，x方向接收的射频信号包括第一天线和第一低噪声放大器，y方向接收的射频信号包括第二天线和第二低噪声放大器，z方向接收的射频信号包括第三天线和第三低噪声放大器。

进一步的，电磁场探头还包括同轴屏蔽线缆、屏蔽双芯线缆、第一sma接头、第二sma接头和第三sma接头，第一低噪声放大器通过同轴屏蔽线缆与第一sma接头相连接，第二低噪声放大器通过同轴屏蔽线缆与第二sma接头相连接，第三低噪声放大器通过同轴屏蔽线缆与第三sma接头相连接；第一低噪声放大器、第二低噪声放大器和第三低噪声放大器均通过屏蔽双芯线缆与第一多芯航空插头相连接。

具体地，参照图4，电磁场探头包括本体，本体的底部设置有第一sma接头、第二sma接头和第三sma接头，本体的一侧设置有第一多芯航空插头。

进一步的，单片机，用于根据用户输入的开启轴向指令信息，以拉高电平的方式控制第一低噪声放大器、第二低噪声放大器和第三低噪声放大器中的一种或几种低噪声放大器工作；

或者，

根据用户输入的关闭轴向指令信息，以拉低电平的方式控制第一低噪声放大器、第二低噪声放大器和第三低噪声放大器中的一种或几种低噪声放大器停止工作。

具体地，数字处理模块包括单片机，单片机包括三个引脚，分别为引脚1、引脚2和引脚3，引脚1、引脚2和引脚3通过第二多芯航空插头与电磁场探头内的低噪声放大器的使能脚相连接，即引脚1与第一低噪声放大器的使能脚相连接，引脚2与第二低噪声放大器的使能脚相连接，引脚3与第三低噪声放大器的使能脚相连接。当用户在主机的界面上输入x轴向的开启指令信息，单片机将与x轴相连接的第一低噪声放大器的使能脚的电平拉高，从而电磁场探头的x轴启动工作。

当主机单独使用时，第一射频通道、第二射频通道和第三射频通道任意开启一个或几个通道，开启的射频通道可以作为独立的实时频谱仪使用。

当选取多个射频通道时，主机中的可触摸显示屏对选取的射频通道的频谱数据结果同时进行显示，即开启第一射频通道、第二射频通道和第三射频通道时，显示的频谱数据结果如图5。当关闭第二射频通道和第三射频通道，开启第一射频通道时，显示的频谱数据结果如图6。

三个射频通道具备相同的射频性能和信号处理能力，对同一目标信号进行测试时可以得出相同的测试结果。当对同一目标信号测试时，三个射频通道可以得到相同的采样数据，基于相同的采样数据，数字处理模块可以对相同的采样数据进行不同频段的实时频谱处理。其中，每个射频通道具有最大100mhz的实时带宽，数字处理模块可以对三个不同的频率范围进行实时频谱处理。上位机可以根据用户的设置进行灵活的带宽分配和显示。例如，用户需要对同一目标信号实时观察的100mhz-200mhz，500mhz-600mhz，900mhz-1ghz的频谱信息，而这个需要3台100mhz实时带宽的频谱分析设备才可以完成的工作，本装置利用三个射频通道就可以独立完成。

当用户对实时带宽需要大于单通道的100mhz的最大实时带宽，可以启用增强模式。上位机将三个并行射频通道的实时带宽拼接成连续的测试带宽，实时带宽由100mhz提升至300mhz。例如，当用户需要对中心频率1ghz，300mhz带宽的信号进行实时频谱测试，本装置可以将三个射频通道的实时带宽进行拼接(拼接成不同的频率信号)，即第一射频通道测试850mhz-950mhz，第二射频通道测试950mhz-1050mhz，第三射频通道测试1050mhz-1150mhz，上位机将三个射频通道上传的实时频谱数据结果进行拼接，绘制成850mhz-1150mhz的频谱曲线。

当衰减器值不变时，该射频通道的动态范围固定且较小。当测试大信号和小信号同时存在的电磁场信号时，会有部分信号受到动态范围制约而无法测试到。有些信号出现的频率低，持续时间短，为了提高测试工作的效率，需要一次性捕捉整个信号的全貌。

为了解决动态范围有限的问题，基于三个射频通道具备相同的射频性能和信号处理能力的特点，设计了动态范围增加模式，三个射频通道设置为不同的衰减值，频谱数据结果在频谱曲线的y轴(幅度轴)进行拼接，从而可以扩大动态范围，同时捕获大小信号，不会漏掉信号的任何信息。例如，当衰减器设置为0db时，可以测试-100dbm～-20dbm的信号；当衰减器为-10dbm时，可以测试-90dbm～-10dbm；当衰减器为-20db时，可以测试-80dbm～0dbm。当开启动态范围增强模式后，第一射频通道衰减器为0db，第二射频通道衰减器为-10dbm，第三射频通道衰减器为-20dbm，对y轴结果进行拼接，动态范围会扩大为-100dbm～0dbm。

基于电磁场探头对空间x、y和z三个方向的电磁信号接收能力，主机三个射频通道具有并行的射频测试能力，可以在一段时间内毫无间隙的采集空间x、y和z三个方向的电磁场信号，在数字化后，一方面将数据进行频谱处理，另一方面将数字信号转化成正弦波模拟信号，按通道序号分别保存，从而解决了测试时段内电磁信号采集各向同性的问题，和各方向信号采集时间的同步问题。保存的正弦波模拟信号可通过usb设备导出，并输入给矢量信号源，通过天线进行电磁场信号的播放。

本发明实施例提供了多通道实时频谱分析装置，包括：电磁场探头和主机，主机包括多个并行的射频模块、数字处理模块、上位机和可触摸显示屏；多个并行的射频模块均与数字处理模块相连接，数字处理模块与上位机相连接，上位机与可触摸显示屏相连接；射频模块用于接收电磁场探头发送的射频信号，将射频信号进行下变频，得到中频模拟信号，将中频模拟信号进行模数转换，得到数字信号；数字处理模块用于将数字信号进行下变频，得到频谱搬移信号，将频谱搬移信号进行正交分解，得到正弦波模拟信号，将正弦波模拟信号进行滤波和短时傅里叶变换，得到频谱数据结果；根据频谱数据结果生成频谱曲线；可触摸显示屏用于显示频谱曲线，可以采用多个并行射频通道，接收空间多个方向的信号，确保频谱数据结果的准确性。

实施例二：

图7为本发明实施例二提供的多通道实时频谱分析方法流程图。

参照图7，应用如上多通道实时频谱分析装置，该方法包括以下步骤：

步骤s101，接收电磁场探头发送的射频信号；

步骤s102，将射频信号进行下变频，得到中频模拟信号；

步骤s103，将中频模拟信号进行模数转换，得到数字信号；

步骤s104，将数字信号进行下变频，得到频谱搬移信号；

步骤s105，将频谱搬移信号进行正交分解，得到正弦波模拟信号；

步骤s106，将正弦波模拟信号进行滤波和短时傅里叶变换，得到频谱数据结果；

步骤s107，根据频谱数据结果生成频谱曲线；

步骤s108，显示频谱曲线。

本发明实施例提供了多通道实时频谱分析方法，包括：接收电磁场探头发送的射频信号；将射频信号进行下变频，得到中频模拟信号；将中频模拟信号进行模数转换，得到数字信号；将数字信号进行下变频，得到频谱搬移信号；将频谱搬移信号进行正交分解，得到正弦波模拟信号；将正弦波模拟信号进行滤波和短时傅里叶变换，得到频谱数据结果；根据频谱数据结果生成频谱曲线；显示频谱曲线，可以采用多个并行射频通道，接收空间多个方向的信号，确保频谱数据结果的准确性。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例提供的多通道实时频谱分析方法的步骤。

本发明实施例还提供一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，计算机可读介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述实施例的多通道实时频谱分析方法的步骤。

本发明实施例所提供的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。