本發(fā)明涉及測試技術領域，特別涉及一種快速多分辨率頻譜分析系統(tǒng)，還涉及一種快速多分辨率頻譜分析方法。

背景技術：

頻譜分析儀是一種廣泛應用的微波射頻信號的頻域測量工具，頻譜分析目前主要有掃頻頻譜分析法和FFT頻譜分析法，相對于掃頻頻譜分析法而言，F(xiàn)FT頻譜分析儀更加適合高分辨率頻譜分析和快速頻譜分析的場合，例如用于分析非平穩(wěn)信號的實時頻譜分析。

當前的FFT頻譜分析儀采用了固定分辨率的頻譜分析方式，即測量的全部范圍的頻譜數(shù)據(jù)都是相同的分辨率帶寬。有時在多種場合下，需要進行多分辨率頻譜分析。例如使用FFT頻譜分析儀進行單邊帶相位噪聲測量時，測量近端相位噪聲所使用的頻率分辨率高，測量遠端相位噪聲所使用的頻率分辨率低。圖1顯示了典型的相位噪聲測試曲線，其中ΔF表示某一段頻率區(qū)間采用的頻率分辨率，通常ΔF4＞ΔF3＞ΔF2＞ΔF1。

多分辨率頻譜分析的另一個典型應用場合就是頻譜發(fā)射模板測量。多數(shù)通信發(fā)射模板測量要求在對相對于發(fā)射機載波偏移不同頻率范圍的雜散測量所采用的頻率分辨率不同。例如WCDMA頻譜發(fā)生模板要求偏離載頻2.5MHz-3.5MHz的頻段內采用30kHz的頻率分辨率測量，3.5MHz-12.5MHz的頻段外采用1MHz的頻率分辨率測量。另外在某些電磁環(huán)境信號頻譜測量時，對于某些信號密集的頻段采用較高的頻率分辨率測量，對于信號密集程度不高的頻段采用較大分辨率測量。

另外由于FFT頻譜分析法的頻率分辨率和時間分辨率存在的固有矛盾，對于實時頻譜分析的場合，希望某些測量頻帶內獲得的瀑布圖，頻率分辨率低而時域分辨率高，而在其更窄的頻帶內獲得的瀑布圖，頻率分辨率高而時域分辨率低。因此現(xiàn)代微波信號分析儀能夠執(zhí)行多分辨率頻譜分析是具有很大實用價值的。

目前的微波FFT頻譜分析儀的頻率分辨率是可以進行設置的。典型的數(shù)字中頻式FFT頻譜分析儀的中頻處理方案如圖2所示。ADC單元21采集前端調諧接收通路輸出的模擬中頻信號生成數(shù)字中頻信號，數(shù)字中頻信號輸入到混頻單元22進行數(shù)字變頻處理，通常為了降低后續(xù)數(shù)字濾波處理的復雜度，通常將信號變頻到零中頻，生成基帶的I信號分量和正交的Q信號分量，IQ信號進入抽取濾波單元23進行抽取濾波，抽取濾波單元23輸出的IQ信號進入FFT頻譜計算單元24進行傅里葉變換處理獲得信號的頻譜數(shù)據(jù)，最后輸出到頻譜顯示單元25進行顯示。值得注意的是抽取濾波單元24是一個抽取比可變的數(shù)字濾波裝置，抽取濾波模塊用于將帶寬較寬的IQ信號數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)字濾波和降低采樣率處理，生成帶寬較窄且IQ數(shù)據(jù)速度較低的IQ信號數(shù)據(jù)。

在實際工程應用中，受到最大FFT點數(shù)的限制，為了實現(xiàn)頻譜分析的高頻率分辨率，寬帶的IQ信號數(shù)據(jù)經(jīng)過抽取濾波處理后，在窄帶IQ信號數(shù)據(jù)上執(zhí)行FFT變換，可獲得更高的頻率分辨率。

為了執(zhí)行多分辨率頻譜分析，現(xiàn)有的技術方案通常是：

第一步：將FFT頻譜分析儀中心頻率調諧到第一感興趣的頻帶的中心；

第二步：依據(jù)第一感興趣頻帶要求的頻率分辨率設置抽取濾波單元24的抽取比，并基于抽取濾波單元24輸出的信號數(shù)據(jù)執(zhí)行所要求頻率分辨率的FFT頻譜分析；

第三步：將FFT頻譜分析儀中心頻率調諧到第二感興趣的頻帶的中心；

第四步：依據(jù)第二感興趣頻帶要求的頻率分辨率設置抽取濾波單元24的抽取比，并基于抽取濾波單元24輸出的信號數(shù)據(jù)執(zhí)行要求頻率分辨率的FFT頻譜分析；

第五步：依次類推，可獲得所有感興趣的信號頻帶的頻譜分析

第六步：基于所有感興趣頻帶的頻譜數(shù)據(jù)構造出多分辨率頻譜分析軌跡并顯示。

現(xiàn)有的技術方案采用了分段調諧，分時測量的方式完成多分辨率頻譜分析，測量效率低。例如執(zhí)行相位噪聲測量時，起始頻率為10Hz，終止頻率10MHz時。為了測量近端相位噪聲，例如10Hz頻偏，需要的頻率分辨率至少小于3Hz，為了測量遠端相位噪聲，需要的頻率分辨率至少為3MHz。另外，執(zhí)行這些測量，通常還需要執(zhí)行大量的平均處理。因此執(zhí)行一次測量可能需要花費十幾秒甚至幾分鐘的時間，這在某些要求效率的生產(chǎn)測試的場合是不能滿足要求的。另外，當被測信號存在頻率漂移時，測量結果也會產(chǎn)生較大失真?，F(xiàn)有的技術方案也無法適用于對瞬態(tài)突發(fā)信號進行實時頻譜分析的場合。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有的頻譜分析方法無法進行多分辨率頻譜分析的缺點，本發(fā)明提出了一種多分辨率頻譜分析系統(tǒng)及方法，準確的說是利用FFT頻譜分析技術快速或實時進行多分辨率頻譜分析的系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：

一種多分辨率頻譜分析系統(tǒng)，ADC單元采集超外差接收單元輸出的模擬中頻信號并生成數(shù)字中頻信號，數(shù)字中頻信號輸入到混頻單元進行數(shù)字變頻處理，混頻單元輸出的寬帶IQ信號數(shù)據(jù)一路直接輸入到FFT頻譜計算單元進行低分辨率頻譜分析，混頻單元輸出的寬帶IQ信號數(shù)據(jù)另一路輸入到級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元進行處理，輸出的IQ信號數(shù)據(jù)輸入到FFT頻譜計算單元進行較高分辨率頻譜分析，F(xiàn)FT頻譜計算單元輸出的多種頻率分辨率的頻譜分析軌跡送入頻譜顯示單元中顯示。

可選地，上述多分辨率頻譜分析系統(tǒng)包括多個并行的級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元。

可選地，所述級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元包括多個復調諧抽取比濾波模塊，且依次連接到一起。

可選地，所述級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元中，輸入的IQ信號輸入到第一級復調諧抽取濾波模塊，第一級復調諧抽取濾波模塊是最大抽取比為K1的抽取濾波模塊，第一級復調諧抽取濾波模塊輸出的IQ信號數(shù)據(jù)輸入到第二級復調諧抽取濾波模塊，第二級復調諧抽取濾波模塊是最大抽取比為K2的抽取濾波模塊，依次類推，第N-1級復調諧抽取濾波模塊的輸出的IQ信號數(shù)據(jù)輸入到第N級復調諧抽取濾波模塊，任何一級復調諧抽取濾波模塊的輸出都輸入到FFT頻譜計算模塊進行頻譜計算。

可選地，所述級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元的最大抽取比為K＝K1*K2*...*KN，在最大抽取比下，實現(xiàn)最小頻率分辨率。

可選地，所述復調諧抽取濾波模塊為可變抽取比濾波模塊或者固定抽取比濾波模塊。

可選地，每一級復調諧抽取濾波模塊包括復調諧子模塊和抽取濾波子模塊兩個子模塊，或者僅包括一個抽取濾波子模塊，或者包括復調諧子模塊和抽取濾波子模塊兩個子模塊，將復調諧子模塊作為可選支路。

可選地，所述FFT頻譜計算單元處理來自所有復調諧抽取濾波模塊輸出的IQ信號數(shù)據(jù)，包括一個FFT頻譜計算模塊或多個并行的FFT頻譜計算模塊，一個FFT頻譜計算模塊或多個并行的FFT頻譜計算模塊分時或同時處理來自所有復調諧抽取濾波模塊輸出的IQ信號數(shù)據(jù)。

可選地，所述頻譜顯示單元包括一個或多個顯示窗口，一個顯示窗口顯示基于每個FFT頻譜計算模塊輸出的頻譜數(shù)據(jù)構造的多分辨率頻譜軌跡，多個顯示窗口同時顯示不同頻帶的不同頻率分辨率的頻譜軌跡。

基于上述分析系統(tǒng)，本發(fā)明還提出了一種快速多分辨率頻譜分析方法，包括以下步驟：

第一步：將FFT頻譜分析儀中心頻率調諧到末級中頻信號帶寬覆蓋所有目標信號頻帶；

第二步：如果系統(tǒng)FFT最大點數(shù)允許，對混頻單元輸出的IQ數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT頻譜分析，獲得某一頻率分辨率對應頻帶的信號頻譜，否則執(zhí)行第三步；

第三步：控制某一個級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元的第一級復調諧抽取濾波模塊，使其輸出的IQ信號頻帶中心頻率等于某一頻率分辨率對應頻帶的中心，對第一級之后的其他復調諧抽取濾波模塊設置為旁路，對第一級復調諧抽取濾波模塊之后的某一級復調諧抽取濾波模塊輸出的IQ信號數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT頻譜分析，獲得某一頻率分辨率對應頻帶的信號頻譜或實時譜圖；

第四步：控制另一個級聯(lián)的復調諧濾波器單元的第一級復調諧抽取濾波模塊，使其輸出的IQ信號頻帶中心頻率等于另一頻率分辨率對應頻帶的中心，對第一級之后的其他復調諧抽取濾波模塊設置為旁路，對第一級復調諧抽取濾波模塊之后的某一級復調諧抽取濾波模塊輸出的IQ信號數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT頻譜分析，獲得另一頻率分辨率對應頻帶的信號頻譜或實時譜圖；

第四步：依次類推，獲得所有頻率分辨率對應頻帶的信號頻譜或實時譜圖；

第五步：基于所有頻率分辨率對應頻帶的信號頻譜構造出所有目標頻帶的多分辨率頻譜軌跡并顯示，或通過多個窗口顯示不同頻率分辨率對應頻帶的實時譜圖。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)FFT頻譜計算單元包括一個FFT頻譜計算模塊或多個并行的FFT頻譜計算模塊，一個FFT頻譜計算模塊或多個并行的FFT頻譜計算模塊可分時或同時處理來自所有抽取濾波鏈路節(jié)點輸出的IQ信號數(shù)據(jù)。

(2)頻譜顯示單元可包括一個或多個顯示窗口，一個顯示窗口可顯示基于每個FFT頻譜計算模塊輸出的頻譜數(shù)據(jù)構造的多分辨率頻譜軌跡，多個顯示窗口也同時顯示不同頻帶的不同頻率分辨率的頻譜軌跡。

(3)相對于現(xiàn)有技術方案來說，本發(fā)明技術方案的測量效率更高。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為典型的相位噪聲測試曲線示意圖；

圖2為典型的數(shù)字中頻式FFT頻譜分析儀的中頻處理方案原理圖；

圖3為本發(fā)明的多分辨率頻譜分析系統(tǒng)的原理圖；

圖4為本發(fā)明級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元的原理圖；

圖5為本發(fā)明每一級復調諧抽取濾波模塊的原理圖；

圖6為本發(fā)明級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元的一個具體實施例的結構圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

為了更快地執(zhí)行多分辨率頻譜分析，本發(fā)明提出了一種多分辨率頻譜分析系統(tǒng)，如圖3所示，ADC單元31采集超外差接收單元30輸出的模擬中頻信號并生成數(shù)字中頻信號，數(shù)字中頻信號輸入到混頻單元32進行數(shù)字變頻處理，混頻單元32輸出的寬帶IQ信號數(shù)據(jù)一路直接輸入到FFT頻譜計算單元34進行低分辨率頻譜分析，混頻單元32輸出的寬帶IQ信號數(shù)據(jù)另一路輸入到級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元33進行處理，輸出的IQ信號數(shù)據(jù)輸入到FFT頻譜計算單元34進行較高分辨率頻譜分析，F(xiàn)FT頻譜計算單元34輸出的多種頻率分辨率的頻譜分析軌跡送入頻譜顯示單元35中顯示。

本發(fā)明的快速多分辨率頻譜分析系統(tǒng)可包括多個并行的級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元34，圖3中僅示出了多個并行的級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元的其中一個。

級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元34包括多個復調諧抽取比濾波模塊，且依次連接到一起。圖4給出了級聯(lián)的復調諧抽取濾波的實現(xiàn)結構圖，包括輸入的IQ信號輸入到第一級復調諧抽取濾波模塊41，第一級復調諧抽取濾波模塊41是最大抽取比為K1的抽取濾波模塊，第一級復調諧抽取濾波模塊41的輸出的IQ信號數(shù)據(jù)輸入到第二級復調諧抽取濾波模塊42，第二級復調諧抽取濾波模塊42是最大抽取比為K2的抽取濾波模塊，依次類推，第N-1級復調諧抽取濾波模塊的輸出的IQ信號數(shù)據(jù)輸入到第N級復調諧抽取濾波模塊4N，任何一級復調諧抽取濾波模塊的輸出都可以輸入到FFT頻譜計算模塊34進行頻譜計算。

級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元33的最大抽取比為K＝K1*K2*...*KN，在最大抽取比下，可以實現(xiàn)感興趣頻帶頻譜分析所要求的最小頻率分辨率。

本發(fā)明的快速多分辨率頻譜分析系統(tǒng)中，所有的復調諧抽取濾波模塊均可以為可變抽取比濾波模塊，也可以是固定抽取比濾波模塊，且抽取比遠遠小于級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元33的最大抽取比K。

如圖5所示，每一級復調諧抽取濾波模塊包括復調諧子模塊和抽取濾波子模塊兩個子模塊，或者僅包括一個抽取濾波子模塊，或者包括復調諧子模塊和抽取濾波子模塊兩個子模塊，將復調諧子模塊做為可選的支路。

本發(fā)明的快速多分辨率頻譜分析系統(tǒng)中，F(xiàn)FT頻譜計算單元34處理來自所有抽取濾波鏈路節(jié)點輸出的IQ信號數(shù)據(jù)。FFT頻譜計算單元包括一個FFT頻譜計算模塊或多個并行的FFT頻譜計算模塊，一個FFT頻譜計算模塊或多個并行的FFT頻譜計算模塊可分時或同時處理來自所有抽取濾波鏈路節(jié)點輸出的IQ信號數(shù)據(jù)。

頻譜顯示單元35可包括一個或多個顯示窗口，一個顯示窗口可顯示基于每個FFT頻譜計算模塊輸出的頻譜數(shù)據(jù)構造的多分辨率頻譜軌跡。多個顯示窗口也同時顯示不同頻帶的不同頻率分辨率的頻譜軌跡。

本發(fā)明的快速多分辨率頻譜分析系統(tǒng)，ADC單元31之后的所有處理均可采用通用處理器、數(shù)字信號處理器、一個或多個現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件、一個或多個專用集成電路(ASIC)，或其任意兩種或多種組合來實現(xiàn)。

上述快速多分辨率頻譜分析系統(tǒng)，本發(fā)明還提出了一種快速多分辨率頻譜分析方法，包括以下步驟：

第一步：將FFT頻譜分析儀中心頻率調諧到末級中頻信號帶寬覆蓋所有目標信號頻帶；

第二步：如果系統(tǒng)FFT最大點數(shù)允許，可對混頻單元32輸出的IQ數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT頻譜分析，獲得某一頻率分辨率對應頻帶的信號頻譜，否則執(zhí)行第三步；

第三步：控制某一個級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元的第一級復調諧抽取濾波模塊，使其輸出的IQ信號頻帶中心頻率等于某一頻率分辨率對應頻帶的中心，對第一級之后的其他復調諧抽取濾波模塊設置為旁路，對第一級復調諧抽取濾波模塊之后的某一級復調諧抽取濾波模塊輸出的IQ信號數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT頻譜分析，獲得某一頻率分辨率對應頻帶的信號頻譜或實時譜圖；

第四步：控制另一個級聯(lián)的復調諧濾波器單元的第一級復調諧抽取濾波模塊，使其輸出的IQ信號頻帶中心頻率等于另一頻率分辨率對應頻帶的中心，對第一級之后的其他復調諧抽取濾波模塊設置為旁路，對第一級復調諧抽取濾波模塊之后的某一級復調諧抽取濾波模塊輸出的IQ信號數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT頻譜分析，獲得另一頻率分辨率對應頻帶的信號頻譜或實時譜圖；

第四步：依次類推，獲得所有頻率分辨率對應頻帶的信號頻譜或實時譜圖；

第五步：基于所有頻率分辨率對應頻帶的信號頻譜構造出所有目標頻帶的多分辨率頻譜軌跡并顯示，或通過多個窗口顯示不同頻率分辨率對應頻帶的實時譜圖。

下面結合一個具體實施例來進一步說明本發(fā)明的技術方案及其帶來的技術效果：

本實施例中，利用FFT頻譜分析技術進行相位噪聲測量，測量的相位噪聲起始頻偏和終止頻偏分別為10Hz和10MHz，假定快速多分辨率頻譜分析系統(tǒng)的中頻輸入帶寬大于等于20MHz，采用100MSPS進行中頻采集。本實施例的技術方案如圖6所示，超外差接收單元30調諧中心頻率等于被測信號頻率，ADC單元31采集模擬中頻信號轉化成數(shù)字中頻信號，將級聯(lián)的復調諧抽取濾波單元33的所有復調諧抽取濾波模塊全部旁路，混頻單元32將中頻變換到基帶，輸出的IQ數(shù)據(jù)等效采樣頻率為50MHz，第一級復調諧10倍抽取濾波模塊63對混頻單元32輸出的IQ信號數(shù)據(jù)進行抽取濾波，輸出的IQ數(shù)據(jù)等效采樣頻率為5MHz，第二級復調諧10倍抽取濾波模塊64對第一級復調諧10倍抽取濾波模塊63輸出的IQ信號數(shù)據(jù)進行抽取濾波，輸出的IQ數(shù)據(jù)等效采樣頻率為500kHz，第三級復調諧10倍抽取濾波模塊65對第二級復調諧10倍抽取濾波模塊64輸出的IQ信號數(shù)據(jù)進行抽取濾波，輸出的IQ數(shù)據(jù)等效采樣頻率為50kHz，第四級復調諧10倍抽取濾波模塊66對第三級復調諧10倍抽取濾波模塊65輸出的IQ信號數(shù)據(jù)進行抽取濾波，輸出的IQ數(shù)據(jù)等效采樣頻率為5kHz，第五級復調諧10倍抽取濾波模塊67對第四級復調諧10倍抽取濾波模塊66輸出的IQ信號數(shù)據(jù)進行抽取濾波，輸出的IQ數(shù)據(jù)等效采樣頻率為500Hz。FFT頻譜計算單元34對混頻單元32輸出的IQ信號數(shù)據(jù)計算FFT頻譜，獲得頻偏1MHz到10MHz之間的單邊帶相位噪聲測量結果，對第一級復調諧10倍抽取濾波模塊63輸出的IQ信號數(shù)據(jù)計算FFT頻譜，獲得頻偏100kHz到1MHz之間的單邊帶相位噪聲測量結果，對第二級復調諧10倍抽取濾波模塊64輸出的IQ信號數(shù)據(jù)計算FFT頻譜，獲得頻偏10kHz到100kHz之間的單邊帶相位噪聲測量結果，對第三級復調諧10倍抽取濾波模塊65輸出的IQ信號數(shù)據(jù)計算FFT頻譜，獲得頻偏1kHz到10kHz之間的單邊帶相位噪聲測量結果，對第四級復調諧10倍抽取濾波模塊66輸出的IQ信號數(shù)據(jù)計算FFT頻譜，獲得頻偏100Hz到1kHz之間的單邊帶相位噪聲測量結果，對第五級復調諧10倍抽取濾波模塊67輸出的IQ信號數(shù)據(jù)計算FFT頻譜，獲得頻偏10Hz到100Hz之間的單邊帶相位噪聲測量結果。測量結果顯示單元35將構造出的起始頻偏10Hz到終止頻偏10MHz的單邊帶相位噪聲測量結果顯示出來。

可以看出，本實施例中的FFT頻譜計算單元34可以同時對每一級復調諧抽取濾波模塊輸出的不同速率的IQ信號數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT頻譜計算，相對于現(xiàn)有技術方案來說，本發(fā)明技術方案的測量效率更高。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。