本發(fā)明涉及頻譜分析領(lǐng)域，特別涉及一種高性能頻譜分析儀及頻譜分析方法。

背景技術(shù)：

頻譜分析儀是研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測量儀器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等?，F(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果，能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號(hào)。

頻譜分析系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號(hào)的頻譜特性。頻譜分析儀依信號(hào)處理方式的不同，一般有兩種類型；即時(shí)頻譜分析儀（Real-Time Spectrum Analyzer）與掃描調(diào)諧頻譜分析儀（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer).即時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號(hào)振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號(hào)而有相對應(yīng)的濾波器與檢知器（Detector)，再經(jīng)由同步的多工掃描器將信號(hào)傳送到CRT或液晶等顯示儀器上進(jìn)行顯示，其優(yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波（Periodic Random Waves）的瞬間反應(yīng)，其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限于頻寬范圍，濾波器的數(shù)目與最大的多工交換時(shí)間（Switching Time).最常用的頻譜分析儀是掃描調(diào)諧頻譜分析儀，其基本結(jié)構(gòu)類似超外差式接收器，工作原理是輸入信號(hào)經(jīng)衰減器直接外加到混波器，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT同步的掃描產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號(hào)混波降頻后的中頻信號(hào)（IF）再放大，濾波與檢波傳送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的縱軸顯示信號(hào)振幅與頻率的對應(yīng)關(guān)系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明提供了一種智能化高精度電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及方法，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運(yùn)行穩(wěn)定、誤差小和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種高性能頻譜分析儀，其特征在于，所述分析儀包括：用于顯示頻譜的顯示單元；所述顯示單元信號(hào)連接于用于控制分析儀工作的處理器；所述處理器分別信號(hào)連接于用于進(jìn)行峰值檢波的峰值檢波單元、用于生成振蕩信號(hào)的振蕩單元和用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述峰值檢波單元信號(hào)連接于用于程控放大的程控放大單元；所述振蕩單元信號(hào)連接于用于低通濾波的低通濾波單元；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器信號(hào)連接于用于檢波的檢波單元；所述程控放大單元分別信號(hào)連接于所述低通濾波單元和用于混頻的混頻單元；所述混頻單元分別信號(hào)連接于用于對信號(hào)進(jìn)行放大處理的第一放大單元和第二放大單元；所述第二放大單元信號(hào)連接于用于帶通濾波的帶通濾波單元。

所述檢波單元包括：用于整流的有源整流器；所述有源整流器信號(hào)連接于用于進(jìn)行平方/除法運(yùn)算的平方/除法器；所述平方/除法器信號(hào)連接于用于作為輸入緩沖或?yàn)V波的獨(dú)立緩沖放大器；所述獨(dú)立緩沖放大器信號(hào)連接于偏置電路。

所述混頻單元為下混頻單元；所述混頻單元的輸入差分電壓值不低于2Vpp；所述混頻單元的輸入差分電壓頻率為250MHz。

所述顯示單元包括：顯示器和鍵盤；所述顯示器信號(hào)連接有處理器，用于根據(jù)處理器發(fā)送過來的信號(hào)顯示波形；所述鍵盤信號(hào)連接有處理器，用于提供給工作人員輸入控制命令控制分析儀的運(yùn)行。

所述處理器包括：用于提供給顯示單元和其他單元連接處理器的接口單元，所述接口單元信號(hào)連接于用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換單元；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換單通過接口單元信號(hào)連接于顯示單元；所述處理器還包括：用于判斷電壓值是否滿足范圍要求的判斷單元。

一種基于高性能頻譜分析儀的頻譜分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

步驟1：系統(tǒng)初始化，各單元模塊初始化；

步驟2：信號(hào)經(jīng)第一放大單元的放大后，傳送至混頻單元進(jìn)行混頻處理；

步驟3：混頻單元將混頻處理后的信號(hào)分別發(fā)送至程控放大單元和第二放大單元；

步驟4：程控放大單元對信號(hào)進(jìn)行一定量級(jí)的增益后將信號(hào)發(fā)送至峰值檢波單元，執(zhí)行步驟5；第二放大單元對信號(hào)進(jìn)行放大后發(fā)送至帶通濾波單元；單通濾波單元對接收到的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，將濾波后的信號(hào)發(fā)送至檢波單元；檢波單元對接收到的信號(hào)進(jìn)行檢波后發(fā)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，執(zhí)行步驟7；

步驟5：處理器控制峰值檢波單元進(jìn)行峰值檢波；根據(jù)峰值檢波的結(jié)果，處理器發(fā)送數(shù)模轉(zhuǎn)換單元發(fā)送控制命令，改變程控放大單元的增益；

步驟6：處理器發(fā)送控制命令至振蕩單元進(jìn)行掃頻處理；振蕩單元將掃頻結(jié)果發(fā)送至處理器；

步驟7：處理器發(fā)送控制命令至模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將采樣結(jié)果發(fā)送至處理器；

步驟8：處理器將采樣結(jié)果發(fā)送至顯示單元進(jìn)行顯示。

所述振蕩單元進(jìn)行掃頻的方法為：處理器將預(yù)設(shè)的掃頻起始頻率發(fā)送給振蕩單元；振蕩單元將掃頻起始頻率和調(diào)預(yù)設(shè)的頻頻率偏差相加得到新的掃頻頻率，振蕩單元使用該頻率進(jìn)行掃頻。

所述處理器改變程控放大單元增益的方法為：處理器將模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取的電壓值與預(yù)設(shè)電壓值進(jìn)行比較，若獲取的電壓值大于預(yù)設(shè)的電壓值，則控制增益減小；若獲取的電壓值小于預(yù)設(shè)的電壓值，則控制增益增大。

所述帶通濾波器對中心頻率進(jìn)行選擇的方法包括一下步驟：

步驟1：設(shè)原始輸入信號(hào)的表達(dá)式為：

其中， 為調(diào)制指數(shù)； 為載波振幅；

步驟2：根據(jù)信號(hào)的表達(dá)式，計(jì)算得出信號(hào)的頻率 ；和最大幅度值 ；

步驟3：在信號(hào)的頻譜中找出第二個(gè)最大值和對應(yīng)頻率 ，然后判斷 對應(yīng)點(diǎn)的幅值，若大于預(yù)設(shè)的第一閾值，則為調(diào)頻波， 即為它的中心頻率；若小于預(yù)設(shè)的第一閾值，則是調(diào)幅波或等幅波, 則為中心頻率；由于調(diào)幅波帶寬為20kHz，只需判斷 或 的點(diǎn)值，若小于預(yù)設(shè)的第二閾值，為等幅波，若大于預(yù)設(shè)的第二閾值則是調(diào)幅波。

采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明產(chǎn)生了以下有益效果：

1、體積小、成本低：本發(fā)明的振蕩電單元，只需少量的外圍器件即可構(gòu)成完整的信號(hào)源，且具有轉(zhuǎn)換速度快，分辨率高，換頻速度快，頻帶寬，控制方便，信號(hào)穩(wěn)定等特點(diǎn)。此外，混頻單元只有下混頻單元，只需設(shè)置一個(gè)中頻窄帶濾波器即可。進(jìn)一步的降低了成本

2、結(jié)構(gòu)簡單：本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，各部分連接關(guān)系容易理解，且容易工業(yè)生產(chǎn)制造，進(jìn)一步的降低了制造成本。

3、測量準(zhǔn)確：本發(fā)明的振蕩單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括有源整流器(即絕對值單元)、平方／除法器、濾波放大器、獨(dú)立緩沖放大器和偏置電路。其中，緩沖放大器既可用作輸入緩沖，也可構(gòu)成有源濾波器濾波，提高了測量準(zhǔn)確度。

采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明產(chǎn)生了以下有益效果：

1、體積小、成本低：本發(fā)明的振蕩電單元，只需少量的外圍器件即可構(gòu)成完整的信號(hào)源，且具有轉(zhuǎn)換速度快，分辨率高，換頻速度快，頻帶寬，控制方便，信號(hào)穩(wěn)定等特點(diǎn)。此外，混頻單元只有下混頻單元，只需設(shè)置一個(gè)中頻窄帶濾波器即可。進(jìn)一步的降低了成本

2、結(jié)構(gòu)簡單：本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，各部分連接關(guān)系容易理解，且容易工業(yè)生產(chǎn)制造，進(jìn)一步的降低了制造成本。

3、測量準(zhǔn)確：本發(fā)明的振蕩單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括有源整流器(即絕對值單元)、平方／除法器、濾波放大器、獨(dú)立緩沖放大器和偏置電路。其中，緩沖放大器既可用作輸入緩沖，也可構(gòu)成有源濾波器濾波，提高了測量準(zhǔn)確度。

4、具備自我糾正能力：本發(fā)明的頻譜分析儀能夠針對不同信號(hào)調(diào)整中心頻率，根據(jù)不同信號(hào)的不同情況識(shí)別出準(zhǔn)確的中心頻率，保證后期頻譜分析的準(zhǔn)確性。同時(shí)，根據(jù)接收到的采樣結(jié)果，還能對程控放大單元的增益進(jìn)行調(diào)整，保證面對不同信號(hào)不同情況時(shí)，頻譜分析的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種高性能頻譜分析儀及頻譜分析方法的分析儀結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書（包括任何附加權(quán)利要求、摘要）中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。

本發(fā)明實(shí)施例1中提供了一種高性能頻譜分析儀，分析儀結(jié)構(gòu)如圖1所示：

一種高性能頻譜分析儀，其特征在于，所述分析儀包括：用于顯示頻譜的顯示單元；所述顯示單元信號(hào)連接于用于控制分析儀工作的處理器；所述處理器分別信號(hào)連接于用于進(jìn)行峰值檢波的峰值檢波單元、用于生成振蕩信號(hào)的振蕩單元和用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述峰值檢波單元信號(hào)連接于用于程控放大的程控放大單元；所述振蕩單元信號(hào)連接于用于低通濾波的低通濾波單元；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器信號(hào)連接于用于檢波的檢波單元；所述程控放大單元分別信號(hào)連接于所述低通濾波單元和用于混頻的混頻單元；所述混頻單元分別信號(hào)連接于用于對信號(hào)進(jìn)行放大處理的第一放大單元和第二放大單元；所述第二放大單元信號(hào)連接于用于帶通濾波的帶通濾波單元。

所述檢波單元包括：用于整流的有源整流器；所述有源整流器信號(hào)連接于用于進(jìn)行平方/除法運(yùn)算的平方/除法器；所述平方/除法器信號(hào)連接于用于作為輸入緩沖或?yàn)V波的獨(dú)立緩沖放大器；所述獨(dú)立緩沖放大器信號(hào)連接于偏置電路。

所述混頻單元為下混頻單元；所述混頻單元的輸入差分電壓值不低于2Vpp；所述混頻單元的輸入差分電壓頻率為250MHz。

所述顯示單元包括：顯示器和鍵盤；所述顯示器信號(hào)連接有處理器，用于根據(jù)處理器發(fā)送過來的信號(hào)顯示波形；所述鍵盤信號(hào)連接有處理器，用于提供給工作人員輸入控制命令控制分析儀的運(yùn)行。

所述處理器包括：用于提供給顯示單元和其他單元連接處理器的接口單元，所述接口單元信號(hào)連接于用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換單元；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換單通過接口單元信號(hào)連接于顯示單元；所述處理器還包括：用于判斷電壓值是否滿足范圍要求的判斷單元。

本發(fā)明實(shí)施例2中提供了一種高性能頻譜分析方法：

一種基于高性能頻譜分析儀的頻譜分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

步驟1：系統(tǒng)初始化，各單元模塊初始化；

步驟2：信號(hào)經(jīng)第一放大單元的放大后，傳送至混頻單元進(jìn)行混頻處理；

步驟3：混頻單元將混頻處理后的信號(hào)分別發(fā)送至程控放大單元和第二放大單元；

步驟4：程控放大單元對信號(hào)進(jìn)行一定量級(jí)的增益后將信號(hào)發(fā)送至峰值檢波單元，執(zhí)行步驟5；第二放大單元對信號(hào)進(jìn)行放大后發(fā)送至帶通濾波單元；單通濾波單元對接收到的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，將濾波后的信號(hào)發(fā)送至檢波單元；檢波單元對接收到的信號(hào)進(jìn)行檢波后發(fā)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，執(zhí)行步驟7；

步驟5：處理器控制峰值檢波單元進(jìn)行峰值檢波；根據(jù)峰值檢波的結(jié)果，處理器發(fā)送數(shù)模轉(zhuǎn)換單元發(fā)送控制命令，改變程控放大單元的增益；

步驟6：處理器發(fā)送控制命令至振蕩單元進(jìn)行掃頻處理；振蕩單元將掃頻結(jié)果發(fā)送至處理器；

步驟7：處理器發(fā)送控制命令至模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將采樣結(jié)果發(fā)送至處理器；

步驟8：處理器將采樣結(jié)果發(fā)送至顯示單元進(jìn)行顯示。

所述振蕩單元進(jìn)行掃頻的方法為：處理器將預(yù)設(shè)的掃頻起始頻率發(fā)送給振蕩單元；振蕩單元將掃頻起始頻率和調(diào)預(yù)設(shè)的頻頻率偏差相加得到新的掃頻頻率，振蕩單元使用該頻率進(jìn)行掃頻。

所述處理器改變程控放大單元增益的方法為：處理器將模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取的電壓值與預(yù)設(shè)電壓值進(jìn)行比較，若獲取的電壓值大于預(yù)設(shè)的電壓值，則控制增益減小；若獲取的電壓值小于預(yù)設(shè)的電壓值，則控制增益增大。

所述帶通濾波器對中心頻率進(jìn)行選擇的方法包括一下步驟：

步驟1：設(shè)原始輸入信號(hào)的表達(dá)式為：

其中， 為調(diào)制指數(shù)； 為載波振幅；

步驟2：根據(jù)信號(hào)的表達(dá)式，計(jì)算得出信號(hào)的頻率 ；和最大幅度值 ；

步驟3：在信號(hào)的頻譜中找出第二個(gè)最大值 和對應(yīng)頻率 ，然后判斷 對應(yīng)點(diǎn)的幅值，若大于預(yù)設(shè)的第一閾值，則為調(diào)頻波， 即為它的中心頻率；若小于預(yù)設(shè)的第一閾值，則是調(diào)幅波或等幅波, 則為中心頻率；由于調(diào)幅波帶寬為20kHz，只需判斷 或 的點(diǎn)值，若小于預(yù)設(shè)的第二閾值，為等幅波，若大于預(yù)設(shè)的第二閾值則是調(diào)幅波。

本發(fā)明實(shí)施例3中提供了一種高性能頻譜分析儀及頻譜分析方法，分析儀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

一種高性能頻譜分析儀，其特征在于，所述分析儀包括：用于顯示頻譜的顯示單元；所述顯示單元信號(hào)連接于用于控制分析儀工作的處理器；所述處理器分別信號(hào)連接于用于進(jìn)行峰值檢波的峰值檢波單元、用于生成振蕩信號(hào)的振蕩單元和用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述峰值檢波單元信號(hào)連接于用于程控放大的程控放大單元；所述振蕩單元信號(hào)連接于用于低通濾波的低通濾波單元；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器信號(hào)連接于用于檢波的檢波單元；所述程控放大單元分別信號(hào)連接于所述低通濾波單元和用于混頻的混頻單元；所述混頻單元分別信號(hào)連接于用于對信號(hào)進(jìn)行放大處理的第一放大單元和第二放大單元；所述第二放大單元信號(hào)連接于用于帶通濾波的帶通濾波單元。

所述檢波單元包括：用于整流的有源整流器；所述有源整流器信號(hào)連接于用于進(jìn)行平方/除法運(yùn)算的平方/除法器；所述平方/除法器信號(hào)連接于用于作為輸入緩沖或?yàn)V波的獨(dú)立緩沖放大器；所述獨(dú)立緩沖放大器信號(hào)連接于偏置電路。

所述混頻單元為下混頻單元；所述混頻單元的輸入差分電壓值不低于2Vpp；所述混頻單元的輸入差分電壓頻率為250MHz。

所述顯示單元包括：顯示器和鍵盤；所述顯示器信號(hào)連接有處理器，用于根據(jù)處理器發(fā)送過來的信號(hào)顯示波形；所述鍵盤信號(hào)連接有處理器，用于提供給工作人員輸入控制命令控制分析儀的運(yùn)行。

所述處理器包括：用于提供給顯示單元和其他單元連接處理器的接口單元，所述接口單元信號(hào)連接于用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換單元；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換單通過接口單元信號(hào)連接于顯示單元；所述處理器還包括：用于判斷電壓值是否滿足范圍要求的判斷單元。

一種基于高性能頻譜分析儀的頻譜分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

步驟1：系統(tǒng)初始化，各單元模塊初始化；

步驟2：信號(hào)經(jīng)第一放大單元的放大后，傳送至混頻單元進(jìn)行混頻處理；

步驟3：混頻單元將混頻處理后的信號(hào)分別發(fā)送至程控放大單元和第二放大單元；

步驟4：程控放大單元對信號(hào)進(jìn)行一定量級(jí)的增益后將信號(hào)發(fā)送至峰值檢波單元，執(zhí)行步驟5；第二放大單元對信號(hào)進(jìn)行放大后發(fā)送至帶通濾波單元；單通濾波單元對接收到的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，將濾波后的信號(hào)發(fā)送至檢波單元；檢波單元對接收到的信號(hào)進(jìn)行檢波后發(fā)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，執(zhí)行步驟7；

步驟5：處理器控制峰值檢波單元進(jìn)行峰值檢波；根據(jù)峰值檢波的結(jié)果，處理器發(fā)送數(shù)模轉(zhuǎn)換單元發(fā)送控制命令，改變程控放大單元的增益；

步驟6：處理器發(fā)送控制命令至振蕩單元進(jìn)行掃頻處理；振蕩單元將掃頻結(jié)果發(fā)送至處理器；

步驟7：處理器發(fā)送控制命令至模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將采樣結(jié)果發(fā)送至處理器；

步驟8：處理器將采樣結(jié)果發(fā)送至顯示單元進(jìn)行顯示。

所述振蕩單元進(jìn)行掃頻的方法為：處理器將預(yù)設(shè)的掃頻起始頻率發(fā)送給振蕩單元；振蕩單元將掃頻起始頻率和調(diào)預(yù)設(shè)的頻頻率偏差相加得到新的掃頻頻率，振蕩單元使用該頻率進(jìn)行掃頻。

所述處理器改變程控放大單元增益的方法為：處理器將模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取的電壓值與預(yù)設(shè)電壓值進(jìn)行比較，若獲取的電壓值大于預(yù)設(shè)的電壓值，則控制增益減小；若獲取的電壓值小于預(yù)設(shè)的電壓值，則控制增益增大。

所述帶通濾波器對中心頻率進(jìn)行選擇的方法包括一下步驟：

步驟1：設(shè)原始輸入信號(hào)的表達(dá)式為：

其中， 為調(diào)制指數(shù)； 為載波振幅；

步驟2：根據(jù)信號(hào)的表達(dá)式，計(jì)算得出信號(hào)的頻率 ；和最大幅度值 ；

步驟3：在信號(hào)的頻譜中找出第二個(gè)最大值和對應(yīng)頻率，然后判斷 對應(yīng)點(diǎn)的幅值，若大于預(yù)設(shè)的第一閾值，則為調(diào)頻波， 即為它的中心頻率；若小于預(yù)設(shè)的第一閾值，則是調(diào)幅波或等幅波, 則為中心頻率；由于調(diào)幅波帶寬為20kHz，只需判斷或 的點(diǎn)值，若小于預(yù)設(shè)的第二閾值，為等幅波，若大于預(yù)設(shè)的第二閾值則是調(diào)幅波。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。