一种集成实时频谱分析功能的数字示波器制造技术

本申请涉及一种集成实时频谱分析功能的数字示波器，其包括数据采集模块、变频处理模块、频谱分析模块和显示器，其中变频处理模块从数据采集模块获取数字采样数据并用于对数字采样数据进行全带宽任意频点的数字下变频处理，以输出零中频的基带信号；频谱分析模块用于对基带信号进行实时频谱分析处理并得到频谱分析数据；其中变频处理模块包括DFT处理单元、相位校正单元和IDFT处理单元。由于在数字示波器中创新性地加入变频处理模块和频谱分析模块，使得数字示波器具有对高速采样数据进行实时频谱分析的功能，增强了数字示波器的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种集成实时频谱分析功能的数字示波器
本专利技术涉及信号处理的
，具体涉及一种集成实时频谱分析功能的数字示波器。
技术介绍
在无线通信领域，信号带宽是影响信息传输速率的主要因素，随着技术的更新换代，信息传输速率已经从20年前2G时代的几kbps、几十kbps，发展到了现在5G时代的峰值20Gbps的传输速率，其信道带宽可以从几十MHz到上百MHz。无线通信技术的快速发展，对相应测试测量仪器、设备的实时处理能力提出了越来越高的要求。对于高频、高带宽信号，对信号的频谱成分进行实时监控、分析已经是一个非常普遍的需求。频谱分析仪这类设备由于具有一级或者多级模拟混频电路，因此可以把一个高频信号下变频到一个较低的中心频率上，这样可以降低后续对ADC采样速率的要求以及后续数字部分信号处理能力的要求，因此容易实现信号频谱的实时分析处理。但是对于一些高速信号采集设备，比如示波器，一般不具有射频混频能力，而是采用高速ADC直接对高频信号进行采样处理，这样得到的数字信号数据率非常高，如果不进行有效的降采样处理就很难在示波器这类设备上实现全带宽信号频谱的实时处理和分析。比如示波器标称为1GHz带宽，全带宽就是指输入信号频率可以位于0~1GHz的任意位置；所谓的实时处理和分析是指ADC采样数据全部参与处理和分析，一个点也不会丢失。目前，在示波器上进行频谱分析，普遍的做法是采用快速傅里叶变换（FFT）来实现，ADC采集的数据在触发控制下预先存储在某个存储器中，然后读取出来进行FFT处理、显示处理等。其中，FFT处理的输入数据是ADC采集的原始数据或者经过抽取或插值之后的数据，用户不能设置中心频率或者分析带宽，只能设置FFT相应的采样率，并且采样率与示波器的时基相关联。这种基于示波器的数据采集架构与触发功能、时基设置紧密关联，没有数字下变频处理功能，其频谱分析仅仅是对ADC采集的实信号进行简单的FFT运算，不能实现实时采集和实时处理，由于不具备数字下变频功能，其频谱分析不能像频谱分析仪那样可以设置中心频率、分析带宽等参数，因此难以实现全带宽的实时信号分析。比如，假设示波器的ADC采样率为5GHz，其带宽为1GHz，ADC采样后输出20路250MHz采样率的数据（250MHz*20=5GHz），即20路250MHz的并行数据；输入信号的中心频率可能位于0~1GHz的任意一个频点上；这种情况下，如果采用当前主流的数控振荡器、乘法器和低通滤波器组成的结构来并行实现数字下变频处理的话，则需要消耗示波器中大量的硬件资源且实现过程复杂，还会对示波器其它基本功能的实现造成影响，从而降低示波器的使用体验，并且不利于降低示波器的成本。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是如何解决现有示波器中不能对高速采样数据进行实时频谱分析的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种集成实时频谱分析功能的数字示波器，包括：数据采集模块，用于采集模数转换器输出的数字信号以形成数字采样数据；变频处理模块，从所述数据采集模块获取所述数字采样数据；所述变频处理模块用于对所述数字采样数据进行全带宽任意频点的数字下变频处理，以输出零中频的基带信号；频谱分析模块，与所述变频处理模块信号连接，用于对所述基带信号进行实时频谱分析处理并得到频谱分析数据；显示器，接收所述频谱分析数据并用于对所述频谱分析数据进行显示。所述的数字示波器还包括重采样模块，所述重采样模块与所述变频处理模块和所述频谱分析模块进行信号连接；所述重采样模块用于将所述基带信号的采样率匹配到与预设分析带宽对应的采样率上，以便所述频谱分析模块能够以任意带宽接收所述基带信号。所述变频处理模块包括DFT处理单元、频谱搬移单元、相位校正单元和IDFT处理单元；所述DFT处理单元用于通过离散傅里叶变换将所述数字采样数据处理为频域数据；所述频谱搬移单元与所述DFT处理单元连接，用于根据预设的频谱搬移点数对所述频域数据中的各数据点往零频方向进行循环搬移处理，得到搬移数据；所述相位校正单元与所述频谱搬移单元连接，用于根据预设的相位值对所述搬移数据进行相位校正，处理得到校正数据；所述相位值由离散傅里叶变换的单次数据处理点数L、当前数据处理次数k，和频域内的频谱搬移点数Y、滤波器阶数P以及圆周率π经过多元函数计算得到；IDFT处理单元从所述相位校正单元接收所述校正数据，用于对所述校正数据进行离散傅里叶逆变换，处理得到时域数据；所述时域数据用于形成零中频的基带信号以进行信号的特性分析。所述变频处理模块还频域滤波单元；所述频域滤波单元与所述相位校正单元和所述IDFT处理单元连接，用于将所述相位校正单元输出的校正数据中的各数据点和预设的滤波系数进行点乘，得到滤波数据并传输至所述IDFT处理单元以进行离散傅里叶逆变换；或者，所述频域滤波单元与所述频谱搬移单元和所述相位校正单元连接，用于将所述频谱搬移单元输出的搬移数据中的各数据点和预设的滤波系数进行点乘，得到滤波数据并传输至所述相位校正单元以进行相位校正。所述的数字示波器还包括与所述变频处理模块、所述重采样模块和所述频谱分析模块连接的参数配置模块；所述参数配置模块用于为所述变频处理模块配置数字下变频处理所需的参数，为所述重采样模块配置采样率匹配所需的带宽，为所述频谱分析模块配置实时频谱分析所需的参数。所述的数字示波器包括时域分析模块、缓存模块和显示控制模块；所述时域分析模块与所述数据采集模块、所述变频处理模块和所述显示器连接，用于对所述数字采样数据或者所述基带信号进行分析处理并得到时域分析数据；所述时域分析数据被传输至所述显示器以进行显示；所述缓存模块与所述数据采集模块、所述变频处理模块和所述频谱分析模块连接，用于对各模块配置所需的参数和输出的数据进行临时缓存；所述显示控制模块与所述显示器连接，用于配置所述显示器的界面菜单参数、窗口布局参数和显示通道参数。本专利技术的有益效果是：上述实施例提供一种集成实时频谱分析功能的数字示波器，其包括数据采集模块、变频处理模块、频谱分析模块和显示器，其中数据采集模块形成有信号输入通道并通过采样处理得到数字采样数据；变频处理模块从数据采集模块获取数字采样数据并用于对数字采样数据进行全带宽任意频点的数字下变频处理，以输出零中频的基带信号；频谱分析模块与变频处理模块信号连接，用于对基带信号进行实时频谱分析处理并得到频谱分析数据；显示器接收频谱分析数据并用于对频谱分析数据进行显示；其中变频处理模块包括DFT处理单元、频谱搬移单元、相位校正单元和IDFT处理单元。第一方面，由于在数字示波器中创新性地加入变频处理模块和频谱分析模块，使得数字示波器具有对高速采样数据进行实时频谱分析的性能，增强了数字示波器的实用价值；第二方面，由于变频处理模块中采用相位校正单元对搬移数据进行相位校正，使得IDFT处理后的时域信号的相位具有连续性，从而实现采样信号的全带宽测量要求；第三方面，由于变频处理模块中还可以利用频谱搬移单元和频域滤波单元对频域信号进行处理，利用抽取单元和频偏微调单元对时域信号进行处理，利于配合相位校正单元来实现数字下变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成实时频谱分析功能的数字示波器，其特征在于，包括：/n数据采集模块，用于采集模数转换器输出的数字信号以形成数字采样数据；/n变频处理模块，从所述数据采集模块获取所述数字采样数据；所述变频处理模块用于对所述数字采样数据进行全带宽任意频点的数字下变频处理，以输出零中频的基带信号；/n频谱分析模块，与所述变频处理模块信号连接，用于对所述基带信号进行实时频谱分析处理并得到频谱分析数据；/n显示器，接收所述频谱分析数据并用于对所述频谱分析数据进行显示。/n

【技术特征摘要】
1.一种集成实时频谱分析功能的数字示波器，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于采集模数转换器输出的数字信号以形成数字采样数据；
变频处理模块，从所述数据采集模块获取所述数字采样数据；所述变频处理模块用于对所述数字采样数据进行全带宽任意频点的数字下变频处理，以输出零中频的基带信号；
频谱分析模块，与所述变频处理模块信号连接，用于对所述基带信号进行实时频谱分析处理并得到频谱分析数据；
显示器，接收所述频谱分析数据并用于对所述频谱分析数据进行显示。


2.如权利要求1所述的数字示波器，其特征在于，还包括重采样模块，所述重采样模块与所述变频处理模块和所述频谱分析模块进行信号连接；
所述重采样模块用于将所述基带信号的采样率匹配到与预设分析带宽对应的采样率上，以便所述频谱分析模块能够以任意带宽接收所述基带信号。


3.如权利要求2所述的数字示波器，其特征在于，所述变频处理模块包括DFT处理单元、频谱搬移单元、相位校正单元和IDFT处理单元；
所述DFT处理单元用于通过离散傅里叶变换将所述数字采样数据处理为频域数据；
所述频谱搬移单元与所述DFT处理单元连接，用于根据预设的频谱搬移点数对所述频域数据中的各数据点往零频方向进行循环搬移处理，得到搬移数据；
所述相位校正单元与所述频谱搬移单元连接，用于根据预设的相位值对所述搬移数据进行相位校正，处理得到校正数据；所述相位值由离散傅里叶变换的单次数据处理点数L、当前数据处理次数k，和频域内的频谱搬移点数Y、滤波器阶数P以及圆周率π经过多元函数计算得到；
IDFT处理单元从所述相位校正单元接收所述校正数据，用于对所述校正数据进行离散傅里叶逆变换，处理得到时域数据；所述时域数据用于形成零中频的基带信号以进行信号的特性分析。


4.如权利要求3所述的数字示波器，其特征在于，所述变频处理模块还包括DFT输入控制单元和校正系数计算单元；
所述DFT输入控制单元与所述数据采集模块和所述DFT处理单元连接，用于获取所述数字采样数据并根据单次数据处理点数L和滤波器阶数P对所述数字采样数据进行重叠控制和/或补零处理，得到至少一组输入数据；其中，每组输入数据具有L个数据点；
所述输入数据被传输至所述DFT处理单元，所述DFT处理单元将所述输入数据划分为一路数据并整体执行离散傅里叶变换的计算，得到对应的频域数据；或者，所述DFT处理单元将所述输入数据均等划分为多路数据并各自执行离散傅里叶变换的计算，通过预设的旋转因子分别配置多路数据的计算结果，并对配置的计算结果整体执行离散傅里叶变换的计算，以及将整体执行离散傅里叶变换的计算结果经过矩阵变换处理后得到对应的频域数据；
所述校正系数计算单元与所述相位校正单元连接，用于根据预设的相位值计算校正系数并配置给所述相位校正单元；所述校正系数表示为，其中e为自然对数的底数，为预设的相位值，中的j为虚数单位；所述相位值用公式表示为，其中Q表示特定比例关系且有，f()表示当前数据处理次数k、频谱搬移点数Y、特定比例关系Q和圆周率π的多元计算函数；
所述频谱搬移单元用于计算频域内的频谱搬移点数且公式表示为，以及将所述DFT处理单元输出的频域数据中的各数据点往零频方向循环搬移Y个点数，得到搬移数据并传输至所述相位校正单元以进行相位校正；其中，为所述信号的中心频率，为所述数字采样数据的采样率，表示数值取整数部分的运算。


5.如权利要求3所述的数字示波器，其特征在于，所述变频处理模块还频域滤波单元；
所述频域滤波单元与所述相位校正单元和所述IDFT处理单元连接，用于将所述相位校正单元输出的校正数据中的各数据点和预设的滤波系数进行点乘，得到滤波数据并传输至所述IDFT处理单元以进行离散傅里叶逆变换；
或者，所述频域滤波单元与所述频谱搬移单元和所述相位校正单元连接，用于将所述频谱搬移单元输出的搬移数据中的各数据点和预设的滤波系数进行点乘，得到滤波数据并传输至所述相位校正单元以进行相位校正；
点乘过程用公式表示为；其中，表示点乘后的数据，表示点乘前的数据，表示滤波系数，h表示各数据点的遍历序号且满足。


6.如权利要求3所述的数字示波器，其特征在于，所述变频处理模块还包括与所述IDFT处理单元连接的IDFT输出控制单元；
对于所述校正数据，所述IDFT处理单元将所述校正数据划分为一路数据并整体执行离散傅里叶逆变换的计算，得到至少一组输出数据；或者，对于所述校正数据，所述IDFT处理单元将所述校正数据均等划分为多路数据并各自执行共轭处理和离散傅里叶变换的计算，通过预设的旋转因子分别配置多路数据的计算结果，并对配置的计算结果整体执行离散傅里叶变换的计算，以及将整体执行离散傅里叶变换的计算结果经过矩阵变换、共轭处理和增益控制处理后，得到至少一组输出数据；
所述IDFT输出控制单元用于对每组输出数据中前端的P个数据点丢弃，将留下L-P的数据点作为时域数据进行输出；或者，所述IDFT输出控制单元用于将每组输出数据中前端的P个数据点与前一次输出数据中末端的P个数据点进行相加的结果更新前端的P个数据点，将更新后的每组输出数据前端的L-P个数据点作为时域数据进行输出。


7.如权利要求6所述的数字示波器，其特征在于，所述变频处理模块还包括抽取单元和频偏微调单元；
所述抽取单元与所述IDFT输出控制单元连接，用于按照预设的抽取比例对所述IDFT输出控制单元输出的时域数据进行抽取处理，得到抽取数据；
所述频偏微调单元与所述抽取单元和所述重采样模块连接，用于根据预设的频偏微调值对所述抽取数据进行频偏微调，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永添，宋民，李振军，
申请(专利权)人：深圳市鼎阳科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44