一种手持式频谱分析仪实时频谱信号处理系统及处理方法技术方案

本发明专利技术公开了一种手持式频谱分析仪实时频谱信号处理系统及处理方法，该系统包括依次连接的前处理单元、ADC单元、FPGA和ARM，所述FPGA包括依次连接的数字下变频单元、多速率抽取滤波单元、实时FFT运算单元和实时检波单元，以及与实时FFT运算单元依次连接的网格映射单元、矢量连线单元和荧光统计单元，所述ARM包括与实时检波单元连接的实时频谱图和瀑布图单元，以及与荧光统计单元连接的荧光显示单元。本发明专利技术采用并行帧实时检波和基于矢量连线的数字荧光统计的方法将计算的多个频谱数据进行压缩，降低大量频谱数据对屏幕刷新的要求，采用矢量连线将荧光统计使测得的信号更容易分辨，符合手持式仪器的测试需求。符合手持式仪器的测试需求。符合手持式仪器的测试需求。

【技术实现步骤摘要】
一种手持式频谱分析仪实时频谱信号处理系统及处理方法


[0001]本专利技术属于频谱分析领域，特别涉及一种手持式频谱分析仪实时频谱信号处理系统及处理方法。

技术介绍

[0002]随着空间电磁频谱环境越来越复杂以及5G的大规模应用，5G NR在基站100MHz左右的带宽内任意频点出现干扰信号，都会对基站性能造成影响乃至使业务受阻，通过关闭商用基站来排查干扰源的方法会变得不切合实际。
[0003]面对宽带复杂的外场电磁环境，普通的扫频式频谱分析仪或接收机已无法获取干扰信号的特征参数。采用实时频谱分析，可以捕获干扰信号的频率、信号的强度、持续的时间、信号的带宽等参数。一些台式实时频谱仪可以覆盖5G NR的占用带宽，但是由于体积和重量过大，外场测试有时需要攀爬，因此携带非常不方便，不适合外场干扰排查的测试需求；一些外场测试仪器虽然带有实时频谱功能，由于实时带宽过窄，不能完全覆盖5G基站的带宽；因此为了确定干扰源的位置，需要适应外场测量的覆盖100MHz带宽的轻便式的实时频谱仪。
[0004]目前已有的手持式实时频谱测试仪器实时频谱功能普遍采用对IQ数据进行无缝的捕获并进行缓存，采集完之后把数据传输给ARM软件进行处理。这种基于软件方式的处理方式，由于数据量大传输时间长以及软件的处理速度慢，实时性能较差，只能做窄带信号的实时频谱分析，而且采用大容量缓存不能实时显示，一段时间后存满造成数据不连续而不再实时，且增大体积和功耗。
[0005]少数的手持式实时频谱仪虽然能覆盖100MHz带宽，但是能够通过颜色区分信号的数字荧光功能因为没有矢量连线功能造成所测得的稳定信号上出现的是离散的点状图形，这样统计的结果是离散点状频谱图，对于幅度以及频率稳定的单音信号，荧光图看起来是不连续、离散的，这种方法不能显示出信号的真实特性，信号不容易分辨，如果是多个信号更不容易区分，不能直观的显示出真实信号特性。
[0006]为了便于外场测试，手持式测量仪器对重量、体积、功耗有严格的限制，因此需要基于低成本、低功耗FPGA进行高性能功能开发。

技术实现思路

[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种手持式频谱分析仪实时频谱信号处理系统及处理方法，以达到降低大量频谱数据对屏幕刷新的要求，使测得的信号更容易分辨，符合手持式仪器的测试需求的目的。
[0008]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种手持式频谱分析仪实时频谱信号处理系统，包括依次连接的前处理单元、ADC单元、FPGA和ARM，所述FPGA包括依次连接的数字下变频单元、多速率抽取滤波单元、实时FFT运算单元和实时检波单元，以及与实时FFT运算单元依次连接的网格映射单元、矢量连
线单元和荧光统计单元，所述ARM包括与实时检波单元连接的实时频谱图和瀑布图单元，以及与荧光统计单元连接的荧光显示单元。
[0010]上述方案中，所述前处理单元包括依次连接的衰减器、带通滤波器一、混频器一、带通滤波器二、混频器二和中频调理器，所述混频器一连接第一本振，所述混频器二连接第二本振。
[0011]一种手持式频谱分析仪实时频谱信号处理方法，包括如下步骤：
[0012]步骤(1)：无线电信号经过前处理单元后变为固定中心频率、带宽为120MHz的模拟中频信号，ADC单元将接收的模拟中频信号进行采样，将模拟中频信号转换成数字中频信号，并发送给数字下变频单元；
[0013]步骤(2)：数字下变频单元对数字中频信号进行数字下变频，多速率抽取滤波单元进行多速率抽取、滤波输出可变实时带宽的基带IQ数据；
[0014]步骤(3)：实时FFT运算单元对可变实时带宽的基带IQ数据做实时的FFT运算，得到多帧FFT数据；
[0015]步骤(4)：实时检波单元对多帧FFT数据进行实时检波得到一帧频谱图，实时频谱图和瀑布图单元基于此一帧频谱图显示实时频谱图和实时瀑布图；
[0016]步骤(5)：网格映射单元对多帧FFT数据进行网格映射，矢量连线单元对网格映射后的数据进行矢量连线，荧光统计单元对矢量连线的数据进行数字荧光统计，最后由荧光显示单元用颜色表示每个网格被命中的次数，实现数字荧光显示。
[0017]上述方案中，步骤(1)中，所述ADC单元采集中心频率为276.48MHz、带宽为120MHz的宽带信号；所选采样率需满足120MHz带宽的实时频谱分析和5G NR基带信号的解调分析；
[0018]其中，120MHz宽带的实时频谱分析需满足：
[0019]f
s
≥2B
[0020][0021]其中，5G NR基带信号的解调分析需满足：
[0022]f
s
＝122.88MHz*n，n＝2,3,4
……
[0023]式中，f
s
为采样率，B为最大实时带宽，f0为中心频率。
[0024]上述方案中，步骤(3)中，所述实时FFT运算单元采用节约资源型的全并行FFT运算，FFT点数简化一半，前后半段的频谱分别为：
[0025][0026][0027]其中，X(k)为前半段的频谱，X(k+N/2)为后半段的频谱，Y[k]，Z[k]分别为奇、偶基带IQ数据N/2点的FFT运算，N为快速傅傅里叶变换的点数，j为虚数单位。
[0028]上述方案中，步骤(4)中，所述实时检波时，将M帧原始的频谱[X
11
，X
12
，
…
，X
1(N
‑
1)
，X
1N
]，[X
21
，X
22
，
…
，X
2(N
‑
1)
，X
2N
]，
…
，[X
M1
，X
M2
，
…
，X
MN
‑1，X
MN
]压缩成一帧新的频谱[X1，X2，
…
，X
(N
‑
1)
，X
N
]，X
MN
代表第M帧FFT的第N个频点的幅度值，X
N
代表压缩成的新帧FFT的第N个频点的
幅度值；并对上一帧数据以及当前帧数据进行最大值、最小值、取样或者累加操作。
[0029]上述方案中，步骤(5)中，网格映射的方法如下：首先将代表功率幅度的毫瓦值通过对数运算转换成用绝对分贝值dBm表示，并进行功率预调整，转换成582*512的矩阵网格，行表示幅度值，列表示频率值；根据当前频率对应的幅度值填入相应的网格，命中填充1，没有被命中填充0。
[0030]进一步的，所述对数运算通过CORDIC算法来实现：
[0031][0032]log
10 AMP＝lnAMP*log
10 e
[0033]其中，AMP表示当前频率点的功本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种手持式频谱分析仪实时频谱信号处理系统，其特征在于，包括依次连接的前处理单元、ADC单元、FPGA和ARM，所述FPGA包括依次连接的数字下变频单元、多速率抽取滤波单元、实时FFT运算单元和实时检波单元，以及与实时FFT运算单元依次连接的网格映射单元、矢量连线单元和荧光统计单元，所述ARM包括与实时检波单元连接的实时频谱图和瀑布图单元，以及与荧光统计单元连接的荧光显示单元。2.根据权利要求1所述的一种手持式频谱分析仪实时频谱信号处理方法，其特征在于，所述前处理单元包括依次连接的衰减器、带通滤波器一、混频器一、带通滤波器二、混频器二和中频调理器，所述混频器一连接第一本振，所述混频器二连接第二本振。3.一种手持式频谱分析仪实时频谱信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：无线电信号经过前处理单元后变为固定中心频率、带宽为120MHz的模拟中频信号，ADC单元将接收的模拟中频信号进行采样，将模拟中频信号转换成数字中频信号，并发送给数字下变频单元；步骤(2)：数字下变频单元对数字中频信号进行数字下变频，多速率抽取滤波单元进行多速率抽取、滤波输出可变实时带宽的基带IQ数据；步骤(3)：实时FFT运算单元对可变实时带宽的基带IQ数据做实时的FFT运算，得到多帧FFT数据；步骤(4)：实时检波单元对多帧FFT数据进行实时检波得到一帧频谱图，实时频谱图和瀑布图单元基于此一帧频谱图显示实时频谱图和实时瀑布图；步骤(5)：网格映射单元对多帧FFT数据进行网格映射，矢量连线单元对网格映射后的数据进行矢量连线，荧光统计单元对矢量连线的数据进行数字荧光统计，最后由荧光显示单元用颜色表示每个网格被命中的次数，实现数字荧光显示。4.根据权利要求3所述的一种手持式频谱分析仪实时频谱信号处理方法，其特征在于，步骤(1)中，所述ADC单元采集中心频率为276.48MHz、带宽为120MHz的宽带信号；所选采样率需满足120MHz带宽的实时频谱分析和5G NR基带信号的解调分析；其中，120MHz宽带的实时频谱分析需满足：f
s
≥2B其中，5G NR基带信号的解调分析需满足：f
s
＝122.88MHz*n，n＝2,3,4
……
式中，f
s
为采样率，B为最大实时带宽，f0为中心频率。5.根据权利要求3所述的一种手持式频谱分析仪实时频谱信号处理方法，其特征在于，步骤(3)中，所述实时FFT运算单元采用节约资源型的全并行FFT运算，FFT点数简化一半，前后半段的频谱分别为：后半段的频谱分别为：其中，X(k)为前半段的频谱，X(k+N/2)为后半段的频谱，Y[k]，Z[k]分别为奇、偶基带IQ
数据N/2点的FFT运算，N为快速傅傅里叶变换的点数，k＝0,1,2,
…
,j为虚数单位。6.根据权利要求3所述的一种手持式频谱分析仪实时频谱信号处理方法，其特征在于，步骤(4)中，所述实时检波时，将M帧原始的频谱[X
11
，X
12
，
…
，X
1(N
‑
1)
，X
1N
]，[X
21
，X
22
，
…
，X
2(N
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙发力，孙凯，苏勇辉，王健，王晓，张健，
申请(专利权)人：中电科思仪科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：