CN101308175A - 相位谱分析仪 - Google Patents

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王兆华
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Abstract

本发明涉及信号频谱仪领域。该发明的相位谱分析仪，被测信号进入信号调理电路，首先对信号的幅度进行调理，然后由高速A/D带通采样之后形成被测信号的数字信号，经数据缓冲后，第一路经数据冗余预处理、FFT变换最终得到被测信号所有频谱精确的相位数据，输出相位谱。第二路经直接FFT变换，输出未校正幅度谱，并与第一路FFT变换得到的数据一起经频率、幅度校正处理后提供精确的频率校正谱和校正幅度谱。本发明通过数据冗余预处理得到了被测信号精确的相位谱，并提供对频率、幅度谱作精确校正，克服了现有频谱分析仪中相位不精确的缺点。

Description

相位谱分析仪
技术领域
本发明涉及信号频谱分析仪领域，是一种具有精确分析信号相位谱功能的相位频谱分析仪。
背景技术
频谱分析仪能够对大量的信号进行频谱分析。频谱分析仪接收和处理包含待分析频段的被测信号，连同其它特征一道确定被测信号的幅频信息。现有频谱分析仪主要分为基于扫频和基于FFT技术的频谱分析仪。基于扫频式频谱仪通常是使接收电路扫描一段频谱，被测信号包含在该段频谱的带宽中，被测信号的幅频信息输出到显示设备。基于FFT技术的频谱分析仪充分利用现代信号处理技术，依据采样定理将被测信号转化为相应的数字信号，借用FFT算法计算被测信号的幅频信息。随着电子信息技术的发展，基于FFT技术的频谱仪由于结构简单，易于使用数字电路实现得到快速发展。但是不论是基于扫频还是FFT技术，现有频谱分析仪只能提供被测信号的可利用的幅度谱数据，而提供的被测信号的相位谱数据因误差很大而难以应用。
幅度、频率与相位是表征信号的三个重要参数，相位信息也是信号的一个基本特征。在许多工程应用场合如通信、卫星导航、电力等需要对被测信号的相位进行精确测量。传统的相位测量方法较多，采用模拟电路的测量方法***复杂，成本较高，数字化测量借助于FFT技术在成本及测量精度上优于模拟方法。传统的FFT频谱分析因受时域截断效应及信号频率偏差的影响存在着较大的频谱泄漏，从而引发谱间干扰，使得被测信号的FFT频谱信息包含的频率、幅度特别是相位数据存在着误差，虽有多种措施进行频谱校正，有助于提高信号FFT谱的频率和幅度精度，但是校正后的信号的相位信息却依然有较大误差，难以实用。
发明内容
本发明为克服现有设备的不足，提供一种相位谱分析仪，借助于数据冗余处理技术，将2N-1点数字序列压缩成N点数字序列然后作FFT频谱分析。所述数据冗余处理技术能更好地抑制FFT频谱分析中的能量泄漏，且具有非常好的相位特性，从而无需校正即可获得被测信号精确的相位谱数据，并提供被测信号的频率校正谱及校正幅度谱数据，同时利用频率校正谱精确计算被测信号任一点的相位谱数据。借助于FFT技术，利于使用数字信号处理芯片实现相位谱分析仪，简化硬件复杂度，降低***成本。
为实现上述目的，提供了一种相位谱分析仪，包括如下处理过程：
步骤1、被测信号输入到信号调理电路，幅度得到调理，小的被测信号得到放大，大的被测信号得到衰减，信号的幅度被控制在高速A/D采样的满幅度附近；
步骤2、高速A/D采样采用了带通采样技术对所述被测信号进行高速采样，形成所述被测信号的2N-1点数字采样序列。带通采样减少了模拟电路的复杂性和稳定性；
步骤3、被测信号2N-1点数字序列通过数据冗余预处理，转化为N点数字序列，经FFT变换得到被测信号的各频谱的相位数据及幅度数据，所得相位数据为被测信号2N-1点数字序列中间点对应的相位，所述相位数据输出经显示处理后显示被测信号的相位谱；
步骤4、被测信号2N-1点数字序列中的后N点序列经直接FFT变换后得到被测信号未校正的幅度谱数据以及相位数据，所得相位数据为2N-1点数字序列中的后N点对应的初相位，也是2N-1点数字序列中间点对应的相位，未校正的幅度谱数据经显示处理后显示被测信号的未校正的幅度谱；
步骤5、所述步骤3中的相位数据与所述步骤4中的相位数据用于校正被测信号的各频谱的频率偏差，形成被测信号的频率校正谱数据，所述步骤3中的幅度数据用于校正所述步骤4中的幅度数据，得到被测信号的校正幅度谱；所得的频率校正谱数据和校正幅度谱数据经显示处理后显示被测信号的频率校正谱和校正幅度谱。
步骤6、显示处理中包含计算被测信号2N-1点数字序列中任一点的相位谱数据并显示该点的相位谱。
所述步骤2中的带通采样技术预先确定被测信号需要分析的频谱带宽B，频谱中最高频为fH＝nB+kB，n为小于fH/B的最大整数，k为大于0的小数，则高速A/D采样的采样速率为：fs＝2B(1+k/n)，所述采样速率预先设置。
所述步骤3中数据冗余预处理将被测信号2N-1点数字序列经加窗处理以序列中间点为中心两边叠加压缩成N点数字序列。
所述步骤5中频率偏差校正具体为：所述步骤4中的相位数据与所述步骤3中的相位数据均转化为(-2pi，+2pi)内的角度，其差值用于计算对应频谱的频率校正谱。
所述步骤6中计算任一点相位谱具体过程为：依据得到的频率校正谱计算各谱线的精确频率值Wi，任一点相位谱等于所述步骤3中的相位数据与Wi＊t之和，其中t为2N-1点数字序列中任一点与中间点的时间之差，取正负值。
由以上技术方案可知，本发明采用了数据冗余处理技术，实现了对被测信号的精确的相位谱分析。在数据冗余预处理中，将被测信号的2N-1点数字序列压缩成N点数字序列，更好地抑制了FFT频谱分析中的能量泄漏，具备了非常好的相位特性，通过直接获取各谱线的相位分析数据，无需校正实现被测信号的精确的相位谱分析。利用带通采样技术，降低了***硬件复杂度。使用FFT快速算法，便于在数字信号处理芯片中实现被测信号的相位谱分析，增加了***实现的灵活性。
本发明与现有设备相比的优点在于：
(1)采用带通采样技术，降低了A/D采样速率，提高了模拟输入的动态范围。
(2)采用数据冗余处理技术，克服了直接FFT频谱分析中因频率偏差引起的相位不准的缺点，即有频率偏差时仍实现了被测信号的精确的相位谱分析，并提供被测信号的频率校正谱与校正幅度谱，同时降低了高速A/D采样的采样频率的控制复杂度。
(3)数据冗余处理技术将2N-1点数字序列压缩为N点数字序列，大大降低了后续FFT算法所需的运算量，在获得被测信号精确的相位谱数据时也只需要很少的采样数据，便于实现高速的相位谱分析。
(4)本发明的计算量主要在数字域完成，便于使用数字信号处理芯片实现。降低了***的复杂程度，使得设备的制造成本处在允许范围内，便于采用国内外主流的芯片实现。***可软件更新。
附图说明
图1所示为执行本发明的相位谱分析仪结构示意图；
图2所示为离散频谱信号的相位谱分析结果图；
图3所示为带有噪声的离散频谱信号的相位谱分析结果图；
图4所示为密集频谱信号的相位谱分析结果图。
具体实现方式
本发明的基本思想是：实际上傅里叶变换是一种时域与频域之间的映射，在理论上应该是没有相位差测量误差的，其误差来源主要源于信号在时域上的截断效应、实际信号之间的频率偏差以及受到谐波或噪声的干扰。在传统的FFT频谱分析中，只有通过增加数字序列长度N来达到减小相位差测量误差的目的，这样会大大增加FFT算法的运算量，且效果不佳。在本发明中被测信号经信号调理后，由高速A/D采样得到2N-1点包含被测信号频谱信息的数字序列，N为FFT算法执行需要的长度，可预先设置。为了避免直接对有限长采样点数字序列作FFT运算造成信号频谱的能量泄漏从而产生相位误差，采取了先对2N-1点数字序列作数据冗余预处理压缩成N点数字序列，然后对N点数字序列进行FFT运算，得到的频谱信息包含被测信号非常精确的相位谱，本发明的相位谱分析仪结构示意图如图1所示。数据冗余处理过程克服了因信号截断效应引起的相位测量误差，同时不受信号之间的频率偏差及谐波干扰的影响，即使在噪声干扰下也能得到非常好的相位谱数据。下面通过具体实施示例详细说明本发明的相位谱分析仪的相位谱分析结果。
如图2所示为离散频谱信号的相位谱分析结果图，实施示例中被测信号为五个单频指数信号组合而成，其各项参数的理论值为：
表1
  幅度   频率(Hz)   初相位(度)
  1   49.302   50.2
  0.8   148.8   100.003
  0.6   250.3   150.997
  0.4   349.6   200.05
  0.2   450.583   250.87
在本实施例中，采样频率为1024Hz，FFT算法的计算长度为N＝1024，采集被测信号得到2N-1＝2047点数字序列，对应各谱线的结果数据为：
表2
  谱线频率(Hz)   49   149   250   350   451
  直接FFT幅度 0.9424 0.7795 0.5659 0.3603 0.1785
  数据冗余处理后FFT幅度 0.8882 0.7596 0.5338 0.3246 0.1594
  直接FFT相位 104.5069 64.0382 204.9443 128.1203 175.9433
  数据冗余处理后FFT相位 50.2000 100.0030 150.9970 200.0500 250.8700
  频率校正值 0.3020 -0.1990 0.3000 -0.3990 -0.4157
  校正幅度值 1.0000 0.8000 0.6000 0.4000 0.2000
经过数据冗余处理后得到的相位数据与理论值相等，而直接FFT相位值却与理论值相差很大，用表2的频率校正值对谱线频率修正得到校正后的各谱线频率分别为：49.3020，148.801，250.3，349.601和450.5843，与表1的理论频率值相差0.001Hz左右，非常精确同样，校正后得到的校正幅度值也与理论值相等。
图3所示为带有噪声的离散频谱信号的相位谱分析结果图，实施示例中被测信号与图2实施示例信号相同，但增加了高斯白噪声，在信噪比不低于20db下得到的对应各谱线结果数据为：
表3
  谱线频率(Hz)   49   149   250   350   451
  直接FFT幅度   0.9426   0.7795   0.5660   0.3608   0.1785
  数据冗余处理后FFT幅度   0.8883   0.7599   0.5335   0.3251   0.1600
  直接FFT相位   104.5008   64.0237   205.0090   128.2693   175.8410
  数据冗余处理后FFT相位   50.1936   99.9788   150.9952   200.0738   250.5541
  频率校正值   0.3020   -0.1990   0.3004   -0.3983   -0.4145
  校正幅度值   1.0003   0.7996   0.6005   0.4005   0.1992
经过数据冗余处理后得到的各谱线的相位数据与理论值分别相差0.0063，0.0212，0.9952，0.0738和0.5541度，总体相差不到1度，还是非常精确。用表3的频率校正值对谱线频率修正得到校正后的各谱线频率分别为：49.3020，148.801，250.3004，349.6017和450.5855，与表1的理论频率值相差不到0.003Hz左右，非常精确.在有噪声的情况下，而直接FFT相位值却与理论值相差很大，同样，校正后得到的各谱线的校正幅度值与理论值分别相差0.0003，0.0004，0.0005，0.0005和0.0008，非常精确。
如图4所示为密集频谱信号的相位谱分析结果图，实施示例中被测信号为三个单频指数信号组合而成，其各项参数的理论值为：
表4
  幅度   频率(Hz)   初相位(度)
  1   49.1   50.2
  0.8   50.2   100.003
  0.6   51.8   150.87
在本实施例中，由于信号的频谱较密集，必须提高FFT算法的频率分辨率以降低各谱线因能量泄漏产生的频谱干扰。因FFT中的频率分辨率Δf＝fs/N，实施过程中为使三个谱线间无干扰，取频率分辨率Δf＝1/8Hz，FFT算法的计算长度仍为N＝1024，则采样频率为1024/8＝128Hz，满足采样定理。采集被测信号得到2N-1＝2047点数字序列，对应各谱线的结果数据为：
表5
 谱线频率(Hz)   393＊(1/8)   402＊(1/8)   414＊(1/8)
 直接FFT幅度 0.6488 0.6307 0.1345
 数据冗余处理后FFT幅度 0.4213 0.4967 0.0302
 直接FFT相位 194.0536 207.8892 42.6438
 数据冗余处理后FFT相位 50.2000 100.0030 150.8699
 频率校正值   -0.0250   -0.0500   0.0499
 校正幅度值 0.9991 0.8007 0.5984
经过数据冗余处理后得到的相位数据与理论值相等，而直接FFT相位值却与理论值相差很大，用表5的频率校正值对谱线频率修正得到校正后的各谱线频率分别为：49.1，50.2，51.7999，与表4的理论频率值相等，非常精确.同样，校正后得到的校正幅度值也只与理论值分别相差0.0009，0.0007和0.0016，也是非常精确的。

Claims (5)

1、一种相位谱分析仪，包括如下处理过程：
步骤11、被测信号输入到信号调理电路，幅度得到调理，小的被测信号得到放大，大的被测信号得到衰减，信号的幅度被控制在高速A/D采样的满幅度附近；
步骤12、高速A/D采样采用了带通采样技术对所述被测信号进行高速采样，形成所述被测信号的2N-1点数字采样序列。带通采样减少了模拟电路的复杂性和稳定性；
步骤13、被测信号2N-1点数字序列通过数据冗余预处理，转化为N点数字序列，经FFT变换得到被测信号的各频谱的相位数据及幅度数据，所得相位数据为被测信号2N-1点数字序列中间点对应的相位，所述相位数据输出经显示处理后显示被测信号的相位谱；
步骤14、被测信号2N-1点数字序列中的后N点序列经直接FFT变换后得到被测信号未校正的幅度谱数据以及相位数据，所得相位数据为2N-1点数字序列中的后N点对应的初相位，也是2N-1点数字序列中间点对应的相位，未校正的幅度谱数据经显示处理后显示被测信号的未校正的幅度谱；
步骤15、所述步骤13中的相位数据与所述步骤14中的相位数据用于校正被测信号的各频谱的频率偏差，形成被测信号的频率校正谱数据，所述步骤13中的幅度数据用于校正所述步骤14中的幅度数据，得到被测信号的校正幅度谱；所得的频率校正谱数据和校正幅度谱数据经显示处理后显示被测信号的频率校正谱和校正幅度谱。
步骤16、显示处理中包含计算被测信号2N-1点数字序列中任一点的相位谱数据并显示该点的相位谱。
2、根据权利要求1所述的一种相位谱分析仪，其特征在于：所述步骤12中的带通采样技术预先确定被测信号需要分析的频谱带宽B，频谱中最高频为fH＝nB+kB，n为小于fH/B的最大整数，k为大于0的小数，则高速A/D采样的采样速率为：fs＝2B(1+k/n)，所述采样速率预先设置。
3、根据权利要求1所述的一种相位谱分析仪，其特征在于，所述步骤13中数据冗余预处理将被测信号2N-1点数字序列经加窗处理以序列中间点为中心两边叠加压缩成N点数字序列。
4、根据权利要求1所述的一种相位谱分析仪，其特征在于，所述步骤15中频率偏差校正具体为：所述步骤14中的相位数据与所述步骤13中的相位数据均转化为(-2pi，+2pi)内的角度，其差值用于计算对应频谱的频率校正谱。
5、根据权利要求1所述的一种相位谱分析仪，其特征在于，所述步骤16中计算任一点相位谱具体过程为：依据得到的频率校正谱计算各谱线的精确频率值Wi，任一点相位谱等于所述步骤13中的相位数据与Wi＊t之和，其中t为2N-1点数字序列中任一点与中间点的时间之差，取正负值。
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