CN103134984A - 基于ad9864中频数字化***fft宽带频谱仪设计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于AD9864中频数字化***FFT宽带频谱仪，射频输入信号首先经衰减器及射频开关后，根据用户不同测量频率设置分为4个不同的通道进行处理，当f<10MHz时选择直接AD采样利用FFT实现频率测量，当频率为10MHz≤f≤4400MHz时利用一次变频及AD9864处理后由PC完成后续处理；设计方案同时考虑用户大扫宽高速测量的需要，此时不经过AD9864处理直接检波得到输入信号的幅值，从而可以快速完成大扫宽频谱测量。本发明在射频前端采用一次变频替代传统的三次变频方式，在中频处理部分充分利用通用PC资源替代传统频谱仪对于高性能CPU的要求，相对于传统高性能频谱仪本发明设计简单、实现难度小、功耗低、极大地降低了用户测量成本。

Description

基于AD9864中频数字化***FFT宽带频谱仪设计
技术领域
    本发明涉及一次变频方式，基于集成数字化芯片使用FFT方式实现宽带频谱分析仪设计的方法。
背景技术
当前扫频频谱测量一般都采用超外差方式对输入信号进行下变频，从而在固定的中频频率上进行信号的分析处理。如图1所示，由于镜像频率的存在，一般使用三次变频变换到固定的中频进行处理；此种方式对于第一本振频率分辨率及频谱指标要求较高，而且在***中存在多个本地振荡器容易产生交调信号，所以其成本较高且结构复杂。
发明内容
本发明的目的是基于AD9864中频数字化***，利用直接采样或一次频率调谐方式实现宽带频谱测量，从而大大降低宽带频谱分析仪的设计难度和用户测量成本。
本发明的技术方案如下：
基于AD9864中频数字化***FFT宽带频谱仪，其特征在于：包括有频谱分析仪硬件***和PC上位机，其中频谱分析仪硬件***包括有衰减器、射频开关一、10MHz参考频率、第一本振、第一混频器、检波器、AD9864中频数字化芯片、单片机；射频输入信号接入衰减器的信号输入端，可以对射频输入大信号进行衰减设置，衰减器的信号输出端与射频开关一相连，所述的10MHz参考频率接入第一本振，第一本振的信号输出端经环路滤波器后接入AD9864中频数字化芯片；根据射频输入信号的输入频率不同将射频信号分为三个通道分别进行处理：开关一的另一端输出的频率信号分别为f1、f2、f3，f1信号接入低通滤波器一，滤除高于通道频率的信号，低通滤波器一的另一端与开关四的输入端连接；f2信号接入低通滤波器二，低通滤波器二的另一端与开关三的的输入端连接；f3信号接入第一混频器的I端，第一混频器的R端连接带通滤波器，带通滤波器的另一端连接开关二的输入端，开关二的另一个输入端连接检波器，检波器的另一端与开关四的另一个输入端连接，开关二的输出端接入AD9864中频数字化芯片，其中第一本振的信号输出端还与第一混频器的L端连接，第一本振与第一混频器之间连接有放大器；开关四的输出端连接模数转换器二，模数转换器二接入单片机的信号输入端，单片机的信号输入端还与与AD9864中频数字化芯片连接，单片机的信号输出端与PC上位机之间通信连接；所述的第一本振产生200MHz至4400MHz的信号，对输入信号进行下变频，并提供AD9864中频数字化芯片的下变频本振信号；所述的第一混频器对射频输入的f3频率信号下变频至10.7MHz信号，检波器对10.7MHz中频信号进行检波后输出检波直流信号；AD9864中频数字化芯片对f2和10.7MHz中频信号进行下变频、数字化及抽取滤波等处理；所述的模数转换器二对检波直流信号和f1信号进行采集，所述的单片机对频谱分析仪硬件***进行控制并将AD9864中频数字化芯片和模数转换器二输出的数据通过USB接口传给PC上位机进行处理并显示。
所述的基于AD9864中频数字化***FFT宽带频谱仪，其特征在于：所述的PC上位机提供用户测量显示和参数设置，并通过USB接口接收中频数字化数据之后进行后续FFT、加窗处理、视频滤波及检波、显示等处理。
所述的基于AD9864中频数字化***FFT宽带频谱仪，其特征在于：所述的AD9864中频数字化处理芯片可对10MHz至300MHz的中频输入信号进行下变频，然后进行AD变换、经三级抽取滤波器后输出中频数字化数据，中频处理带宽根据需要可在270kHz至6.8kHz之间可变。
所述的基于AD9864中频数字化***FFT宽带频谱仪，其特征在于：所述的第一本振为单片集成PLL和VCO芯片，内置除1/2/4/8分频器的宽带频率合成器件，其输出频率范围为150MHz至4400MHz。
所述的基于AD9864中频数字化***FFT宽带频谱仪，其特征在于：射频输入信号首先经衰减器及射频开关一后，根据用户不同测量频率设置分为“①、②、③、④”4个不同的通道进行处理，通道“①”为输入频率f<10MHz时选择直接AD采样利用FFT实现频率测量；通道“②”为输入频率10MHz≤f ≤200MHz时直接输入至AD9864中频数字化芯片处理后由PC上位机完成后续处理；通道“③”为频率200MHz<f ≤4400MHz时经一次变频及AD9864中频数字化芯片处理后由PC上位机完成后续处理；通道“④”为输入频率200MHz<f ≤4400MHz时经一次变频及直接检波后由PC上位机完成后续处理，此通道可以快速完成大扫宽频谱测量。
本发明的射频前端只进行了一次下变频处理，本发明实现分辨率带宽最大可达3MHz，最小可达1Hz，本发明利用通用PC处理能力，简化了硬件***的设计，本发明利用软件方式消除中频10.7MHz的镜像频率，本发明利用USB接口实现硬件***的供电。
本发明原理是：针对当前不同用户频谱测量实际需求，大量的用户在宽带频谱测量并不要求高速的前提下，射频通道部分采用一次变频方式，软件在进行数据处理及合成时消除中频10.7MHz的镜像频率；中频处理基于AD9864中频数字化芯片产生处理数据，利用通用PC高速处理能力实现后续FFT、加窗处理、视频滤波及检波、显示等处理。
本发明的有益效果：
本发明针对用户的实际测量需求，在射频前端采用一次变频替代传统的三次变频方式，在中频处理部分充分利用通用PC资源替代传统频谱仪对于高性能CPU的要求，相对于传统高性能频谱仪本发明设计简单、实现难度小、功耗低、极大地降低了用户测量成本。
附图说明
图1 为通用超外差式频谱仪整机实现原理框图。
图2 为基于AD9864中频数字化***FFT宽带频谱仪原理图。
具体实施方式
参见图2，基于AD9864中频数字化***FFT宽带频谱仪，包括有频谱分析仪硬件***1和PC上位机2，其中频谱分析仪硬件***1包括有衰减器3、射频开关一4、10MHz参考频率5、第一本振6、第一混频器7、检波器8、AD9864中频数字化芯片9、单片机10；射频输入信号接入衰减器3的信号输入端，可以对射频输入大信号进行衰减设置，衰减器3的信号输出端与射频开关一4相连，所述的10MHz参考频率5接入第一本振6，第一本振6的信号输出端经环路滤波器11后接入AD9864中频数字化芯片9；根据射频输入信号的输入频率不同将射频信号分为三个通道分别进行处理：开关一4的另一端输出的频率信号分别为f1、f2、f3，f1信号接入低通滤波器一12，滤除高于通道频率的信号，低通滤波器一12的另一端与开关四13的输入端连接；f2信号接入低通滤波器二14，低通滤波器二14的另一端与开关三15的的输入端连接；f3信号接入第一混频器7的I端，第一混频器7的R端连接带通滤波器16，带通滤波器16的另一端连接开关二17的输入端，开关二17的另一个输入端连接检波器8，检波器8的另一端与开关四13的另一个输入端连接，开关二17的输出端接入AD9864中频数字化芯片9，其中第一本振6的信号输出端还与第一混频器7的L端连接，第一本振6与第一混频器7之间连接有放大器18；开关四13的输出端连接模数转换器二19，模数转换器二19接入单片机10的信号输入端，单片机10的信号输入端还与与AD9864中频数字化芯片9连接，单片机10的信号输出端与PC上位机2之间通信连接；所述的第一本振6产生200MHz至4400MHz的信号，对输入信号进行下变频，并提供AD9864中频数字化芯片9的下变频本振信号；所述的第一混频器7对射频输入的f3频率信号下变频至10.7MHz信号，检波器8对10.7MHz中频信号进行检波后输出检波直流信号；AD9864中频数字化芯片9对f2和10.7MHz中频信号进行下变频、数字化及抽取滤波等处理；所述的模数转换器二19对检波直流信号和f1信号进行采集，所述的单片机10对频谱分析仪硬件***2进行控制并将AD9864中频数字化芯片9和模数转换器二19输出的数据通过USB接口传给PC上位机2进行处理并显示。
PC上位机2提供用户测量显示和参数设置，并通过USB接口接收中频数字化数据之后进行后续FFT、加窗处理、视频滤波及检波、显示等处理。
AD9864中频数字化处理芯片9可对10MHz至300MHz的中频输入信号进行下变频，然后进行AD变换、经三级抽取滤波器后输出中频数字化数据，中频处理带宽根据需要可在270kHz至6.8kHz之间可变。
第一本振6为单片集成PLL和VCO芯片，内置除1/2/4/8分频器的宽带频率合成器件，其输出频率范围为150MHz至4400MHz。
射频输入信号首先经衰减器3及射频开关一4后，根据用户不同测量频率设置分为“①、②、③、④”4个不同的通道进行处理，通道“①”为输入频率f<10MHz时选择直接AD采样利用FFT实现频率测量；通道“②”为输入频率10MHz≤f ≤200MHz时直接输入至AD9864中频数字化芯片处理后由PC上位机完成后续处理；通道“③”为频率200MHz<f ≤4400MHz时经一次变频及AD9864中频数字化芯片处理后由PC上位机完成后续处理；通道“④”为输入频率200MHz<f ≤4400MHz时经一次变频及直接检波后由PC上位机完成后续处理，此通道可以快速完成大扫宽频谱测量。
射频信号输入依次经过衰减器3、射频开关一4分为三个通道，射频输入频率f1（f<10MHz）经低通滤波及开关四13选通直接进入模数转换器二19采样，采样数据由单片机10传输给PC上位机2作后续处理。
射频输入频率f2（10MHz≤f≤200MHz）经低通滤波及开关四13后进入AD9864处理，在AD9864内部经低噪声放大器进入混频器，CPU根据被测射频频率设置第一本振6，第一本振6输出的分频信号作为AD9864内部下变频本振，第一本振调谐方程为：
LO÷8÷N - f2 = 700kHz
本振频率的设置能够确保AD9864下变频输出的频率为700kHz，下变频输出的信号经低通滤波器后进入AD进行采样，此时AD9864内部的采样时钟的设置为5.6MHz；其AD输出的采样数据经三级CIC抽取滤波处理，抽取倍数与AD9864输出信号的处理带宽相关，处理带宽范围6.8kHz至270kHz；即依靠AD9864进行中频信号处理，当用户频率扫描宽度设置大于270kHz时，CPU需要经多次频率设置来合成用户需要的频率扫描宽度；当用户频率扫描宽度设置≤270kHz时，CPU可将本振频率固定，AD9864中频处理输出的数据可以覆盖频率扫描宽度，此时分辨率带宽取决于PC的FFT处理结果。
射频输入频率f3（200MHz<f≤4400MHz）经开关一4后进入第一混频器7，与第一本振混频产生10.7MHz中频信号，混频输出的中频经10.7MHz带通滤波后经开关二17分为两路，当用户设置分辨率带宽小于270kHz时选择通道“③”再经开关3进入AD9864，此时AD9864的下变频本振固定为10MHz，保证了AD9864下变频输出的频率为700kHz，之后的处理与通道“②”完全相同；当用户设置分辨率带宽大于270kHz时选择通道“④”，此时对中频信号检波经开关四13选通直接进入ADC2采样，采样数据由单片机10传输给PC上位机2作后续处理，通道“④”分辨率带宽固定为3MHz，第一本振6根据用户扫宽的设置以3MHz步进。
由上述具体实施原理针对射频输入信号的频率经射频开关一4分为4个不同的通道进行处理，就可以很容实现用户对于射频宽带信号的频谱分析测量。

Claims (5)

1.基于AD9864中频数字化***FFT宽带频谱仪，其特征在于：包括有频谱分析仪硬件***和PC上位机，其中频谱分析仪硬件***包括有衰减器、射频开关一、10MHz参考频率、第一本振、第一混频器、检波器、AD9864中频数字化芯片、单片机；射频输入信号接入衰减器的信号输入端，衰减器的信号输出端与射频开关一相连，所述的10MHz参考频率接入第一本振，第一本振的信号输出端经环路滤波器后接入AD9864中频数字化芯片；根据射频输入信号的输入频率不同将射频信号分为三个通道分别进行处理：开关一的另一端输出的频率信号分别为f1、f2、f3，f1信号接入低通滤波器一，低通滤波器一的另一端与开关四的输入端连接；f2信号接入低通滤波器二，低通滤波器二的另一端与开关三的的输入端连接；f3信号接入第一混频器的I端，第一混频器的R端连接带通滤波器，带通滤波器的另一端连接开关二的输入端，开关二的另一个输入端连接检波器，检波器的另一端与开关四的另一个输入端连接，开关二的输出端接入AD9864中频数字化芯片，其中第一本振的信号输出端还与第一混频器的L端连接，第一本振与第一混频器之间连接有放大器；开关四的输出端连接模数转换器二，模数转换器二接入单片机的信号输入端，单片机的信号输入端还与与AD9864中频数字化芯片连接，单片机的信号输出端与PC上位机之间通信连接；所述的第一本振产生200MHz至4400MHz的信号，对输入信号进行下变频，并提供AD9864中频数字化芯片的下变频本振信号；所述的第一混频器对射频输入的f3频率信号下变频至10.7MHz信号，检波器对10.7MHz中频信号进行检波后输出检波直流信号；AD9864中频数字化芯片对f2和10.7MHz中频信号进行下变频、数字化及抽取滤波等处理；所述的模数转换器二对检波直流信号和f1信号进行采集，所述的单片机对频谱分析仪硬件***进行控制并将AD9864中频数字化芯片和模数转换器二输出的数据通过USB接口传给PC上位机进行处理并显示。
2.根据权利要求1所述的基于AD9864中频数字化***FFT宽带频谱仪，其特征在于：所述的PC上位机提供用户测量显示和参数设置，并通过USB接口接收中频数字化数据之后进行后续FFT、加窗处理、视频滤波及检波、显示等处理。
3.根据权利要求1所述的基于AD9864中频数字化***FFT宽带频谱仪，其特征在于：所述的AD9864中频数字化处理芯片可对10MHz至300MHz的中频输入信号进行下变频，然后进行AD变换、经三级抽取滤波器后输出中频数字化数据，中频处理带宽根据需要可在270kHz至6.8kHz之间可变。
4.根据权利要求1所述的基于AD9864中频数字化***FFT宽带频谱仪，其特征在于：所述的第一本振为单片集成PLL和VCO芯片，内置除1/2/4/8分频器的宽带频率合成器件，其输出频率范围为150MHz至4400MHz。
5.根据权利要求1所述的基于AD9864中频数字化***FFT宽带频谱仪，其特征在于：射频输入信号首先经衰减器及射频开关一后，根据用户不同测量频率设置分为①、②、③、④4个不同的通道进行处理，通道①为输入频率f<10MHz时选择直接AD采样利用FFT实现频率测量；通道②为输入频率10MHz≤f ≤200MHz时直接输入至AD9864中频数字化芯片处理后由PC上位机完成后续处理；通道③为频率200MHz<f ≤4400MHz时经一次变频及AD9864中频数字化芯片处理后由PC上位机完成后续处理；通道④为输入频率200MHz<f ≤4400MHz时经一次变频及直接检波后由PC上位机完成后续处理，此通道可以快速完成大扫宽频谱测量。
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