CN105116220A - 同步分离信号与噪声的信号分析装置及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了同步分离信号与噪声的信号分析装置及其分析方法。其中，第一滤波支路和第二滤波支路的输入端分别连接AD转换器，AD转换器输入中频模拟信号，第一滤波支路和第二滤波支路的输出端分别连接用于实现两路信号减法运算的减法器，减法器通过比较器连接信号索引存储器，比较器用于实现两路数字信号的差值设定阈值的比较，并输出该点数字信号的索引值至信号索引存储器存储。本发明充分研究了噪声的功率带宽特性以及带限信号的特点，利用两路滤波器同步对信号进行过滤处理，实现了信号与噪声的同步分离。

Description

同步分离信号与噪声的信号分析装置及其分析方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其是一种同步分离信号与噪声的信号分析装置及其分析方法。

背景技术

在快速信号分析或监测设备中，对信号的深入分析前，首先需要查找到信号，从频率上确定信号的中心频率点，或频谱的占用。目前的分析仪或监测设备一般都是通过软件的频谱峰值搜索，当扫描完全部的预设频段后，采用软件方式，包括峰值搜索算法和峰值门限判决，通过首先查找数学上的极值点，包括极大值和极小值，然后再对极值进行峰值门限的判断，门限大小由用户设定，最后峰值的个数或是否为峰值，受限于参数的设置，即受限于用户的经验，不同用户设置，最后搜索或确认到的信号是不一样的，即使是噪声，如果测的功率值比周边弱信号大或一样，基于数学的极值判断，也可以判定为信号。另外，信号峰值的搜索是在全部频率范围扫描完成后再进行的，搜索的启动时间，取决于扫描的快慢，在小分辨率情况下，搜索速度很慢，往往需要很长的扫描时间，因此带来了信号处理的严重滞后。对于需要立即处理的信号，或某些变化比较快的信号，如果需要发现即深入处理如解调或记录等，等整个频率范围扫描完，信号可能已经消失了。此外，在扫描频段比较宽，扫描频率点数非常多的情况下，信号的搜索效率将极大制约仪器分析性能的提高。

现有技术的缺点：需要扫描完成整个频段的所有频率点后，才能进行频谱功率的极值点搜索，然后在极值点上进行峰值信号的搜索，这样信号的识别远在扫描之后，当需要进一步对发现的信号进行分析解调时，信号可能已经消失或跳变了。另外无法区分信号与噪声，较大噪声可能被当作了信号峰值。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明通过研究和利用信号和噪声的频谱特点和特性，并设计扫描处理装置，能够使分析仪在整个频段内即时扫描即时发现信号，不需要等待整个频段扫描完成，改变了先扫描后搜索的仪器处理流程和工作方法，能够大大提高仪器的性能。

本发明采用如下技术方案：

同步分离信号与噪声的信号分析装置，包括两条并列的第一滤波支路、第二滤波支路，第一滤波支路包括依次连通的第一带通滤波器、第一插值抽取单元及第一峰值检波单元，第二滤波支路包括依次连通的第二带通滤波器、第二插值抽取单元及第二峰值检波单元，其中，第一带通滤波器和第二带通滤波器为两个中心频率一样，带宽不一样的分辨率滤波器；

所述第一滤波支路和第二滤波支路的输入端分别连接AD转换器，AD转换器输入中频模拟信号，第一滤波支路和第二滤波支路的输出端分别连接用于实现两路信号减法运算的减法器，减法器通过比较器连接信号索引存储器，比较器用于实现两路数字信号的差值设定阈值的比较，并输出该点数字信号的索引值至信号索引存储器存储。

所述第一带通滤波器和第二带通滤波器均为非递归型带通滤波器，通过可编程现场门阵列FPGA编程实现不同分辨率的频谱分析。

所述信号索引存储器为存储器，用于存储前端输出的信号索引值，并传输给主机软件读出。

所述第一峰值检波单元的输出端还连接有谱分析或解调单元，实现频谱的分析或解调处理。

基于上述的同步分离信号与噪声的信号分析装置的分析方法采用如下步骤：

(1)中频信号实时经过AD采样，变为数字数据后，进入该装置并分成了两路，同时进入第一带通滤波器与第二带通滤波器；

(2)第一带通滤波器与第二带通滤波器下载不同的滤波器系数，使第一带通滤波器与第二带通滤波器中心频率一致，但通带宽度不一致，并呈一定的倍数比例，信号与噪声进入第一带通滤波器与第二带通滤波器后，由于信号是具有一定带宽的带限信号，而噪声信号是随机均匀分布于整个频带的，在信号中心频率处功率差值为0，在频率扫描的同时找到信号的中心频率；

(3)两路的数据速率一致的进入减法器，减法器逐点对信号数据进行减法运算得到两路的数据差值；

(4)两路的数据差值进入比较器与设定阈值进行比较：

如小于或等于该阈值，把该点的索引值存入后面的信号索引存储器，主机从该存储器读取所有的索引值，再乘以扫描步进值，得到信号的频率值；

反之，为噪声而不是信号。

所述步骤(2)的中心频率两边测得的功率值是不同的，离开信号的中心频率较远处为10Log(B1/B2)，其中B1与B2分别是第一带通滤波器与第二带通滤波器的通带宽度，而在信号的中心频率点，功率值则一样。

采用如上技术方案取得的有益技术效果为：

本发明能够应用于信号监测接收机或其它信号分析仪器中，利用带限信号和噪声的功率分布特点，相对于传统的通过数学方式查找极大和较小值再搜索信号的中心频率，不仅能够实现信号的快速搜索，达到边扫描边搜索，而且因为符合信号物理特性，使搜索到的信号中心频率更准确更可信。搜索到信号的同时可以启动深入的信号分析，避免瞬变信号的消失，这是传统信号搜索方法所不能具备的。

本发明实现成本低廉，应用于微波仪器能够大大提高仪器的性能优势。

附图说明

图1为同步分离信号与噪声的信号分析装置框图。

图2为同步分离信号与噪声的信号分析实例。

具体实施方式

结合附图1至2对本发明的具体实施方式做进一步说明：

同步分离信号与噪声的信号分析装置，包括两条并列的第一滤波支路、第二滤波支路，第一滤波支路包括依次连通的第一带通滤波器、第一插值抽取单元及第一峰值检波单元，第二滤波支路包括依次连通的第二带通滤波器、第二插值抽取单元及第二峰值检波单元，其中，第一带通滤波器和第二带通滤波器为两个中心频率一样，带宽不一样的分辨率滤波器。第一滤波支路和第二滤波支路的输入端分别连接AD转换器，AD转换器输入中频模拟信号，第一滤波支路和第二滤波支路的输出端分别连接用于实现两路信号减法运算的减法器，减法器通过比较器连接信号索引存储器，比较器用于实现两路数字信号的差值设定阈值的比较，并输出该点数字信号的索引值至信号索引存储器存储。

第一带通滤波器和第二带通滤波器均为非递归型带通滤波器即FIR滤波器，通过可编程现场门阵列FPGA编程实现不同分辨率的频谱分析。

信号索引存储器为存储器，用于存储前端输出的信号索引值，并传输给主机软件读出。

第一峰值检波单元的输出端还连接有谱分析或解调单元，实现频谱的分析或解调处理。

基于上述的同步分离信号与噪声的信号分析装置的分析方法采用如下步骤：

(1)中频信号实时经过AD采样，变为数字数据后，进入该装置并分成了两路，同时进入第一带通滤波器与第二带通滤波器；

(2)第一带通滤波器与第二带通滤波器下载不同的滤波器系数，使第一带通滤波器与第二带通滤波器中心频率一致，但通带宽度不一致，并呈一定的倍数比例，信号与噪声进入第一带通滤波器与第二带通滤波器后，由于信号是具有一定带宽的带限信号，而噪声信号是随机均匀分布于整个频带的，在信号中心频率处功率差值为0，在频率扫描的同时找到信号的中心频率；

(3)两路的数据速率一致的进入减法器，减法器逐点对信号数据进行减法运算得到两路的数据差值；

(4)两路的数据差值进入比较器与设定阈值进行比较：

如小于或等于该阈值，把该点的索引值存入后面的信号索引存储器，主机从该存储器读取所有的索引值，再乘以扫描步进值，得到信号的频率值；

反之，为噪声而不是信号。

所述步骤(2)的中心频率两边测得的功率值是不同的，离开信号的中心频率较远处为10Log(B1/B2)，其中B1与B2分别是第一带通滤波器与第二带通滤波器的通带宽度，而在信号的中心频率点，功率值则一样。

在某型号微波频谱仪中，原来都是等待整个频段扫描完成后，再在所有的频谱扫描数据序列中通过按顺序查找数学上的极值点，包括极大值和极小值，然后再对极值进行峰值门限的判断，门限大小由用户设定，超过门限的极大值点即判断为信号峰值。通过数学的数值比较，无法考虑信号和噪声的特性，如果噪声叠加在信号上或者某些噪声功率超过信号可能被当作信号峰值。

要实现1GHz到40GHz的频谱扫描，扫描间隔为300Hz，总共130M个频点，采用传统搜索方法是相当慢的，因此为了在信号出现时候，能及时识别出信号,采用本发明的方案。如图1所示，整体采用FPGA实现，第一带通滤波器和第二带通滤波器由可编程逻辑器件实现，能够下载滤波器的系数，而实现不同带宽的滤波带宽。

用户选择下载1KHz的滤波器系数到第一带通滤波器，下载10KHz的FIR滤波器系数到第二带通滤波器，第一带通滤波器变为分辨率带宽为1KHz的FIR滤波器，第二带通滤波器变为分辨率带宽为10KHz的FIR滤波器，经过滤波后，通过插值抽取单元，由于不需要进行采样率变换，因而该单元不进行插值与抽取的处理，因此两路信号不需要采样率调整，数据速率保持一致。

峰值检波单元进行最大峰值检波，在没有信号的频谱点上两路信号的功率差为10log(10/1)＝10dB，如图2所示，从起始频率到靠近信号的出现点频率20.5GHz，两路信号的功率差值主要是噪声，基本都是10dB，当接近中心频率处，两路信号检波的功率差值越来越小直至0，离开信号的中心频率处到信号的消失频率点，两路信号检波的功率差越来越大，直至10dB，从信号消失处到扫描的终止频率处若没有其它信号出现，则两路信号的功率差保持10dB。在减法器完成两路信号检波的功率差后，进入比较器，与0dB值或一个很小功率测量误差阈值(本仪器功率测量误差0.1dB)比较，若达到0dB或0.1dB,则确定搜索到了信号且信号的频率值为20.5GHz，该扫描点的索引值65000000直接存入了后面的信号索引存储器中。用户主机读出65000000之后通过公式计算65M/130M*(40-1)G+1G＝20.5GHz。反之，为噪声而不是信号。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (6)

1.同步分离信号与噪声的信号分析装置，其特征在于，包括两条并列的第一滤波支路、第二滤波支路，第一滤波支路包括依次连通的第一带通滤波器、第一插值抽取单元及第一峰值检波单元，第二滤波支路包括依次连通的第二带通滤波器、第二插值抽取单元及第二峰值检波单元，其中，第一带通滤波器和第二带通滤波器为两个中心频率一样，带宽不一样的分辨率滤波器；

所述第一滤波支路和第二滤波支路的输入端分别连接AD转换器，AD转换器输入中频模拟信号，第一滤波支路和第二滤波支路的输出端分别连接用于实现两路信号减法运算的减法器，减法器通过比较器连接信号索引存储器，比较器用于实现两路数字信号的差值设定阈值的比较，并输出该点数字信号的索引值至信号索引存储器存储。

2.根据权利要求1所述的同步分离信号与噪声的信号分析装置，其特征在于，所述第一带通滤波器和第二带通滤波器均为非递归型带通滤波器，通过可编程现场门阵列FPGA编程实现不同分辨率的频谱分析。

3.根据权利要求1所述的同步分离信号与噪声的信号分析装置，其特征在于，所述信号索引存储器为存储器，用于存储前端输出的信号索引值，并传输给主机软件读出。

4.根据权利要求1所述的同步分离信号与噪声的信号分析装置，其特征在于，所述第一峰值检波单元的输出端还连接有谱分析或解调单元，实现频谱的分析或解调处理。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的同步分离信号与噪声的信号分析装置的分析方法，其特征在于，同步分离信号与噪声的信号分析方法采用如下步骤：

(1)中频信号实时经过AD采样，变为数字数据后，进入该装置并分成了两路，同时进入第一带通滤波器与第二带通滤波器；

(2)第一带通滤波器与第二带通滤波器下载不同的滤波器系数，使第一带通滤波器与第二带通滤波器中心频率一致，但通带宽度不一致，并呈一定的倍数比例，信号与噪声进入第一带通滤波器与第二带通滤波器后，由于信号是具有一定带宽的带限信号，而噪声信号是随机均匀分布于整个频带的，在信号中心频率处功率差值为0，在频率扫描的同时找到信号的中心频率；

(3)两路的数据速率一致的进入减法器，减法器逐点对信号数据进行减法运算得到两路的数据差值；

(4)两路的数据差值进入比较器与设定阈值进行比较：

如小于或等于该阈值，把该点的索引值存入后面的信号索引存储器，主机从该存储器读取所有的索引值，再乘以扫描步进值，得到信号的频率值；

反之，为噪声而不是信号。

6.根据权利要求5所述的同步分离信号与噪声的信号分析方法，其特征在于，所述步骤(2)的中心频率两边测得的功率值是不同的，离开信号的中心频率较远处为10Log(B1/B2)，其中B1与B2分别是第一带通滤波器与第二带通滤波器的通带宽度，而在信号的中心频率点，功率值则一样。