CN1932534A - 频谱分析仪的数据处理方法 - Google Patents

Abstract

提供一种数据处理方法，以实现一种基于计算的信号分析仪来产生与利用视频带宽滤波器的扫频频谱分析仪相对应的结果。一旦产生了频谱，就通过相对应的时间轴取代频率轴，以便可以应用诸如视频带宽滤波器的时域滤波器。在第一实例中，通过在其频率轴由相对应的时间轴取代的显示频谱数据上执行FFT而应用滤波器特性，产生频域数据，乘以频率响应以产生经滤波的形式，执行逆FFT并用原始的频率轴取代时间轴来产生显示频谱数据的经滤波的形式。在另一实例中，基于所需的滤波器特性来计算滤波器冲激响应，对其频率轴被相对应的时间轴取代的显示频谱数据和该滤波器冲激响应进行卷积积分，并且用原始频率轴取代时间轴来产生经滤波的显示频谱数据。

Description

频谱分析仪的数据处理方法

技术领域

本发明涉及使用FFT计算的信号分析仪的数据处理，特别涉及用于对使用视频滤波器的扫频频谱分析仪要提供的结果进行模拟的信号分析仪的数据处理。

背景技术

图1是扫频频谱分析仪的实例的框图。包括微处理器、存储器、以及硬盘驱动器等的控制装置(未示出)依据用户通过操作面板进行的设置来控制块操作，如本领域所公知的那样。输入可变衰减器10对被测输入信号的电平进行调节，而混频器12将该输入信号与来自扫频振荡器14的本地信号进行混频。本地信号的频率依据来自扫描信号发生器16的扫描信号(斜坡波形)而变化。这种处理导致合成的频谱信号上的频率和时间变化之间的线性关系。用于一个频率扫描的时间是扫描时间。中频(IF)放大器18对混频器12的输出进行放大并且IF滤波器20使放大后的信号通过由用户设置的带宽、或RBW(分辨带宽)。对数放大器22对滤波后的信号进行放大并且检测器24对该信号进行检测，以产生频谱信号。

视频滤波器26是低通滤波器并通过适当地设置带宽(VBW：视频带宽)来减小由IF滤波器20之后的电路引起的噪声。视频滤波器26还将如以类似的方式被显示在屏幕上的输入信号显示器的噪声减小到平均值。视频滤波器26不减小平均噪声(如具有分辨带宽(RBW)减小的情况那样)，但是该视频滤波器26可以减小还被称为噪声或类噪声信号的“顶部到底部厚度”的峰间振幅偏移。注意，视频滤波器26被用于频谱信号，该频谱信号是时间函数。模数转换器(ADC)27把视频滤波器26的输出变换成数字数据。该数字数据被存储在存储器28中并作为显示频谱波形被显示在水平轴是频率的显示器29的屏幕上，同时该数字数据与来自扫描信号发生器16的扫描信号相配合。使用频谱信号的频率变化和扫描上的时间变化之间的线性关系。在存储器28存储了该数据之后显示波形，这防止频谱波形的强度变得太弱以至于不易观察。屏幕的频率轴上的频率间隔(频率范围)依据用户设置而变化。

RBW和VBW变得越窄，滤波器20和26的响应就变得越慢，这要求使扫描时间更慢。控制装置自动地选择适当的扫描时间，同时考虑所选择的频率间隔。然而，用户可以设置任意扫描时间。这种扫频频谱分析仪例如通过美国专利6191571公开。

图2是使用FFT计算的信号分析仪(诸如基于FFT的频谱分析仪)的框图。类似于图1，包括微处理器、存储器、硬盘驱动器等的控制装置依据用户通过操作面板进行的设置来控制每个块。被测输入信号通过输入衰减电路30被提供到混频器32并与来自本地振荡器34的本地信号进行混频。本地信号的频率依据用户设置而变化，但是该频率没有被扫描，这不同于图1中示出的扫频型频谱分析仪。混频器32的输出通过IF放大器38和IF滤波器40被变换成中频(IF)信号，而模数转换器(ADC)42将该中频信号变换成数字数据。IF滤波器40主要用来消除像频而不是用来限定RBW，这不同于图1的情况。

数字降频转换器44可以进一步对来自ADC 42的数字数据进行数字降频转换，这可通过数字信号处理器(DSP)来实现。FFT(快速傅立叶变换)运算块48从变换器44接收数据并产生每帧N(N是自然数并且例如可以是1024)个频谱数据，这些频谱数据源自于每个预定周期(即，帧)获得的时域数据。RBW运算块50通过依据用户的RBW设置的数字计算把实际上相当于IF滤波器20的RBW的滤波器特性用于频域数据的频谱数据，以减小噪声分量。微处理器可以例如执行FFT和RBW计算。可替换地，可以在诸如DSP、和ASIC或FPGA的专用电路中执行FFT和RBW计算。显示器52把所产生的频谱数据作为频谱波形显示在屏幕上，该屏幕具有依据用户所设置的频率间隔的频率的水平轴。所设置的频率间隔的频谱波形通过一个帧的频谱数据来显示。

图2中示出的信号分析仪在得到该频谱之后没有元件增加噪声，这是因为该信号分析仪对输入信号进行数字化，以通过FFT计算获得频谱。

一些传统的频率分析过程要求使用扫频频谱分析仪，并且测量条件限定了要被使用的视频带宽(VBW)。在受限的测量条件下，基于FFT的频谱分析仪(或者信号分析仪)都不能取代扫频频谱分析仪，其原因在于，由于该基于FFT的频谱分析仪没有视频滤波器，所以该基于FFT的频谱分析仪不能对VBW进行设置，并且基于FFT的分析仪不能确保与扫频频谱分析仪的兼容性。

下面将更详细地讨论超越现有解决方案的细节和改进。

发明内容

因此，提供了一种使用FFT计算的信号分析仪(或者频谱分析仪)，该FFT计算能够对等效的VBW进行设置，以获得相当于使用模拟视频滤波器的结果。如所描述的那样，在产生了频谱之后，信号分析仪不产生噪声，但是，该结果根据是否把视频滤波器用于被测信号而有所不同。因此，如果视频滤波器特性可被用于诸如FFT型频谱分析仪的FFT信号分析仪，则FFT信号分析仪可以保持与扫频频谱分析仪所测量的结果的兼容性。

一种信号分析仪具有：数字化装置，用于把输入信号变换成中频信号并对该中频信号进行数字化以产生数字数据；数字运算装置，用于从该数字数据中计算并产生频谱数据；以及显示装置，用于显示该频谱数据，其中该信号分析仪基本上不需要视频滤波器。然而，本发明提供一种用于对具有视频滤波器的扫频频谱分析仪进行模拟的信号分析仪的数据处理方法。

该视频滤波器被用于为时间函数的频谱信号，但是FFT信号分析仪产生的频谱数据在频率和时间变化之间不具有直接明显的关系，所以有必要对频率和时间变化之间的对应进行定义。因此，本发明利用相对应的时间变化来取代频谱数据的频率变化，并然后把所需的滤波器特性用于该频谱数据。特别地，预定时间被分配给频率间隔，以用时间变化取代频谱数据的频率变化。预定时间对应于作为要被用在扫频频谱分析仪中的扫描时间并可以依据由用户设置的频率间隔、分辨带宽(RBW)和视频带宽(VBW)而被适当地选择。假定频率间隔对应于实际上限定的扫描时间，并且然后把频率和时间变化定义为具有线性关系，以便把N个频谱数据视为在时间序列中。然后，可以处理频谱数据，就好像该频谱数据是时域数据，视频滤波器特性被用于该时域数据，以得到相当于应用视频滤波器的结果。

一种用于应用所需的滤波器特性的方法可以是，数字运算装置把用时间变化取代其频率变化的频谱数据变换成频域数据，把所需的滤波器特性用于频域数据，并然后把该频域数据变换回时域数据。另一种方法可以是，数字运算装置在用时间变化取代其频率变化的频谱数据与滤波器的冲激响应之间进行卷积积分。

本发明的实施例使得信号分析仪能够等效地设置视频滤波器的视频带宽(VBW)，并且然后允许该信号分析仪来取代扫频频谱分析仪。

附图说明

图1是扫频频谱分析仪的实例的框图。

图2是传统信号分析仪的实例的功能框图。

图3是依据本发明的信号分析仪的实例的功能框图。

图4是依据本发明的信号分析仪的数据处理的流程图。

图5是用于应用滤波器特性的方法的另一实例的流程图。

具体实施方式

图3是依据本发明的信号分析仪的功能框图，其中用相同的编号表示与传统实例的那些块相对应的块。包括微处理器、存储器、硬盘驱动器等的控制装置依据用户通过操作面板进行的设置来控制每个块的操作。用于对电路操作进行控制的程序可以预先地被存储在诸如硬盘驱动器等的存储装置中。

依据本发明的信号分析仪相对于图2中示出的传统信号分析仪的不同之处在于，通过数字运算块46进行数据处理。参考示出了类似于图2中示出的FFT型信号分析仪的信号分析仪的图3和图4，输入可变衰减电路30对被测输入信号的电平进行调节，并且该输入信号被提供到混频器32以及与来自本地振荡器34的本地信号进行混频。混频器32的输出经过IF放大器38和IF滤波器40并被降频转换成中频信号(步骤56)，以及然后模数转换器(ADC)42把该中频信号变换成数字数据(步骤58)。可以是数字信号处理器(DSP)的数字降频转换器44进一步对来自ADC 42的数字IF数据进行数字降频转换(步骤60)。数字运算块46执行如下所述的数字计算以及类似于传统计算的FFT和RBW计算。如上所述，在FFT计算中，每段预定时间(帧)获得的时域IF数据被变换成N(N是自然数，例如1024)个频域数据(频谱数据)(步骤62)。由用户设置的RBW(分辨带宽)所限定的滤波器特性分别被用于频域数据的频谱数据(步骤63)。FFT和RBW计算可以例如通过微处理器的运算过程来完成。

如上所述，视频滤波器被用于作为时间函数的频谱信号上。然而，由信号分析仪所产生的频谱数据是频域数据并且在频率和时间变化之间没有直接关系，以便不能直接把视频滤波器特性用于该频谱数据。因此，必需一种过程来处理频域数据的频谱数据，就好像该频谱数据是时域数据那样。

当扫频频谱分析仪在预定的扫描时间期间跨越频率间隔进行扫描时，产生该扫频频谱分析仪的频谱信号。在FFT型信号分析仪的情况下，一个帧中的N个频谱数据跨越频率间隔显示频谱波形。实际上可以把扫描时间分配给信号分析仪的显示频谱波形的频率间隔。也就是说，如果一个帧中的N个频谱数据被认为是在扫描时间期间所产生的时间序列数据，则可以使频谱数据对应于扫频频谱分析仪的频谱信号。

特别地，使虚拟扫描时间为与扫频频谱分析仪的扫描时间相对应的Tsw，并且然后将所产生的一个帧中的N个频谱数据定义为每个虚拟采样间隔Ts＝Tsw/N一个频谱数据。也就是说，限定了频谱数据的频率变化与明显的时间变化之间的线性关系。这种关系允许由信号发生器所产生的N个频谱数据被处理，就好像这些频谱数据是时域数据。可替换的观点是，这个过程把时间关系分配给频谱数据并且用时间轴取代频率轴(步骤66)。这允许滤波FFT显示数据，好像这些FFT显示数据是时间波形。

当对扫频频谱分析仪进行模拟时，可以由控制装置依据用户设置的频率间隔、RBW和VBW来任意地选择虚拟扫描时间，或者可替换地，用户可利用想到的扫频频谱分析仪直接设置任意的扫描时间。所设置的VBW(视频带宽)也并不存在，而是所计算的虚拟VBW，以对扫频频谱分析仪的VBW功能进行模拟。

步骤68是通过数字计算把所需的滤波器特性用于好像是时域数据的频谱数据的过程，并具有附加的子步骤。在步骤70，由第一FFT产生的显示频谱数据具有其通过相对应的时间轴所取代的频率轴，以提供时域数据，该显示频谱数据通过另一FFT计算被变换成频域数据。第二频域数据和滤波器特性的频率响应相乘，以将滤波器特性用于显示数据(步骤72)。此后，经滤波的第二FFT数据通过逆傅立叶变换计算被返回成时域数据的原始频谱数据(步骤74)，但是现在包括VBW滤波器响应。使用频率和时间变化之间的所限定的对应关系，通过步骤66的逆操作过程来利用频率轴取代显示时间轴(步骤76)。结果是现在已通过所需的VBW来滤波的频谱数据。合成数据可以作为显示频谱而被显示在例如显示器52上(步骤78)。视频滤波器特性的形状一般是高斯形的，但是也可以选择地提供其它形状。

图5是示出了可替换的过程块68的流程图，以通过另一种方法得到与图4中示出的过程块68B相同的结果，其中除了相应的步骤68之外的数据过程与图4相同。在这种方法中，基于由用户设置的所需的滤波器特性(VBW)来计算冲激响应(步骤82)，并在冲激响应和时域数据的频谱数据之间进行卷积积分(步骤84)。注意，频谱数据被变换成频域数据，以进行图4的步骤68A的过程，但是，尽管这些过程提供等价的结果，在图5的步骤68B中的计算期间，数据仍保持时域数据。

依据本发明的信号分析仪可以对具有视频滤波器的扫频频谱分析仪进行模拟，即使该信号分析仪不具有模拟视频滤波器。因此，本发明允许，即使针对在测量中需要视频带宽(VBW)设置的频率分析，也利用诸如是例如实时频谱分析仪的FFT型频谱分析仪的FFT型信号分析仪取代扫频频谱分析仪。

Claims (9)

1、一种用于信号分析仪的数据处理方法，该信号分析仪把输入信号数字化成数字数据，并使用计算来产生具有频率轴的显示频谱数据，该方法包括：

基于与等效的扫描时间相对应的给定时间，限定采样间隔；

基于对应的时间，利用时间轴取代显示频谱数据的频率轴，以产生基于时间的频谱数据；

将滤波器特性用于基于时间的数据，以产生经滤波的基于时间的频谱数据；

利用频率轴取代经滤波的基于时间的频谱数据的时间轴，以产生经滤波的显示频谱数据；以及

显示经滤波的显示频谱数据。

2、如权利要求1所述的方法，其中，基于频率间隔、分辨带宽以及视频带宽来限定给定时间。

3、如权利要求1所述的方法，其中，应用滤波器特性的步骤进一步包括：

在基于时间的频谱数据上执行FFT，以产生频域数据；

使频域数据乘以与滤波器特性相对应的频率响应，以产生经滤波的频域数据；以及

在经滤波的频域数据上执行逆FFT，以产生经滤波的基于时间的频谱数据。

4、如权利要求1所述的方法，其中，应用滤波器特性的步骤进一步包括：

基于滤波器特性来计算冲激响应；以及

在冲激响应与基于时间的频谱数据之间应用卷积积分，以产生经滤波的基于时间的频谱数据。

5、一种用于信号分析仪的数据处理方法，该信号分析仪具有：数字转换器，用于把输入信号变换成数字数据；数字运算装置，用于通过计算从数字数据中产生显示频谱数据；以及显示装置，用于显示该频谱数据；该方法包括：把频谱数据的频率变化视作时间变化，以允许把所需的滤波器特性用于显示频谱数据，并显示经滤波的显示频谱数据。

6、如权利要求5所述的用于信号分析仪的数据处理方法，其中，把给定时间分配给频率间隔，以允许显示频谱数据的频率变化的处理，好像该频率变化是时间变化。

7、如权利要求6所述的用于信号分析仪的数据处理方法，其中，基于频率间隔、分辨带宽以及视频带宽的设置来选择所述给定时间。

8、如权利要求5所述的用于信号分析仪的数据处理方法，其中，通过以下步骤来把所需的滤波器特性用于显示频谱数据：

把具有通过时间变化所取代的频率变化的显示频谱数据变换成显示频域数据；

把所需的滤波器特性用于显示频域数据；

将显示频域数据返回到具有通过时间变化所取代的频率变化的显示频域数据；以及

利用频率变化取代时间变化，以产生经滤波的显示频谱数据。

9、如以上权利要求中的任一项所述的用于信号分析仪的数据处理方法，其中，通过对具有利用时间变化取代的频率变化的显示频谱数据和与所需的滤波器特性相对应的冲激响应进行卷积积分，把所需的滤波器特性用于显示频谱数据。

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