浅议DDC在手持频谱仪中的应用

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基于FPGA的DDC设计

电子科技大学硕士学位论文基于FPGA的DDC在频谱仪中的设计姓名：张锡权申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：李玉柏;董万明20090501摘要摘要软件无线电思想的出现带来了接收机实现方式的革新。

随着近年来软件无线电理论和应用趋于成熟与完善，软件无线电技术已经被越来越广泛地应用于无线通信系统和电子测量测试仪器中。

数字下变频技术作为软件无线电的核心技术之一，在频谱分析仪中也得到了越来越普遍的应用。

本人参与的手持式频谱分析仪项目采用的是中频数字化实现方式，可满足轻巧，可重配置和低功耗的需求。

数字化中频的关键部件数字下变频器ＤＤＣ采用的是Ｉｎｔｅｒｓｉｌ公司的ＩＳＬ５２１６，这个器件和高性能ＦＰＧＡ共同组成手持频谱仪的数字信号处理前端。

这个数字前端就手持频谱分析仪来说存在一定的局限性，ＩＳＬ５２１６的信号处理带宽单通道为１ＭＨｚ，４个通道级联为３删ｚ，未能满足谱仪分析带宽日益增加的需求；系统集成度不高，ＩＳＬ５２１６的功能要是集成到ＦＰＧＡ，可进一步提高系统集成度，降低物料成本和系统功耗。

基于以上两个方面的考虑，现正以手持频谱分析仪项目为依托，基于ＸｉｌｉｎｘＳｐａｒｔａｎ３Ａ—ＤＳＰ系列ＦＰＧＡ实现高速高处理带宽的ＤＤＣ。

本论文首先描述了数字下变频基本理论和结构，对完成各级数字信号处理所涉及的数字正交变换、ＣＯＲＤＩＣ算法、ＣＩＣ、ＨＢ、多相滤波等关键算法做了适当介绍；然后介绍了当前主流ＦＰＧＡ的数字信号处理特性和其内部的ＤＳＰ资源。

接着详细描述了数控振荡器ＮＣＯ、复数数字混频器ＭＩＸＥＲ、５级ＣＩＣ滤波器、５级ＨＢ滤波器和２５５阶可编程ＦＩＲ的设计和实现，并对各个模块的不同实现方式作了对比和仿真测试数据作了分析。

最后介绍了所设计ＤＤＣ在手持频谱分析仪中的主要应用。

关键词：数字下变频，ＦＰＧＡ，频谱分析仪，积分梳状滤波，半带滤波，多相滤波第一章引言第一章引言１．１数字下变频技术软件无线电的核心思想是对天线感应的射频模拟信号尽可能的数字化，将其变换为适合ＤＳＰ器件或计算机处理的数据流，然后通过软件来完成各种功能。

DDC控制

何谓DDCDDC(Direct Digital Control)直接数字控制。

DDC系统的组成通常包括中央控制设备(集中控制电脑、彩色监视器、键盘、打印机、不间断电源、通讯接口等)、现场DDC控制器、通讯网络、以及相应的传感器、执行器、调节阀等元器件。

近几年来，它代替了传统控制组件，如温度开关、接收控制器或其它电子机械组件等，成为各种建筑环境控制的通用模式。

DDC系统是利用微信号处理器来做执行各种逻辑控制功能，它主要采用电子驱动，但也可用传感器连接气动机构。

DDC系统的最大特点就是从参数的采集、传输到控制等各个环节均采用数字控制功能来实现。

同时一个数字控制器可实现多个常规仪表控制器的功能，可有多个不同对象的控制环路。

所有的控制逻辑均由微信号处理器，并以各控制器为基础完成，这些控制器接收传感器，常用融点或其它仪器传送来的输入信号，并根据软件程序处理这些信号，再输出信号到外部设备，这些信号可用于启动或关闭机器，打开或关闭阀门或风门，或按程序执行复杂的动作。

这些控制器可用手操作中央机器系统或终端系统。

DDC控制器是整个中央空调控制系统的核心。

是系统实现控制功能的关键部件。

它的工作过程是控制器通过模拟量输入通道(AI)和开关量输入通道(DI)采集实时数据，并将模拟量信号转变成计算机可接受的数字信号(A/D转换)，然后按照一定的控制规律进行运算，最后发出控制信号，并将数字量信号转变成模拟量信号(D/A转换)，并通过模拟量输出通道(AO)和开关量输出通道(DO)直接控制空调设备的运行。

DDC控制器的软件通常包括基础软件、自检软件和应用软件三大块。

其中基础软件是作为固定程序固化在模块中的通用软件，通常由DDC生产厂家直接写在微处理芯片上，不需要也不可能由其它人员进行修改。

各个厂家的基础软件基本上是没有多少差别的。

设臵自检软件和保证DDC控制器的正常运行，检测其运行故障，同时也可便于管理人员维修。

应用软件是针对各个空调设备的控制内容而编写的，因此这部分软件可根据管理人员的需要进行一定程度的修改。

通信系统中的数字上变频和下变频

通信系统中的数字上变频和下变频数字上变频器(DUC)和数字下变频器(DDC)不仅仅是通信应用(如软件无线电)中的关键，而且在需要窄带信号高速流的应用中也是重要的。

另外，DDC结构容易控制所有取样速率下的混淆防止分样。

让我们看看数字记录5MHz带宽(中心在50MHz)信号的问题。

此信号可以是来自RF-IF模拟下变频器的信号或者是直接从天线接收的信号。

为了满足尼奎斯特准则，我们需要以105ms/s取样率取样此信号。

然而，为了合理地捕获此信号，应该在较高的取样率(至少200ms/s)取样此信号。

假设ADC为16位，在该速率下被取样的信号会产生400MB/s数据。

也许更难办的是以这样高速率采集和存储数据缺乏商业可用的方案。

大多数可用的PC基数字器仅能在大约几分之几秒内存储此数据。

数字下变频DDC在持续时间期间可以数字记录RF信号。

在此实例中，我们仅需要记录5MHz信号(中心频率50MHz)，而不是ADC的整个尼奎斯特带宽。

DDC允许除去其余数据，并降低数据率。

在现场可编程门阵列(FPGA)中实现时，简单的数字下变频分为3个性质不同的步：频率变换、滤波和分样(图1)。

频率变换和滤波第1步是频率变换。

5MHz频带需要降低变换到基带，靠乘或与载频(fc)正弦信号混频实现这种变换。

用数字控制振荡器(NCO)数字产生正弦波。

NCO通常也称之为本机振荡器(LO)，它可以在精确频率和相位下产生取样波形。

随着信号从50MHz变频到基带，信号拷贝也从50 MHz变频到100 MHz。

基于此原因，新的基带信号必须滤波，去除较高频率的信号。

然而，到此我们的任务没有完成。

我们仍有1个在200ms/s取样的低频基带信号。

传输额外不必要数据时不希望PC总线过载，我们重新取样信号来降低有效取样率。

这靠分样实现，在规则的时间间隔内从数字化的信号中去除数据点。

在此例中，取样从200ms/s下降到10ms/s，每20个取样去除19个取样。

频谱仪的原理与应用浅谈

对间和扫频宽度，它们的设最大小与分辨率带宽是相互关联的。分辨率带宽设置的越小，则需要响应的扫描时间越长。扫顿宽度即频谱仪显示屏上从左边最小到右边最大的响应信号的频谱宽度扫频宽度越宽，则相应的扫描时间也越长。在实际测量时，频谱仪能够自动将分辨率带宽与扫描时问、扫频宽度等参数做 “ 自动关联” 置，没以避免不合理设置带来仪器的｛量误差。萁Ｉ３民航卫星通信中频谱仪应片的一些问ｊ题由于民航卫星地面站接收到的卫星信号功率极低，大约疑有一０ｌｌ右，了更准￣ｄｌ左ｂｌ为确、观∞检测信号，高频谱仪的灵敏度、更直提增强频谱仪对，信号的检测能力十分重要。ｌ、在实际操ｆ中，１通过合理设置输入衰减器的衰减＝值、减少分辨率带宽、减少视频带宽、使用前置放大器等办法均可增强对小功率信号的检测
弓ｉ
频说议作为一种测量工具，在微波通信领域就像万用表一样，被广泛的使用。民航卫星通信系统所使用的ｃ波段信号的分析测试，要将信号转换到频域进行测量，需因此频谱仪就成为民航卫星通信领域必不可缺的测量工具。只有掌握了频谱仪的工作原理，掌握它的基本测量方法和正确的使用方法，才能让在我们日常的维护测量工作中发挥更多的
作用。
ｌ颧谱ｆ的工作原理逻要想准确的示出待测信号的频率特征，分辨出待测信号中各频率成分的功率幅度，频潜仪普遍都采用超外差式接收机的原理，原理框如ｌ其输人信号在经过衰减器衰减之后。与奉振信号混频变成中频ｆ号，言中频信号再经过放大、滤波后送到检波器检波，波输出信号经检视频滤波嚣滤波成为与输入信号功率幅度相对应的视额信号，体现在显示屏的Ｙ轴上；扫额控制器将扫描电压与本振频率对膻起来，改变频谱仪本振频率的同时将改变显示屏ｘ轴的扫描电压。这样，频谱仪就可以将输入信号在不同频率处的功率幅度大小体现在示屏

通信应用中的数字上变频和下变频

通信应用中的数字上变频和下变频数字上变频器(DUC)和数字下变频器(DDC)不仅仅是通信应用(如软件无线电)中的关键，而且在需要窄带信号高速流的应用中也是重要的。

另外，DDC结构容易控制所有取样速率下的混淆防止分样。

做为1个例子，让我们看看数字记录5MHz带宽(中心在50MHz)信号的问题。

此信号可以是来自RF-IF模拟下变频器的信号或者是直接从天线接收的信号。

为了满足尼奎斯特准则，我们需要以105ms/s取样率取样此信号。

然而，为了合理地捕获此信号，应该在较高的取样率(至少200ms/s)取样此信号。

假设ADC为16位，在该速率下被取样的信号会产生400MB/s数据。

也许更难办的是以这样高速率采集和存储数据缺乏商业可用的方案。

大多数可用的PC基数字器仅能在大约几分之几秒内存储此数据。

数字下变频DDC在持续时间期间可以数字记录RF信号。

在此实例中，我们仅需要记录5MHz信号(中心频率50MHz)，而不是ADC的整个尼奎斯特带宽。

DDC允许除去其余数据，并降低数据率。

在现场可编程门阵列(FPGA)中实现时，简单的数字下变频分为3个性质不同的步：频率变换、滤波和分样(图1)。

频率变换和滤波第1步是频率变换。

5MHz频带需要降低变换到基带，靠乘或与载频(fc)正弦信号混频实现这种变换。

用数字控制振荡器(NCO)数字产生正弦波。

NCO通常也称之为本机振荡器(LO)，它可以在精确频率和相位下产生取样波形。

随着信号从50MHz变频到基带，信号拷贝也从50 MHz变频到100 MHz。

基于此原因，新的基带信号必须滤波，去除较高频率的信号。

然而，到此我们的任务没有完成。

我们仍有1个在200ms/s取样的低频基带信号。

传输额外不必要数据时不希望PC总线过载，我们重新取样信号来降低有效取样率。

这靠分样实现，在规则的时间间隔内从数字化的信号中去除数据点。

在此例中，取样从200ms/s 下降到10ms/s，每20个取样去除19个取样。

频谱仪使用方法范文

频谱仪使用方法范文频谱仪是用来检测和显示信号频谱分布的仪器。

它可以将各种频率的信号进行分析，并以图形的形式显示出来。

频谱仪广泛应用于无线通信、电视、广播、音频等领域，以下是频谱仪的使用方法。

1.频谱仪的基本构成频谱仪一般由前端收集电路、混频器、数据转换器、数学处理器和显示器等组成。

前端收集电路负责将被测信号引入频谱仪，混频器负责将高频信号转换成低频信号，数据转换器将模拟信号转换成数字信号，数学处理器对数字信号进行处理，最后在显示器上显示频谱。

2.准备工作首先要确保频谱仪的工作状态良好，接通电源后进行自检。

如果自检通过，检查传感器和输入输出端口是否连接正常。

接下来，根据被测信号的特点和要求，调整和设置频谱仪的相关参数，包括中心频率、带宽、分辨率等。

3.设置测量范围根据被测信号的特点，设置合适的测量范围。

如果被测信号的幅度较小，可以选择较小的测量范围，以充分利用测量范围的动态范围，提高测量精度。

4.设置分辨率带宽分辨率带宽是指频谱仪对信号频率的分辨能力。

较小的分辨率带宽可以提高频谱仪的分辨率，但同时也会降低频谱仪的灵敏度。

在设置分辨率带宽时需要根据被测信号的特点进行适当调整。

5.设置中心频率和扫描范围中心频率是指频谱仪所测量信号的中心频率，扫描范围是指频谱仪所测量信号的频率范围。

根据被测信号的频率范围和特点，设置合适的中心频率和扫描范围，使得被测信号能够完整地显示在频谱仪的显示屏上。

6.选择垂直和水平刻度在频谱仪的显示屏上，垂直轴表示信号的幅度，水平轴表示信号的频率。

根据被测信号的幅度和频率范围，选择合适的垂直和水平刻度，以保证被测信号能够完整地显示出来。

7.进行测量和分析设置好各种参数后，可以进行频谱测量和分析了。

观察频谱仪的显示屏，根据显示结果进行信号分析。

可以通过观察信号的幅度、频率和分布情况来判断信号的质量和稳定性。

8.存储和导出数据频谱仪一般可以将测量结果保存起来，以便后续的分析和处理。

可以将数据存储在频谱仪的内存中，也可以通过连接计算机或其他存储设备进行数据导出。

示波器的DDC(数字下变频)技术详解

示波器的DDC（数字下变频）技术详解如今随着电子产品设计的日趋复杂，DDC介绍R&S示波器硬件实现的DDC3.1 I/Q解调中的DDC3.2 频谱分析中的DDC示波器频谱分析功能一般采用FFT（Fast Fourier Transformation）即快速傅里叶变换。

传统数字示波器的频谱分析原理框图如图13所示。

图13 传统数字示波器频谱分析框图模拟信号经过ADC后变成数字信号，之后选择不同的窗函数进行加窗处理，最后直接做FFT将信号变换到频域。

通过该种处理方式得到的频谱范围为0Hz至最大频率（通常数值上等于ADC采样率的一半），例如ADC采样率为5GSa/s，那么FFT得到的频谱范围为0Hz至2.5GHz。

如果要观测某一段的频谱，则通过软件显示放大（Zoom）的方式将频谱放大显示到该频段。

这种传统示波器频谱分析方式的好处在于，所有处理过程采用软件计算，且算法简单，因此便于实现。

但如果追求更快的实时频谱测量或者更高精度的频谱分析，这种传统的处理方式就会显得非常困难。

由于采用全软件的处理方式以及一直是对整个频率范围（0Hz至最大频率）做计算，因此处理速度会很慢，无法做到实时或者准实时的频谱分析。

另外在示波器设置方面也会很复杂，需要不断的调整时域参数（如时基、采样率等）来满足需要的频域参数设置。

最重要的是，受到示波器存储深度的限制，并且通常使用的FFT点数只有几K，因此频率分辨率即最小能区分的频率大小会非常有限，通常情况下很难达到一个理想的频率分辨率。

一般来讲，频率分辨率有两种解释。

一种解释是，表示在FFT中，两个相邻频率点间的最小频率间隔，如公式(5)所示：∆f = fs / N = 1 / t (5)其中，∆f表示频率分辨率，fs表示ADC采样频率，N表示FFT的计算点数，t表示采集信号的时间长度，也就是捕获时间。

可以看出，信号采集时间t越长，频率分辨率∆f越小，也就是频率分辨力就越好。

频谱仪和接收机的原理与应用

频谱仪和接收机的原理与应用频谱仪频谱仪是一种用于测量信号频率、幅度和谱分析的仪器。

它通过将输入信号分解成不同频段的能量，来显示信号在不同频率上的分布情况。

工作原理频谱仪的工作原理基于傅里叶变换。

它将输入信号通过前端的滤波器进行频率分割，然后使用傅里叶变换将频率域信号转换为时域信号。

最后，将结果显示为频谱图，其中横轴表示频率，纵轴表示信号强度。

应用领域频谱仪广泛应用于各个领域，包括通信、无线电、雷达、音频等。

以下是频谱仪的一些具体应用：•无线电频谱监测：频谱仪可以用于监测无线电频段的使用情况，帮助调整无线电信道的分配和规划。

•信号分析：频谱仪可以用于分析信号的频率成分和频域特征，例如音频信号的频谱分析。

•故障诊断：频谱仪可以用于检测和诊断电子设备或系统中的故障，通过分析频谱可以找到异常信号或干扰源。

•无线电测量：频谱仪可以用于测量无线电频段的信号强度、带宽、调制等参数。

•雷达信号处理：频谱仪可以用于雷达系统中的信号处理和目标探测，帮助识别和跟踪目标。

接收机接收机是一种用于接收无线电信号的设备，它可以将无线电信号转换为可听或可视的信号。

工作原理接收机的工作原理基于调制和解调。

它首先将接收到的无线电信号进行放大、滤波，然后进行解调，将调制信号还原为原始信号。

最后，将信号输出到扬声器或显示屏上。

应用领域接收机在通信、广播、电视等领域具有广泛的应用。

以下是接收机的一些具体应用：•无线电通信：接收机是无线电通信系统中的关键设备，用于接收和解码发送的无线电信号。

•广播接收：接收机可以用于接收广播电台发送的音频信号，在扬声器上播放音乐、新闻等节目。

•电视接收：接收机可以用于接收电视信号，将电视节目显示在电视屏幕上。

•导航系统：接收机在全球定位系统（GPS）等导航系统中起到接收和解析导航信号的作用。

•雷达接收：接收机在雷达系统中用于接收和处理雷达返回的信号，实现目标探测和跟踪。

总结起来，频谱仪和接收机是信号处理和通信领域中常用的设备。

浅议DDC在手持频谱仪中的应用

浅议DDC在手持频谱仪中的应用【摘要】本文讨论的基于FPGA实现的数字下变频器，是从手持频谱分析仪项目需求出发，并从谱仪中的数字下变频结构上考虑了各模块彼此间的性能制约，从而选择合理算法和FPGA内部丰富的DSP48A资源，有效提高了关键模块的处理速度和优化了系统配置，增加了整个下变频系统的系统处理时钟和信号处理带宽，使系统性能在已有硬件资源的条件下尽可能的最大化。

【关键词】DDC；手持频谱仪；应用1.手持频谱仪的工作原理对一个信号的观察和测量，主要从时域和频域进行展开。

频谱分析仪是使用不同方法在频域内对信号的电压、功率、频率等参数进行测量并显示的仪器。

实质上频谱分析仪是也一种接收机。

频谱仪有多种分类方法，按照分析处理方法的不同，可分为模拟式频谱仪、数字式频谱仪和模拟/数字混合式频谱仪。

模拟式频谱仪以扫描式为基础构成。

扫描式频谱仪根据组成方法的差异又分为调谐滤波器型、超外差型两种，分别采用滤波器或混频器实现被分析信号中各频率分量的逐一分离。

数字式频谱仪以数字滤波器或快速傅里叶变换为基础构成。

现代频谱仪将外差式扫描频谱分析技术与FFT数字信号处理结合起来，前端采用传统的外差式结构，中频处理部分采用数字结构，这样既可以继承外差式结构大的频率范围的优点，又可以充分发挥FFT可以做到很小频率分辨率的优点。

1.1经典外差式频谱仪早期的频谱分析仪实质上是一台扫频接收机。

输入信号与本地振荡信号在混频器变频后，经过一组并联的不同频率特性的带通滤波器，和检波器，使输入信号显示在一组带通滤波器限定的频率轴上。

显然，由于带通滤波器由无源元件构成，频谱分析仪整体上显得很笨重，而且频率分辨率不高。

1.2频谱分析仪的工作过程频谱分析范围是0Hz到3GHz，采用高中频3.6GHz方案，这样可有利于提高镜像抑制。

本地振荡器LO随着扫描发生器Sweep Generator的控制信号，改变本地频率送到混频器与输入的信号进行混频，得到中频3.6GHz信号，该中频信号经过中频滤波器（可调节的频率分辩带宽RBW）和检波，得到相应频率点的幅度电平值，最后送到显示器进行显示。

频谱仪原理范文

频谱仪原理范文频谱仪是一种用于分析信号频谱信息的仪器。

其原理是基于傅里叶变换的基础上，将一个时间域的信号转换为其频谱分析。

频谱分析是将一个信号分解为许多不同频率的成分的过程。

它可以显示信号在不同频率下的能量分布情况，从而提供了对信号在频域上的详细理解。

频谱仪通过调制输入信号，并测量输出的幅度和相位信息来实现频谱分析。

在频谱仪中，输入信号首先通过一个前置放大器进行放大，以保证信号不会因为强度过小而失真。

然后，信号经过一个带通滤波器选择其中感兴趣的频率段。

带通滤波器通常由一个或多个可调电容或电感来构成，通过调整这些参数即可选择感兴趣的频率段。

经过滤波器处理后的信号，进入混频器。

混频器的作用是将输入信号与一个参考信号进行混频，得到一个低频信号和一个高频信号。

在频谱仪中，混频器常用的参考信号是来自一个稳定的信号源。

得到高频信号后，需要通过一个低通滤波器滤除高频成分，并通过一个放大器放大到适当的水平。

滤波器通常由一个或多个电容和电阻组成，通过调整这些参数即可选择感兴趣的低频成分。

然后，经过放大器处理后的信号，进入一个检波器。

检波器的作用是将信号转换为直流信号，用于测量其幅度和相位信息。

常用的检波方式有峰值检波和均值检波。

最后，经过检波器处理后的信号进入一个显示器，显示频谱图。

频谱图通常是一个竖直方向为频率，水平方向为信号能量的图形。

频谱仪可以通过调整显示器的扫频速率来控制所显示的频率范围，在不同的应用需求下进行频谱分析。

除了上述基本原理外，现代频谱仪还可以应用一些高级技术来提高测量精度和功能。

例如，在高频信号处理中，可以使用数字信号处理技术来实现更高的分辨率和更低的噪声水平。

此外，频谱仪还可以与计算机等外部设备相连，用于保存和分析测量数据，提高频谱分析的效率和可靠性。

总之，频谱仪基于傅里叶变换原理，通过调制、滤波、混频、检波和显示等步骤，将信号由时间域转换为频域，分析信号在不同频率下的能量分布情况。

它可以广泛应用于通信、无线电、音频、振动分析、生物医学等领域，并通过不断创新和发展，为频谱分析提供了更高的精度和更广的应用范围。

频谱仪的使用方法

频谱仪的使用方法频谱仪是一种用于测量信号频谱组成的仪器。

它可以将信号的频率范围分解成不同频率的振幅分量，从而提供了许多有关信号特征的重要信息。

这里我将为您详细介绍频谱仪的使用方法。

使用频谱仪的第一步是连接输入信号。

频谱仪通常具有一个输入端口，您可以将待测信号通过信号源或其他仪器连接到该端口。

为了确保准确的测量结果，您应该使用适当的信号线缆以及连接器。

信号线缆的选择要针对输入信号的频率范围和阻抗匹配进行考虑。

在连接好输入信号之后，您需要设置频谱仪的参数。

这些参数包括信号的中心频率、分辨率带宽、时间或频率的测量范围等。

中心频率是指频谱仪所关注的主要信号频率，而分辨率带宽则是指频谱仪在分析频谱时所采用的带宽。

根据您的具体需求，您可以选择不同的参数配置来获得所需的测量结果。

接下来，您需要进行频谱测量。

频谱仪通常提供了多种测量模式，包括峰值模式、平均模式、最大持续测量等。

在选择测量模式之前，您应该了解您需要获取的信号特征以及对测量结果的要求。

例如，如果您关心信号的峰值振幅，并希望测量结果具有较高的信噪比，则可以选择最大持续测量模式。

进行测量时，您可以通过观察频谱仪的显示屏来获取结果。

频谱仪的显示屏通常以图形的形式呈现信号频谱的振幅分量。

您可以看到信号的频率范围以及相应的振幅值。

频谱的横轴通常表示频率，而纵轴表示振幅。

根据您的设备和测量设置，您可以调整显示的范围和分辨率，以便更好地观察和分析信号。

在获取测量结果后，您可以进行进一步的数据处理和分析。

频谱仪通常提供了多种数据输出和分析功能，如保存数据、采集数据的统计信息、导出数据等。

这些功能使您能够更充分地利用和应用测量结果。

最后，您还应该注意使用频谱仪时的安全问题。

例如，当您测试高功率信号时，应该确保频谱仪的输入端口具有足够的能力来承受这些信号。

此外，应该遵循频谱仪的操作说明，以确保使用过程中没有人身伤害或设备损坏的风险。

总结起来，频谱仪是一种用于测量信号频谱组成的重要仪器。

示波器上的频域分析利器——时频域信号分析技术

示波器上的频域分析利器——时频域信号分析技术泰克公司【期刊名称】《中国电子商情·基础电子》【年(卷),期】2019(000)008【总页数】3页(P41-42,44)【作者】泰克公司【作者单位】【正文语种】中文上一篇文章中主要介绍了Spectrum View的特性，本文将重点介绍Spectrum View的架构及FFT相关的基础内容，包括数字下变频技术(DDC)、频谱泄露效应、时间窗等内容。

数字下变频 (DDC)技术基于TEK049/TEK061 创新平台的Spectrum View频谱分析功能，采用了数字下变频技术，得到数字IQ信号后再进行FFT，从而保证了频谱测试的灵活性和快捷性。

图2给出了信号采集和处理架构示意图，模拟信号经过ADC转换为数字信号后，时域和频域是并行处理的，使得时域和频域捕获时间可以独立设置。

图1 TEK049平台和超低噪声前端TEK061图2 TEK049/TEK061信号采集和分析架构示意图数字下变频广泛应用于无线通信系统中，下变频的过程如图3所示，包括数字IQ解调、低通滤波和样点抽取 (或称为重采样) 等功能部分。

数字IQ解调器的本振频率与Spectrum View中设置的中心频率相同，从而完成载波对消得到零中频信号；低通滤波器用于滤除高阶混频产物，最后经过样点抽取得到IQ信号。

Spectrum View处理的是数字IQ信号，这也是相对于传统FFT的一大特色。

相对于原始采集信号，IQ信号携带的频率要低很多，对IQ数据重采样无需太高采样率，大大降低了数据量，而捕获时间 (Spectrum Time) 又不受影响，即使需要较低的RBW，仍然具有非常高的处理速度。

为了便于理解，图4给出了对I/Q样点重采样的示例，假设重采样率为原始采样率的1/5，重采样的过程就是从5个原始样点中抽取一个样点的过程，该过程并没有改变相对时序关系，这意味着经过样点抽取后，相同的样点数目具有更大的Spectrum Time，从而实现高频率分辨率。

频谱仪的使用方法

频谱仪的使用方法一、什么是频谱分析仪在频域内分析信号的图示测试仪。

以图形方式显示信号幅度按频率的分布，即X轴表示频率，Y轴表示信号幅度。

二、原理：用窄带带通滤波器对信号进行选通。

三、主要功能：显示被测信号的频谱、幅度、频率。

可以全景显示，也可以选定带宽测试。

四、测量机制：1、把被测信号与仪器内的基准频率、基准电平进行对比。

因为许多测量的本质都是电平测试，如载波电平、A/V、频响、C/N、CSO、CTB、HM、CM以及数字频道平均功率等。

2、波形分析：通过107选件和相应的分析软件，对电视的行波形进行分析，从而测试视频指标。

如DG、DP、CLDI、调制深度、频偏等。

五、操作：（一）硬键、软键和旋钮：这是仪器的基本操作手段。

1、三个大硬键和一个大旋钮：大旋钮的功能由三个大硬键设定。

按一下频率硬键，则旋钮可以微调仪器显示的中心频率；按一下扫描宽度硬键，则旋钮可以调节仪器扫描的频率宽度；按一下幅度硬键，则旋钮可以调节信号幅度。

旋动旋钮时，中心频率、扫描宽度（起始、终止频率）、和幅度的dB数同时显示在屏幕上。

2、软键：在屏幕右边，有一排纵向排列的没有标志的按键，它的功能随项目而变，在屏幕的右侧对应于按键处显示什么，它就是什么按键。

3、其它硬键：仪器状态(INSTRUMNTSTATE)控制区有十个硬键：RESET清零、CANFIG配置、CAL校准、AUXCTRL辅助控制、COPY打印、MODE模式、SAVE存储、RECALL调用、MEAS/USER测量/用户自定义、SGLSWP信号扫描。

光标（MARKER）区有四个硬键：MKR光标、MKR光标移动、RKRFCTN光标功能、PEAKSEARCH峰值搜索。

控制（CONTRL）区有六个硬键：SWEEP扫描、BW带宽、TRIG 触发、AUTOCOVPLE自动耦合、TRACE跟踪、DISPLAY显示。

在数字键区有一个BKSP回退，数字键区的右边是一纵排四个ENTER确认键，同时也是单位键。

数字上下变频及滤波器

因为最近在做宽带数字信号的数字下变频，所以重点看了这一方面的论文。

下文重点对IEEE 上的一篇论文Real-time wideband DDC based on parallel architecture in synthetic instrument 做了个读书笔记，并对自己在这方面的工作做了一个小结。

主要内容：这篇论文主要解决宽带数字中频信号处理过程中的一些问题，并行处理结构可以有效的降低采样率，多通道并行处理则可以有效降低处理成本。

该论文介绍了数字下变频技术，分析了多种数控振荡器导致输出相位的不同，并总结了减少信噪比的误差因素，提供了特殊工程设计的指数分布依据。

图1DDC总体结构原理：数字下变频器(D DC)是接收机A／D变换后，首先要完成的处理工作，一般的DDC 由本地振荡器(NCO)、混频器、低通滤波器和抽取器组成.主要作用：其一是把中频信号变为零中频信号；其二是降低采样率。

从频谱上看，数字下变频将A/D采样后信号从中频变换,到基带。

这样的处理由两步完成：首先是将输入信号与正交载波相乘，然后进行数字滤波滤除不需要的频率分量。

NCO，混频器，数字滤波器速率要等于采样率，采样率低于600MHz，很难实时的在FPGA中进行处理。

数字下变频DDC在超外差式接收机中，如果经过混频后得到的中频信号比原始信号的频率低，那么此种混频方式叫做下变频（Down Converter or DC）。

将射频信号通过一次或者几次的模拟下变频转换到中频上，在中频对信号数字化，然后再进行数字下变频。

数字下变频（Digital Down Converter or DDC）是软件无线电的核心技术之一。

数字下变频分为两个基本的模块，数控振荡器NCO(Nu-merical Control Oscillator)混频模块和抽取滤波模块。

其中NCO模块产生正余弦波样本值，然后分别与输入数据相乘，完成混频。

抽取滤波模块常用的结构是积分梳状抽取滤波器(CIC)级联后再与多级半带滤波器(HBF)的级联。

采用DCDC转换器提高RF-PA系统效率

采用DC/DC转换器提高RF PA系统效率关键字：DC/DC转换器RF从功率预算的角度而言，直接由电池供电的射频功率放大器（RF PA）是需要重点考虑的元件。

传统上，CDMA/WCDMA蜂窝标准中使用的射频功率放大器都直接由电池供电，这种供电方式使系统很容易设计，但是，这种标准中使用的线性功率放大器在整个发射功率范围内的实际效率很低。

本文讲述一种通过DC/DC转换器提供高效RF PA系统电源管理的方案。

传统上，CDMA/WCDMA蜂窝标准中使用的射频功率放大器都直接由电池供电，这种供电方式使系统很容易设计。

但是，这种标准中使用的线性功率放大器在整个发射功率范围内的实际效率很低。

随着蜂窝标准的不断发展，传输速率已从CDMA-1标准中的14.4kbps发展到CDMA2000/WCDMA 标准中的2Mbps。

此外，为了增加从每个用户获得的平均收入，蜂窝通信运营商已开始增加与3G电话相关的服务。

同时，通话时间和电池寿命也期望采用具有同样或稍高一些容量的电池来获得提高。

这使得系统设计更富有挑战性。

系统设计师必须非常谨慎，对手机电路板上每一个元件的功率进行考察。

从功率预算的角度而言，直接由电池供电的射频功率放大器（RF PA）是需要重点考虑的元件。

CDMA和WCDMA采用的调制电路导致了一种表现为非常数振幅包络的调幅信号的产生。

为了保持信号的完整性以及促进频谱再生，需要一种线性功率放大器。

然而，由于功率放大器只有运行在增益压缩条件下才能保持较高的效率，因而转换效率并不高。

为了达到所需要的线性，实际发射功率从功率放大器的压缩点开始补偿，这导致了效率的整体降低。

当手机以发射模式工作时，由于功率放大器实际效率低，射频部分的功耗将占功率总预算的65%。

图1：旧方法与新方法因此，采用磁性降压转换器供电是线性功率放大器的理想选择，这将大幅度提高系统的效率。

增加的功率效率（PAE）是功率放大器的主要性能指标。

PAE(%)= (POUT-PIN)/Pdc使用DC-DC转换器（功率放大器电源稳压器）的主要目的是减少分母中的Pdc因子。

数字下变频器的原理与实现方法

R-1
[4]
θ=
λ ( i) ・ α( s ( i) ) ∑
i =0
+ξ .
( 14 )
图 2 CO RD IC 算, 1, 2 ……N - 1 }决定第 i次旋转时微旋转角度的大小 ;λ ( i) ∈{ 0, 1, - 1 } , 它决定第
i次旋转 a ( s ( i) ) 的方向 , 1 表示逆时针旋转 , - 1
Y2 = co sθ( X 1 tan θ + Y1 ) .
( 4)
图 3 CO RD IC 算法产生 NCO 原理图
( 5) 2. 3 MVR CORD I C 算法实现 DDC MVR CORD IC 算法改变传统 CORD I C 算法旋
转角度固定的模式 ,该算法旋转角度大小由残余角度大小确定 ,角度表达式为
( 1)
1 DDC 原理
DDC 的核心是将中频 A /D 采样信号与 DDC 中的数字控制振荡器 ( NCO ) 产生的本地数字中频
混频后信号如式 ( 2 ) π・fo / fs ・n ) ・co s ( 2 π・fL o S ( n ) = A ( n ) ・co s ( 2 ( 2) / fs ・n ) . 上式中 , fL o为 NCO 本振频率 , 一般 fL o = fo. 根据三角函数关系式可知 : π・ ( fo - fL o ) / fs S ( n ) = A ( n ) ・1 / 2 ・{ co s [ 2 π・ ( fo + fL o ) / fs ・n ] }. ( 3) ・n ] + co s[ 2 由式 ( 3 )可见 ,混频后的信号含有基带信号和
Abstract: The p rincip le of DDC (D igital Down Conversion ) is clarified in this paper . DDC ( ) is made up of NCO Numeral control oscillation , m ixer and lowpass filter . The singal of in2 termediate frequency and the singal of carrier wave are m ixed up in the DDC, then the singal passes through lowpass filter, the function of down conversion is imp lemented. The imp le2 menting of DDC based on looking up table, CORD IC algorithm ic and MVR CORD IC algo2 rithm ic are introduced in this paper . DDC based on these means are used diffusely, and are imp lemented compatibly using in FPGA. Key words: digital down conversion ; DDC ; looking up table ; CORD IC ; MVR CORD I C