數(shù)字中頻式頻譜儀的分辨率帶寬設(shè)計

頻譜分析儀按實現(xiàn)方式可分為模擬式和數(shù)字式兩種，前者以模擬濾波器為基礎(chǔ)，后者則以數(shù)字濾波器和FFT分析為基礎(chǔ)。相比之下，模擬式頻譜分析儀不能獲得實時頻譜，且由于模擬濾波器會受到非線性、溫漂、老化等影響，測量精度不高； 而數(shù)字式頻譜分析儀由于其基于數(shù)字濾波器，故而形狀因子小，頻率分辨率高，穩(wěn)定性好，可以獲得很窄的分析帶寬，而測量精度較高； 而且由于它基于高速ADC技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、FFT分析等進行設(shè)計，因而具有多種譜分析能力。隨著現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 器件、DSP器件等在芯片邏輯規(guī)模和處理速度等方面性能的迅速提高，數(shù)字式頻譜儀的測量速度更快、實時性也更強。

　　在數(shù)字中頻式頻譜儀中，分辨率帶寬濾波是數(shù)字中頻處理模塊設(shè)計的關(guān)鍵，它決定了頻譜分析的有效信號帶寬，同時表征頻譜儀在響應(yīng)中明確分離出兩個輸入信號的能力，是頻譜儀的主要技術(shù)指標之一。為了滿足信號的實時性和精度要求，通常以高速A/D采樣得到數(shù)字中頻信號，但其數(shù)據(jù)率過高，故其成為數(shù)字處理的瓶頸。一般需要使用數(shù)字正交解調(diào)技術(shù)將信號搬移至基帶，然后通過多速率信號處理技術(shù)來設(shè)計抽取濾波器，以降低數(shù)據(jù)率，最終實現(xiàn)數(shù)字FIR濾波器。

　　本文采用數(shù)字下變頻技術(shù)，并基于FPGA硬件設(shè)計數(shù)字中頻處理模塊，調(diào)用不同的IP核進行設(shè)計，同時采用參數(shù)可配置的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)可變抽取率濾波器和分辨率帶寬數(shù)字濾波器。由于IP核是經(jīng)過了嚴格的性能測試并且進行了優(yōu)化，時序穩(wěn)定，因而可以滿足系統(tǒng)高速與實時性處理的要求。

　　1 數(shù)字下變頻原理

　　全數(shù)字中頻處理技術(shù)是軟件無線電中的關(guān)鍵技術(shù)之一，它主要應(yīng)用于將中頻信號下變頻至基帶信號，在降低采樣率的同時，該技術(shù)可保證所需要的信號不被混疊，因而十分方便于后續(xù)更多基帶信號處理技術(shù)的使用。全數(shù)字中頻技術(shù)包含數(shù)字正交解調(diào)技術(shù)和多抽樣率信號處理技術(shù)兩部分。

　　1.1 數(shù)字正交解調(diào)

　　正交解調(diào)也稱為正交變頻，它主要通過數(shù)字混頻實現(xiàn)，設(shè)輸入中頻信號為：

　　其中，信號中心頻率遠大于信號帶寬B，且信號的采樣速率滿足奈奎斯特定理，即f0>>B，fs>2B。那么，經(jīng)過正交變換后，該信號的基帶調(diào)制信號為：

　　式中，ZBI (t) 稱為I信號，ZBQI (t) 稱為Q信號。由式(2) 可以看出，基帶信號ZBI (t)、ZBQI（t）只包含振幅和相位信息且頻率為零，因此，正交解調(diào)過程就是從中頻信號x (t) 獲得基帶信號的過程。

　　正交解調(diào)過程的系統(tǒng)模塊為正交雙通道結(jié)構(gòu)，分別稱為I通道和Q通道。由于輸入和正交本振、混頻器均由數(shù)字實現(xiàn)，故具有集成度高、一致性好的特點，可以獲得很好的通道一致性，而采用數(shù)控振蕩器也使得相位的正交性也得到很好的保證。

　　1.2 多抽樣率信號處理

　　由于對中頻信號的采樣率較高，而基帶信號處理一般只需在較低的采樣率下進行，因此，經(jīng)數(shù)字正交解調(diào)后的基帶信號都處于嚴重的過采樣狀態(tài)，必須進行采樣率之間的轉(zhuǎn)換，以降低數(shù)據(jù)流速率，這種信號采樣率的變化就是基于多速率信號處理技術(shù)。

　　整數(shù)倍的抽取可使信號采樣率降低整數(shù)倍，其抽取倍數(shù)為D。由于抽取降低了信號的采樣率，所以，抽取后的信號可能不再滿足奈奎斯特采樣條件而產(chǎn)生混疊。而為了保證所需信號不失真，抽取前，一般先用數(shù)字低通濾波器根據(jù)抽取后的采樣率對信號進行帶限處理，以使濾波器的截止頻率ωc為所需要信號的最大帶寬B，當抽取前采樣率fs1與抽取后采樣率fs2滿足fs2=fs1/D≥2B時，信號抽取后就不會產(chǎn)生混疊。

　　1.3 頻譜儀多抽取率濾波器原理

　　數(shù)字中頻式頻譜分析儀的分辨率帶寬是通過多抽樣率濾波器設(shè)計實現(xiàn)的。針對下變頻后依然過采樣的數(shù)據(jù)流，則需要以不同速率的濾波和抽取，以獲得不同的實時分析帶寬。這樣，實際的抽取率變化范圍很大，例如，當需要較窄的分辨率帶寬時，其抽取率很高，要求采用多級的濾波和抽取來逐步降低采樣率，這樣也降低了對每一級抗混疊濾波器的要求。由于ADC是在中頻進行采樣，數(shù)據(jù)率和采樣率是一致的，而FIR濾波器無法保證高采樣率低帶寬的設(shè)計，因此，要先通過CIC (梳狀濾波器) 和HB (半帶濾波器) 濾波抽取器進行大的抽取，使數(shù)據(jù)率快速降下來，再由FIR濾波器進行濾波。結(jié)合正交解調(diào)，數(shù)字下變頻的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字下變頻器結(jié)構(gòu)框圖

　　CIC (梳狀) 濾波器的系數(shù)都為1，而且只有加法運算，沒有乘法運算，因而硬件實現(xiàn)非常容易，同時可以達到很高的處理速率，很適合作抽取系統(tǒng)中第一級抽取和進行大的抽取因子。但單級CIC濾波器的過渡帶和阻帶衰減特性不好，通常需要采用多級級聯(lián)方式來加大濾波器旁瓣電平衰減。選用5級級聯(lián)時，阻帶衰減約為67.3dB，可以滿足第一級濾波器衰減要求。雖然CIC抽取率較高，但其頻率響應(yīng)3dB有效帶寬很窄。而要保證有效帶寬基本不變，且繼續(xù)降低抽取率，其后級可以采用半帶濾波器。

　　HB (半帶) 濾波器的系數(shù)幾乎一半為零，其濾波時的運算量可減少一半。而其抽取因子固定為2，因此，經(jīng)過N級HB濾波器后，可以使采樣率降低2N倍。多級濾波抽取后的頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)無交疊，它只在過渡帶邊緣有交集，因而具有很好的抗混疊效果。

　　通過CIC和HB多組濾波器的濾波抽取，基帶信號被降到了較低的采樣率，可以適于FIR處理。

　　由于FIR濾波器的階數(shù)較高，可以設(shè)計成過渡帶小、阻帶衰減高且具有很好波形因子的頻率響應(yīng)，以滿足頻譜分析儀對分辨率帶寬濾波器的特別要求。