專利名稱：頻譜分析儀的數據處理方法
技術領域：
本發明涉及使用FFT計算的信號分析儀的數據處理，特別涉及用于對使用視頻濾波器的掃頻頻譜分析儀要提供的結果進行模擬的信號分析儀的數據處理。
背景技術：
圖1是掃頻頻譜分析儀的實例的框圖。包括微處理器、存儲器、以及硬盤驅動器等的控制裝置(未示出)依據用戶通過操作面板進行的設置來控制塊操作，如本領域所公知的那樣。輸入可變衰減器10對被測輸入信號的電平進行調節，而混頻器12將該輸入信號與來自掃頻振蕩器14的本地信號進行混頻。本地信號的頻率依據來自掃描信號發生器16的掃描信號(斜坡波形)而變化。這種處理導致合成的頻譜信號上的頻率和時間變化之間的線性關系。用于一個頻率掃描的時間是掃描時間。中頻(IF)放大器18對混頻器12的輸出進行放大并且IF濾波器20使放大后的信號通過由用戶設置的帶寬、或RBW(分辨帶寬)。對數放大器22對濾波后的信號進行放大并且檢測器24對該信號進行檢測，以產生頻譜信號。
視頻濾波器26是低通濾波器并通過適當地設置帶寬(VBW視頻帶寬)來減小由IF濾波器20之后的電路引起的噪聲。視頻濾波器26還將如以類似的方式被顯示在屏幕上的輸入信號顯示器的噪聲減小到平均值。視頻濾波器26不減小平均噪聲(如具有分辨帶寬(RBW)減小的情況那樣)，但是該視頻濾波器26可以減小還被稱為噪聲或類噪聲信號的“頂部到底部厚度”的峰間振幅偏移。注意，視頻濾波器26被用于頻譜信號，該頻譜信號是時間函數。模數轉換器(ADC)27把視頻濾波器26的輸出變換成數字數據。該數字數據被存儲在存儲器28中并作為顯示頻譜波形被顯示在水平軸是頻率的顯示器29的屏幕上，同時該數字數據與來自掃描信號發生器16的掃描信號相配合。使用頻譜信號的頻率變化和掃描上的時間變化之間的線性關系。在存儲器28存儲了該數據之后顯示波形，這防止頻譜波形的強度變得太弱以至于不易觀察。屏幕的頻率軸上的頻率間隔(頻率范圍)依據用戶設置而變化。
RBW和VBW變得越窄，濾波器20和26的響應就變得越慢，這要求使掃描時間更慢。控制裝置自動地選擇適當的掃描時間，同時考慮所選擇的頻率間隔。然而，用戶可以設置任意掃描時間。這種掃頻頻譜分析儀例如通過美國專利6191571公開。
圖2是使用FFT計算的信號分析儀(諸如基于FFT的頻譜分析儀)的框圖。類似于圖1，包括微處理器、存儲器、硬盤驅動器等的控制裝置依據用戶通過操作面板進行的設置來控制每個塊。被測輸入信號通過輸入衰減電路30被提供到混頻器32并與來自本地振蕩器34的本地信號進行混頻。本地信號的頻率依據用戶設置而變化，但是該頻率沒有被掃描，這不同于圖1中示出的掃頻型頻譜分析儀。混頻器32的輸出通過IF放大器38和IF濾波器40被變換成中頻(IF)信號，而模數轉換器(ADC)42將該中頻信號變換成數字數據。IF濾波器40主要用來消除像頻而不是用來限定RBW，這不同于圖1的情況。
數字降頻轉換器44可以進一步對來自ADC 42的數字數據進行數字降頻轉換，這可通過數字信號處理器(DSP)來實現。FFT(快速傅立葉變換)運算塊48從變換器44接收數據并產生每幀N(N是自然數并且例如可以是1024)個頻譜數據，這些頻譜數據源自于每個預定周期(即，幀)獲得的時域數據。RBW運算塊50通過依據用戶的RBW設置的數字計算把實際上相當于IF濾波器20的RBW的濾波器特性用于頻域數據的頻譜數據，以減小噪聲分量。微處理器可以例如執行FFT和RBW計算。可替換地，可以在諸如DSP、和ASIC或FPGA的專用電路中執行FFT和RBW計算。顯示器52把所產生的頻譜數據作為頻譜波形顯示在屏幕上，該屏幕具有依據用戶所設置的頻率間隔的頻率的水平軸。所設置的頻率間隔的頻譜波形通過一個幀的頻譜數據來顯示。
圖2中示出的信號分析儀在得到該頻譜之后沒有元件增加噪聲，這是因為該信號分析儀對輸入信號進行數字化，以通過FFT計算獲得頻譜。
一些傳統的頻率分析過程要求使用掃頻頻譜分析儀，并且測量條件限定了要被使用的視頻帶寬(VBW)。在受限的測量條件下，基于FFT的頻譜分析儀(或者信號分析儀)都不能取代掃頻頻譜分析儀，其原因在于，由于該基于FFT的頻譜分析儀沒有視頻濾波器，所以該基于FFT的頻譜分析儀不能對VBW進行設置，并且基于FFT的分析儀不能確保與掃頻頻譜分析儀的兼容性。
下面將更詳細地討論超越現有解決方案的細節和改進。
發明內容
因此，提供了一種使用FFT計算的信號分析儀(或者頻譜分析儀)，該FFT計算能夠對等效的VBW進行設置，以獲得相當于使用模擬視頻濾波器的結果。如所描述的那樣，在產生了頻譜之后，信號分析儀不產生噪聲，但是，該結果根據是否把視頻濾波器用于被測信號而有所不同。因此，如果視頻濾波器特性可被用于諸如FFT型頻譜分析儀的FFT信號分析儀，則FFT信號分析儀可以保持與掃頻頻譜分析儀所測量的結果的兼容性。
一種信號分析儀具有數字化裝置，用于把輸入信號變換成中頻信號并對該中頻信號進行數字化以產生數字數據；數字運算裝置，用于從該數字數據中計算并產生頻譜數據；以及顯示裝置，用于顯示該頻譜數據，其中該信號分析儀基本上不需要視頻濾波器。然而，本發明提供一種用于對具有視頻濾波器的掃頻頻譜分析儀進行模擬的信號分析儀的數據處理方法。
該視頻濾波器被用于為時間函數的頻譜信號，但是FFT信號分析儀產生的頻譜數據在頻率和時間變化之間不具有直接明顯的關系，所以有必要對頻率和時間變化之間的對應進行定義。因此，本發明利用相對應的時間變化來取代頻譜數據的頻率變化，并然后把所需的濾波器特性用于該頻譜數據。特別地，預定時間被分配給頻率間隔，以用時間變化取代頻譜數據的頻率變化。預定時間對應于作為要被用在掃頻頻譜分析儀中的掃描時間并可以依據由用戶設置的頻率間隔、分辨帶寬(RBW)和視頻帶寬(VBW)而被適當地選擇。假定頻率間隔對應于實際上限定的掃描時間，并且然后把頻率和時間變化定義為具有線性關系，以便把N個頻譜數據視為在時間序列中。然后，可以處理頻譜數據，就好像該頻譜數據是時域數據，視頻濾波器特性被用于該時域數據，以得到相當于應用視頻濾波器的結果。
一種用于應用所需的濾波器特性的方法可以是，數字運算裝置把用時間變化取代其頻率變化的頻譜數據變換成頻域數據，把所需的濾波器特性用于頻域數據，并然后把該頻域數據變換回時域數據。另一種方法可以是，數字運算裝置在用時間變化取代其頻率變化的頻譜數據與濾波器的沖激響應之間進行卷積積分。
本發明的實施例使得信號分析儀能夠等效地設置視頻濾波器的視頻帶寬(VBW)，并且然后允許該信號分析儀來取代掃頻頻譜分析儀。
圖1是掃頻頻譜分析儀的實例的框圖。
圖2是傳統信號分析儀的實例的功能框圖。
圖3是依據本發明的信號分析儀的實例的功能框圖。
圖4是依據本發明的信號分析儀的數據處理的流程圖。
圖5是用于應用濾波器特性的方法的另一實例的流程圖。
具體實施例方式
圖3是依據本發明的信號分析儀的功能框圖，其中用相同的編號表示與傳統實例的那些塊相對應的塊。包括微處理器、存儲器、硬盤驅動器等的控制裝置依據用戶通過操作面板進行的設置來控制每個塊的操作。用于對電路操作進行控制的程序可以預先地被存儲在諸如硬盤驅動器等的存儲裝置中。
依據本發明的信號分析儀相對于圖2中示出的傳統信號分析儀的不同之處在于，通過數字運算塊46進行數據處理。參考示出了類似于圖2中示出的FFT型信號分析儀的信號分析儀的圖3和圖4，輸入可變衰減電路30對被測輸入信號的電平進行調節，并且該輸入信號被提供到混頻器32以及與來自本地振蕩器34的本地信號進行混頻。混頻器32的輸出經過IF放大器38和IF濾波器40并被降頻轉換成中頻信號(步驟56)，以及然后模數轉換器(ADC)42把該中頻信號變換成數字數據(步驟58)。可以是數字信號處理器(DSP)的數字降頻轉換器44進一步對來自ADC 42的數字IF數據進行數字降頻轉換(步驟60)。數字運算塊46執行如下所述的數字計算以及類似于傳統計算的FFT和RBW計算。如上所述，在FFT計算中，每段預定時間(幀)獲得的時域IF數據被變換成N(N是自然數，例如1024)個頻域數據(頻譜數據)(步驟62)。由用戶設置的RBW(分辨帶寬)所限定的濾波器特性分別被用于頻域數據的頻譜數據(步驟63)。FFT和RBW計算可以例如通過微處理器的運算過程來完成。
如上所述，視頻濾波器被用于作為時間函數的頻譜信號上。然而，由信號分析儀所產生的頻譜數據是頻域數據并且在頻率和時間變化之間沒有直接關系，以便不能直接把視頻濾波器特性用于該頻譜數據。因此，必需一種過程來處理頻域數據的頻譜數據，就好像該頻譜數據是時域數據那樣。
當掃頻頻譜分析儀在預定的掃描時間期間跨越頻率間隔進行掃描時，產生該掃頻頻譜分析儀的頻譜信號。在FFT型信號分析儀的情況下，一個幀中的N個頻譜數據跨越頻率間隔顯示頻譜波形。實際上可以把掃描時間分配給信號分析儀的顯示頻譜波形的頻率間隔。也就是說，如果一個幀中的N個頻譜數據被認為是在掃描時間期間所產生的時間序列數據，則可以使頻譜數據對應于掃頻頻譜分析儀的頻譜信號。
特別地，使虛擬掃描時間為與掃頻頻譜分析儀的掃描時間相對應的Tsw，并且然后將所產生的一個幀中的N個頻譜數據定義為每個虛擬采樣間隔Ts＝Tsw/N一個頻譜數據。也就是說，限定了頻譜數據的頻率變化與明顯的時間變化之間的線性關系。這種關系允許由信號發生器所產生的N個頻譜數據被處理，就好像這些頻譜數據是時域數據。可替換的觀點是，這個過程把時間關系分配給頻譜數據并且用時間軸取代頻率軸(步驟66)。這允許濾波FFT顯示數據，好像這些FFT顯示數據是時間波形。
當對掃頻頻譜分析儀進行模擬時，可以由控制裝置依據用戶設置的頻率間隔、RBW和VBW來任意地選擇虛擬掃描時間，或者可替換地，用戶可利用想到的掃頻頻譜分析儀直接設置任意的掃描時間。所設置的VBW(視頻帶寬)也并不存在，而是所計算的虛擬VBW，以對掃頻頻譜分析儀的VBW功能進行模擬。
步驟68是通過數字計算把所需的濾波器特性用于好像是時域數據的頻譜數據的過程，并具有附加的子步驟。在步驟70，由第一FFT產生的顯示頻譜數據具有其通過相對應的時間軸所取代的頻率軸，以提供時域數據，該顯示頻譜數據通過另一FFT計算被變換成頻域數據。第二頻域數據和濾波器特性的頻率響應相乘，以將濾波器特性用于顯示數據(步驟72)。此后，經濾波的第二FFT數據通過逆傅立葉變換計算被返回成時域數據的原始頻譜數據(步驟74)，但是現在包括VBW濾波器響應。使用頻率和時間變化之間的所限定的對應關系，通過步驟66的逆操作過程來利用頻率軸取代顯示時間軸(步驟76)。結果是現在已通過所需的VBW來濾波的頻譜數據。合成數據可以作為顯示頻譜而被顯示在例如顯示器52上(步驟78)。視頻濾波器特性的形狀一般是高斯形的，但是也可以選擇地提供其它形狀。
圖5是示出了可替換的過程塊68的流程圖，以通過另一種方法得到與圖4中示出的過程塊68B相同的結果，其中除了相應的步驟68之外的數據過程與圖4相同。在這種方法中，基于由用戶設置的所需的濾波器特性(VBW)來計算沖激響應(步驟82)，并在沖激響應和時域數據的頻譜數據之間進行卷積積分(步驟84)。注意，頻譜數據被變換成頻域數據，以進行圖4的步驟68A的過程，但是，盡管這些過程提供等價的結果，在圖5的步驟68B中的計算期間，數據仍保持時域數據。
依據本發明的信號分析儀可以對具有視頻濾波器的掃頻頻譜分析儀進行模擬，即使該信號分析儀不具有模擬視頻濾波器。因此，本發明允許，即使針對在測量中需要視頻帶寬(VBW)設置的頻率分析，也利用諸如是例如實時頻譜分析儀的FFT型頻譜分析儀的FFT型信號分析儀取代掃頻頻譜分析儀。
權利要求
1.一種用于信號分析儀的數據處理方法，該信號分析儀把輸入信號數字化成數字數據，并使用計算來產生具有頻率軸的顯示頻譜數據，該方法包括基于與等效的掃描時間相對應的給定時間，限定采樣間隔；基于對應的時間，利用時間軸取代顯示頻譜數據的頻率軸，以產生基于時間的頻譜數據；將濾波器特性用于基于時間的數據，以產生經濾波的基于時間的頻譜數據；利用頻率軸取代經濾波的基于時間的頻譜數據的時間軸，以產生經濾波的顯示頻譜數據；以及顯示經濾波的顯示頻譜數據。
2.如權利要求1所述的方法，其中，基于頻率間隔、分辨帶寬以及視頻帶寬來限定給定時間。
3.如權利要求1所述的方法，其中，應用濾波器特性的步驟進一步包括在基于時間的頻譜數據上執行FFT，以產生頻域數據；使頻域數據乘以與濾波器特性相對應的頻率響應，以產生經濾波的頻域數據；以及在經濾波的頻域數據上執行逆FFT，以產生經濾波的基于時間的頻譜數據。
4.如權利要求1所述的方法，其中，應用濾波器特性的步驟進一步包括基于濾波器特性來計算沖激響應；以及在沖激響應與基于時間的頻譜數據之間應用卷積積分，以產生經濾波的基于時間的頻譜數據。
5.一種用于信號分析儀的數據處理方法，該信號分析儀具有數字轉換器，用于把輸入信號變換成數字數據；數字運算裝置，用于通過計算從數字數據中產生顯示頻譜數據；以及顯示裝置，用于顯示該頻譜數據；該方法包括把頻譜數據的頻率變化視作時間變化，以允許把所需的濾波器特性用于顯示頻譜數據，并顯示經濾波的顯示頻譜數據。
6.如權利要求5所述的用于信號分析儀的數據處理方法，其中，把給定時間分配給頻率間隔，以允許顯示頻譜數據的頻率變化的處理，好像該頻率變化是時間變化。
7.如權利要求6所述的用于信號分析儀的數據處理方法，其中，基于頻率間隔、分辨帶寬以及視頻帶寬的設置來選擇所述給定時間。
8.如權利要求5所述的用于信號分析儀的數據處理方法，其中，通過以下步驟來把所需的濾波器特性用于顯示頻譜數據把具有通過時間變化所取代的頻率變化的顯示頻譜數據變換成顯示頻域數據；把所需的濾波器特性用于顯示頻域數據；將顯示頻域數據返回到具有通過時間變化所取代的頻率變化的顯示頻域數據；以及利用頻率變化取代時間變化，以產生經濾波的顯示頻譜數據。
9.如以上權利要求中的任一項所述的用于信號分析儀的數據處理方法，其中，通過對具有利用時間變化取代的頻率變化的顯示頻譜數據和與所需的濾波器特性相對應的沖激響應進行卷積積分，把所需的濾波器特性用于顯示頻譜數據。
全文摘要
提供一種數據處理方法，以實現一種基于計算的信號分析儀來產生與利用視頻帶寬濾波器的掃頻頻譜分析儀相對應的結果。一旦產生了頻譜，就通過相對應的時間軸取代頻率軸，以便可以應用諸如視頻帶寬濾波器的時域濾波器。在第一實例中，通過在其頻率軸由相對應的時間軸取代的顯示頻譜數據上執行FFT而應用濾波器特性，產生頻域數據，乘以頻率響應以產生經濾波的形式，執行逆FFT并用原始的頻率軸取代時間軸來產生顯示頻譜數據的經濾波的形式。在另一實例中，基于所需的濾波器特性來計算濾波器沖激響應，對其頻率軸被相對應的時間軸取代的顯示頻譜數據和該濾波器沖激響應進行卷積積分，并且用原始頻率軸取代時間軸來產生經濾波的顯示頻譜數據。
文檔編號G06F17/00GK1932534SQ20061014192
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月1日 優先權日2005年9月2日
發明者細井修, 奈良明 申請人:特克特朗尼克國際銷售有限責任公司