外差式頻譜儀FFT分辨率濾波器設計

　　超外差式頻譜儀的原理是通過改變可調諧的本地振蕩器的頻率，使待測信號與之混頻到固定中頻，然后進行信號處理與顯示，所以一般也稱為掃頻式頻譜儀。本文中討論的外差式頻譜儀采用的是全數(shù)字中頻結構，即將模擬中頻信號數(shù)字化，用數(shù)字信號處理原理與數(shù)字器件實現(xiàn)頻譜分析。

　　頻譜分析儀最重要的指標之一是頻率分辨力，即分辨率帶寬，它的大小體現(xiàn)了頻譜分析儀區(qū)分兩個不同頻率的等幅信號的能力。依照超外差式頻譜儀的原理可知，分辨率帶寬取決于中頻濾波器的帶寬。當需要很高的頻率分辨力時，必須降低中頻濾波器的帶寬，而窄帶寬的中頻濾波器會減慢外差式頻譜儀的掃描速度并增加中頻濾波器的設計難度。所以要實現(xiàn)小的分辨率帶寬，并且使掃描時間限制在合理的范圍，需采取其他方法。快速傅里葉算法FFT可以直接將信號的時域特性轉換為頻域特性，必然能提高頻域測量的速度，同時利用數(shù)字信號處理器DSP的高速運算能力，就可以實現(xiàn)小分辨率帶寬時頻譜的快速分析。

　　全數(shù)字中頻處理模塊

　　全數(shù)字中頻處理技術將傳統(tǒng)頻譜分析儀模擬中頻信號的處理，采用高速集成的FPGA以及DSP軟件編程實現(xiàn)。它主要是基于數(shù)字檢波的掃頻調諧分析法以及基于FFT的數(shù)字信號處理分析法。

　　圖1是數(shù)字中頻模塊的結構框圖。中頻信號經模數(shù)轉換器ADC數(shù)字化，與數(shù)控振蕩器NCO生成的兩路信號進行混頻，產生零中頻數(shù)字正交解調IQ兩路數(shù)據，由于中頻信號的采樣率較高，要對兩路數(shù)據分別做變采樣率處理，由CIC濾波器(積分梳狀濾波器)和HB濾波器(半帶濾波器)進行抽取濾波，實現(xiàn)數(shù)字下變頻DDC。數(shù)字下變頻的目的是將高速率基帶信號降低到合適的速率，來適應下一級處理模塊的要求。采樣率降低后的兩路數(shù)據，根據信號分析帶寬的不同需求，可選圖1中所示的數(shù)字FIR濾波器或FFT濾波器兩種處理方法。

　　在掃頻跨度較大，分辨率帶寬較大時，數(shù)字下變頻后的數(shù)據經過設計好的固定形狀參數(shù)的FIR濾波器，提取待測頻段的信號分量然后進行包絡檢波取出信號幅度，最后送入用戶端顯示。在掃頻跨度較小，分辨率帶寬較小時，數(shù)字下變頻輸出的低速率，零中頻兩路信號送到DSP中，利用FFT時頻域轉換原理，計算信號頻譜。此方法與FFT實時頻譜分析儀設計原理類似。

　　復數(shù)FFT原理及仿真

　　全數(shù)字中頻采用的是復混頻下變頻原理，中頻信號經AD采樣后，將實數(shù)信號進行正交解調，分解為兩路信號，一路表示同相信號，另一路表示正交信號，分別是I，Q兩路。假設中頻輸入信號為：

　　中頻信號中心頻率為，與中心頻率的偏移量是，數(shù)控振蕩器NCO產生頻率同樣是的兩路信號分別與輸入信號混頻。I路信號為：