数字中频式频谱仪的分辨率带宽设计

　　频谱分析仪按实现方式可分为模拟式和数字式两种，前者以模拟滤波器为基础，后者则以数字滤波器和FFT分析为基础。相比之下，模拟式频谱分析仪不能获得实时频谱，且由于模拟滤波器会受到非线性、温漂、老化等影响，测量精度不高;而数字式频谱分析仪由于其基于数字滤波器，故而形状因子小，频率分辨率高，稳定性好，可以获得很窄的分析带宽，而测量精度较高;而且由于它基于高速ADC技术、数字信号处理技术、FFT分析等进行设计，因而具有多种谱分析能力。随着现场可编程门阵列(FPGA) 器件、DSP器件等在芯片逻辑规模和处理速度等方面性能的迅速提高，数字式频谱仪的测量速度更快、实时性也更强。

　　在数字中频式频谱仪中，分辨率带宽滤波是数字中频处理模块设计的关键，它决定了频谱分析的有效信号带宽，同时表征频谱仪在响应中明确分离出两个输入信号的能力，是频谱仪的主要技术指标之一。为了满足信号的实时性和精度要求，通常以高速A/D采样得到数字中频信号，但其数据率过高，故其成为数字处理的瓶颈。一般需要使用数字正交解调技术将信号搬移至基带，然后通过多速率信号处理技术来设计抽取滤波器，以降低数据率，最终实现数字FIR滤波器。

　　本文采用数字下变频技术，并基于FPGA硬件设计数字中频处理模块，调用不同的IP核进行设计，同时采用参数可配置的结构来实现可变抽取率滤波器和分辨率带宽数字滤波器。由于IP核是经过了严格的性能测试并且进行了优化，时序稳定，因而可以满足系统高速与实时性处理的要求。

　　1 数字下变频原理

　　全数字中频处理技术是软件无线电中的关键技术之一，它主要应用于将中频信号下变频至基带信号，在降低采样率的同时，该技术可保证所需要的信号不被混叠，因而十分方便于后续更多基带信号处理技术的使用。全数字中频技术包含数字正交解调技术和多抽样率信号处理技术两部分。

　　1.1 数字正交解调

　　正交解调也称为正交变频，它主要通过数字混频实现，设输入中频信号为：

　　其中，信号中心频率远大于信号带宽B，且信号的采样速率满足奈奎斯特定理，即f0>>B，fs>2B。那么，经过正交变换后，该信号的基带调制信号为：

　　式中，ZBI (t) 称为I信号，ZBQI (t) 称为Q信号。由式(2) 可以看出，基带信号ZBI (t)、ZBQI(t)只包含振幅和相位信息且频率为零，因此，正交解调过程就是从中频信号x (t) 获得基带信号的过程。

　　正交解调过程的系统模块为正交双通道结构，分别称为I通道和Q通道。由于输入和正交本振、混频器均由数字实现，故具有集成度高、一致性好的特点，可以获得很好的通道一致性，而采用数控振荡器也使得相位的正交性也得到很好的保证。