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。

1.3频谱分析仪的中频数字化

现代谱仪将外差扫描频谱分析技术与FFT数字信号处理技术相结合，兼有两种技术的优点：射频/微波前端仍然采用传统的外差式结构，而在中频处理部分采用数字结构，中频信号由ADC量化，FFT则由通用信号处理器或FPGA实现。

2.DDC在频谱扫描过程中的辅助调谐

频谱分析仪之所以能够提供从直流信号到高达几十GHz信号的频谱分析或信号分析，主要是因为有覆盖所要分析频率范围的模拟本地振荡器（有可能存在几个不同频段的本地振荡器组成来共同覆盖整个波段）。但往往这么大频率跨度的本振，其步进频率大小一般是几百赫兹到几十兆赫兹。这里面隐含的两个特性是：频率步进不能做到足够小；另外一个是当本振在频率扫描过程中，本地振荡器的锁相环有一个捕获锁定时间，这对提高谱仪的扫描效率是有制约的。

而数字下变频DDC中的NCO最大特点有三方面：频率分辨率小，在120MHz工作时钟时，频率步进的分辨率是0.028Hz；频率锁定稳定时间短，其时间主要取决于NCO中相位累加器到波形查找表输出寄存器的时钟延迟单元，在本设计中延迟单元数是10个，10*（1/120MHz）=83.33纳秒；另外一个特点是无杂散动态范围SFDR可以做得很高，在本设计中为115dB。

为了提高手持频谱分析仪的谱扫描分析的速度，主要有两种途径，一个是减少模拟本振频率步进的次数，因为模拟本振锁相环锁定稳定的时间是一个重要的参量；另外一个采用不同的时频域转换的算法，传统方法是扫描检波的方式，这种方法在频率分辩带宽RBW较窄时，谱扫描将会很慢（因为这时本振的频率步进很小，因此步进的次数多），而中频数字化之后可采用高效率的FFT进行时频域转换。

针对以上目标，采用宽带数字中频，并且模拟本振和数字下变频器DDC中NCO联合调谐，就可以充分利用模拟本振大频率覆盖和大频率步进的优点，亦可发挥NCO的小频率步进和锁定稳定时间小的特点。模拟本振和DDC中的NCO共同组成谱仪中的频率调谐,它们的工作过程可简单描述为：模拟本地振荡器以末级模拟中频的带宽（可适当选取大的中频带宽）作为步进频率的大小，而NCO在模拟本振，每调协一次之后，结合RBW的大小依次设置不同的NCO输出载波频率，即可完成把输入到谱仪的不同的频段的信号下变频到基带。大的频率步进由模拟本振完成，小的频率步进则主要由NCO来完成；这样可减少模拟本地振荡器频率步进的次数，从而缩短锁相环锁定稳定的等待时间达到提高扫描效率的目的；同时可提高下变频频率的准确度和精度，因为NCO的频率分辨率能达到0.028Hz(120MHz工作时钟)。

3.DDC中的可配置数字滤波器实现RBW

经典外差式频谱分析仪的频率分辩带宽，是由不同的模拟滤波器组来实现的，模拟滤波器越多，所占用的体积空间和功耗都将是成比例的增加，这对小型化电池续航能力要久的手持频谱分析仪来说，是难以接受的。既然是模拟滤波器，带宽就不可能做得很窄，但是在具体应用中，往往需要很窄的频率分辩带宽RBW来发现区分两个相邻的频率分量。对于上面的两个问题，可利用DDC中的255阶FIR可配置数字滤波器来解决。

在频谱分析仪中，频率分辨带宽(RBW)是一个非常重要的概念，滤波器之特性为高斯滤波器。它是由中频滤波器的3dB带宽所决定的，谱仪中滤波器的选择性一般定义为60dB带宽和3dB带宽的比值，比值越接近1说明滤波器的选择性越好。

RBW可表示为两个不同频率的信号能够被分辨出来的最小频宽，两个不同频率信号的频宽如低于RBW，此时这两个信号将重叠难以分辨。信号分辨率由中频（IF）滤波器带宽决定。频谱分析仪在对某个信号调谐时，便描绘出它的中频滤波器的响应曲线形状。因此，若两个幅度相近的信号频率十分靠近，则两个信号滤波响应曲线的顶部可能相互重叠，表现为单一响应。若两个信号的幅度不等，但仍靠在一起，则较小的信号可能隐藏在较大的信号之下，因而出现测量误差。所以，对于两个相邻的信号，频谱仪的分辨力取决于分辨率带宽RBW。

通常RBW被设置为小于等于被测频谱带宽，但为了提高测量精确性、灵敏度和效率，RBW也可以不同于频谱带宽。RBW太大，噪声将淹没杂散信号；RBW太小则导致扫描时间太长。随着数字信号处理技术的发展，早期用于实现RBW的模拟中频滤波器组，也渐渐由数字滤波器来代替，在数字下变频器内部一般都有高达255阶的FIR数字滤波器用于信道选择。数字滤波器相对于模拟滤波器的最大特点是选择性可以做得较窄，如典型的模拟滤波器一般为15:1，而数字滤波器可做到5:1甚至更低而且可以编程。

4.结论

本设计最大的特点是处理速度高和处理带宽，另外一个特点是5级半带滤波器每一级的处理速度都可以达到160MHz，这为提高系统处理带宽提供了保障。目前已完成Matlab/simulink的算法建模仿真和FPGA的设计和实现工作。从初步的算法仿真和FPGA时序仿真测试结果可以看出FPGA设计已经实现了数字下变频的基本功能。

【参考文献】

［１］尹小俊.软件无线电在卫星定位导航系统中的应用研究[D]．西北工业大学,2001.