[发明专利]对非平稳信号进行实时频谱分析的方法及系统

说明书

技术领域

本公开涉及对非平稳信号进行实时频谱分析的方法及系统。

背景技术

对信号进行频谱分析的传统方法假设输入信号在观察窗内在采样操作期间具有恒定谐波含量。在许多应用中，信号是时间相关的(非平稳或瞬态)，为了观察的目的，只有当观察窗的持续时间或长度适当短时才可能被认为是平稳的。例如，观察窗的长度应该小于间断或过渡的时段，以便信号统计量在整个观察窗内保持平稳。相反，为了获得信号的良好频谱分辨率，要增加样本的数量，这需要使用较长的观察窗。

一般说来，当必须分析非平稳信号的窄频带时，快速傅里叶变换(FFT)是不合适的，因为良好的频谱分辨率不可能利用短观察窗来获得。为了提高频谱分辨率和使用FFT的分辨率两者，需要较长观察窗，即，大量的点。但是，在整个长持续时间观察窗内，不能认为非平稳信号是平稳的，因为非平稳信号不是恒定的。因此，难以在缩短观察窗的长度以迎合非平稳信号的同时获得良好的频谱分辨率。换句话说，因为非平稳信号只有在短时间间隔内才可以被假设为是平稳的，所以不可能增加观察窗的长度。

FFT的另一种局限性是，即使只在有限频带中评估信号频谱含量，也需要分析整个频谱。于是，由于需要固定的受到考虑的频带的分辨率，所以必须利用相同分辨率分析整个频谱。这可能导致如上所讨论，阻止假设信号是平稳的长观察窗。

相比之下，线性调频z变换(CZT)算法不像FFT那样，需要利用相同分辨率分析整个频谱。这样，由于CZT不像FFT(和像Welch(韦尔奇)那样的其他经典方法)那样只取决于观察窗的长度，所以CZT提供了频谱分辨率更好的有限频谱分析。更确切地说，CZT取决于所分析谱带与采样频率之间的比值。在这种情况下，在选择了频带之后，即使样本的数量少得多，因此观察窗较短，也可以获得良好的频谱分辨率。这样，即使需要较短的观察窗，CZT也使所有性能参数得到优化。

CZT能够只使用采样数据来达到缩放信号显示，而无需任何进一步操作来校正泄漏或振幅误差。此外，通过使用相同缓存采样数据，对各个有限频谱部分施以不同CZT，即使对于非平稳信号，也可以使用CZT重构总信号频谱。CZT独自无法为缩放或整个频带信号提供分辨率提高频谱。因此，存在只使用CZT不能做到的、通过改善频谱分辨率达到更精确信号分析的需要。

发明内容

在一个代表性实施例中，提供了一种对非平稳信号进行实时频谱分析的方法。该方法包括：使用长度短到足以逼近平稳信号的观察窗采样非平稳信号，以提供一组初始采样数据；缓存该组初始采样数据以获得多组缓存采样数据；使用相应滤波响应滤波该组初始采样数据和多组缓存采样数据，以获得多组滤波采样数据；以及对多组滤波采样数据进行线性调频z变换(CZT)以提供一组离散傅里叶变换(DFT)系数。使用该组DFT系数重构非平稳信号的总信号频谱。

在另一个代表性实施例中，提供了一种对非平稳信号进行实时频谱分析的方法。该方法包括：使用逼近平稳信号的短观察窗采样非平稳信号，以提供采样信号；使用’第一多相滤波器滤波该采样信号，以提供第一滤波采样信号；延迟该采样信号以提供延迟采样信号；使用第二多相滤波器滤波该延迟采样信号，以提供第二滤波采样信号；对该第一和第二滤波采样信号进行CZT以提供DFT系数；以及使用该DFT系数重构非平稳信号的总信号频谱。

在另一个代表性实施例中，提供了一种对来自正在测试设备(DUT)的输入信号进行实时频谱分析的系统。该系统包括：配置成采样输入信号以提供第一采样数据的采样器；配置成滤波第一采样数据以提供第一滤波采样数据的第一多相滤波器；配置成将第一采样数据延迟第一延迟量以提供第二采样数据的第一缓冲器；配置成滤波第二采样数据以提供第二滤波采样数据的第二多相滤波器；配置成将第二采样数据延迟第二延迟量以提供第三采样数据的第二缓冲器；以及配置成滤波第三采样数据以提供第三滤波采样数据的第三多相滤波器。该系统进一步包括配置成相加第一、第二、和第三滤波采样数据以提供相加的滤波数据的加法器；以及配置成对相加的滤波数据进行CZT以提供与输入信号相对应的频域样本的CZT电路。该频域样本使输入信号的总信号频谱能够得到重构。

附图说明

当结合附图阅读时，可以从如下详细描述中更好地理解例示性实施例。要强调的是，各种特征件未必按比例画出。事实上，为了使讨论清楚起见，可以任意增大或减小尺度。在可应用和可实施的任何地点，相同标号都指相同元件。

图1是使用按照一个代表性实施例的基于流式滤波器组的CZT算法对非平稳信号进行实时频谱分析的方法的流程图；