[发明专利]具有提高的实时带宽的频谱分析仪

说明书

技术领域

本发明所基于的目的在于，设计具有非常高的分析带宽的实时频谱分析仪，而在其中将硬件成本保持在合理的限度内并且特别是可实现为便携式手持仪器。

背景技术

这种结构形式的传统测量仪器、例如当前的测量仪器制造商的实时频谱分析仪由获取待测量的量值或信号、例如高频信号的前端组成。然后，前端的输出信号大部分被传输给一个或多个模数转换器、实施为通用处理器、信号处理器或者在FPGA或客户专用集成电路中实现的数字信号处理单元，由此可对测量值进行后续的滤波和缩放操作。US4093989A提供了对此的介绍。此外在US2015/0149122A1中详细说明了根据现有技术的手持仪器。

通常的用于实时频谱分析的方法是使用根据US3634760A和US3573446A的快速傅里叶变换FFT。在此，“实时”的概念表示无论在哪个时间点具有任意一个频率的脉冲都会出现在待分析的带宽Span内，该脉冲都会被分析仪识别并显示。在此，需要将在可衰减所分析的每个FFT信道或滤波器组信道脉冲功率的FFT中在时间分辨率和频率分辨率之间的自然法则联系与扫频加以区分，在扫频中当接收机在特定时间点恰好分析的不是该脉冲频率而是另一频率时肯定根本不会识别该脉冲。通过现有技术的进步，现在也可以便携式代替目前常见的箱式来制造这种仪器，有助于此的还有在模拟高频部件与数字信号处理的巧妙组合中的进步，例如参见关于数字消除镜像频率的DE 19530812C2。

在此在客户方面存在实时分析尽可能大的带宽的期望。然而根据奈奎斯特-香农采样定理，具有特定带宽的接收信号必须至少以该带宽的双倍采样频率被采样，以避免歧义。

由于在集成模数转换器技术中的进步，特别是由于通过流水线结构，采样本身经常一方面在较高的带宽下也是没有问题的，然而另一方面独立或组合式模数转换器的高采样率在自然法则上不可规避，由此自动地也在单位时间中产生了非常大的数据量，该数据量必须被传输到后续处理，大部分传输到傅里叶变换或多项滤波器组。

原则上在此技术进步也可使得在越来越小的空间上处理更大的数据传输速率，然而特别是在移动设备中硬件快速地接近其极限，主要因为也必须为硬件供电。在此如由现代移动电话所熟知的，所需的高计算能力极大地限制了电池使用寿命。

此外，频率分析的数据流还必须被供以显示，在此同样对计算能力产生附加要求。

问题在于，虽然不可避免奈奎斯特-香农这种自然法则联系，然而是否可找到紧邻在模数转换器之后减少数据量的技术解决方案。

目前的方法的重点主要在于模拟部分，如在EP1592131B1中所提出的，代替接收频率的分级调整使用连续扫频并且在执行FFT之前补偿该连续扫频的影响，以减少瞬态振荡时间从而加快测量。

由此自然不仅可提高分辨率而且可增加分析的带宽，然而极为不利的是，尽管提高了测量速度但其不再为实时频谱测量。这意味着，具有当前不在超外差接收机处实施的、而位于待分析的带宽范围中的频率范围内的频率的单脉冲不会被频谱分析仪显示。

另一方法是划分成若干频带、对其进行独立分析并且之后将测量结果重组。在US2013/0064328A1和US2014/0378079A1中详细说明了这种根据现有技术由多个接收机组成的测量系统。不利的是在此由于需要多个接收机而产生较高的成本，由此在很大程度上排除了作为移动系统的使用。

在US2014/0306688A1中可找到另一方法，其基本上说明了借助于扫频或编程的跳频的模拟方法与可能倍增的接收机数量的结合。这是通过将在个人计算机中通常可用的USB接口也供多个接收机使用并且将信号处理转移到个人计算机上来实现的。在此不利的是，始终需要至少一个相应的外部计算机并且通过扫频不可进行实时分析，而是对于每个频带分别仅存在一个时间上受限的区段。

进一步根据现有技术已知的是以不同的分析带宽并行工作以实现缩放功能的测量仪器。这方面的示例可在US2010/0153044A1中找到。然而通过其中说明的结构在总体上并没有提高分析带宽。这些目前的解决方案不仅分析带宽较低，而且时间分辨率也受限。此外还有这样的尝试，即通过在数字域中将数据流划分成不同的独立的部分数据流、对其进行独立地分析并且在时间域中进行后续组合来弥补这些不足，参见US2015/0054566A1。然而最终在提高的成本方面相对于传统的实时频谱分析仪并没有得到改善。