基于虚拟技术的频谱分析仪器方案

基于虚拟技术的频谱分析仪器方案肖，胡耀祖（武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉430070）案，对此虚拟频谱仪器的主要部分做了必要的说明与设想。

o前言当今是信息产业急速发展的时代。现代化仪器仪表已经集成一定程度的信息存储、分析的功能。然而，随着社会生产力的发展、生产方式的变更、生产环境的复杂化，一些经典的仪器仪表就显示出一些不足的地方，需要根据实际应用情况进行升级。随着个人计算机、商业级计算机和大型计算机应用的愈发普遍化，充分利用各种级别的计算机来实现虚拟仪器仪表就成为可能。从实际应用中来看，虚拟仪器已经体现出了相对经典仪器仪表而言很大的优越性。特别是一些需要进行大量计算来处理信息的场合，计算机就更能体现出其在数据处理方面的卓越性能。

频谱分析就是一项对数据处理能力有较篼要求的工作。

基于此，本文尝试将虚拟仪器的应用引入频谱分析领域，并给出了一个可行的方案。

1虚拟频谱分析仪基于虚拟技术的频谱分析仪从很大程度上摆脱了硬件方面的限制。

随着计算机技术的不断发展和突破，计算机的数据处理能力也飞速增长。相对于数字式频谱仪采用的DSP专用芯片而言，还是有明显的优势。计算机的数据处理、存储、传输方面已经达到一定篼度，足够用于进行频谱分析所需要的性能指标要求。且基于虚拟技术的频谱分析仪所需成本相对很低，体积也大为缩小，方便携带。

2―种基于虚拟技术的频谱仪方案下面是一套带有虚拟仪器功能的频谱分析仪的设计方案，主要分为硬件和软件两大部分。

2.1硬件部分硬件部分原理框图如所示。

注：空心线表示数据传输线，实心细线表示控制信号传输线。

虚拟频谱分析仪原理框图（破件部分）硬件部分主要由预处理模块、DSP模块、输出显示模块和计算机通信模块组成。

2.1.1预处理模块图中虚线部分为预处理部分。这一部分通过预处理电路对模拟输人信号进行初判，然后通过DSP发送命令至FPGA来自动选择抗混叠滤波器组中相应的滤波器。

通过滤波以后的模拟信号就可以进行A/D转换了。其中的抗混叠滤波器由四路通道组成，每一路有不同的抗混叠滤波器，并配备相应的前级放大电路。

整个模块预处理具体工作流程分三个步骤：模拟信号输人进入预处理电路，该电路的功能是实现对原始模拟输入信号的预判断，从该电路输出的信号为原始信号的频率值；DSP输出控制信号，其中一路信号输人到FPGA模块，通知该模块如何对抗混叠滤波器进行操作，FPGA收到指令以后，自动对抗混叠滤波器进行操作，以选择合适的通频带宽和相应的滤波器截止频率；DSP输出的另一路信号输人A/D转换器，使得A/D转换器自动选择采样速率。经过这个部分以后，能够得到正确和合适的数字信号输入到DSP模块，为下一个部分的数字信号处理做准备工作（信号预处理）。

该模块主要有三个部分的功能，首先是参予预处理模块的计算和操作，这一功能前一模块已经介绍；第二是实现与计算机的通信，为信号正确地通过并行口输人到计算机提供支持；第三是进行数字信号处理，主要通过FFT的算法将输人信号由时域转换到频域中来。

2.1.3输出显示模块由两个D/A转换器组成，主要功能是把经过DSP模块处理过后的数字信号转换成模拟信号，为在示波器上显示出频谱图作准备。其中一路输人示波器X轴模拟信号，一路输人示波器Y轴模拟信号。

2.1.4计算机通信模块由一个A/D转换器和PC机通信接口构成，两者之间通过并行数据线及I/O接口按照ECP接口协议以及相关协议进行通信。这一个模块的采样速率由PC机直接控制，抗混叠滤波器的频带宽度由PC机与DSP芯片通信后，向FPGA模块传达指令来完成。

2.2软件部分软件部分原理框图如所示。

频谱分析仪原理枢图如上图所示，频谱分析仪的软件部分包括选带细化FFT、1024FFT和显示及控制模块。这一个部分主要实现频谱分析仪器的软件仿真，亦既虚拟频谱仪。全部工作由计算机来完成。该仪器可以实现频谱全景和部分频段结合观察的功能，整个频谱宽度范围可以达到是lHz~2GHz.该模块的输入信号由硬件部分的A/D转换器输出，全部是数字信号。通过计算机数据处理，可以实现经典频谱分析仪器的全部功能。

当观察频谱全景时，输人信号通过虚线表示数据线直接进人1024FFT模块，通过计算转换，将结果输出到下一个模块。

2.2.2选带细化FFT模块这部分模块采用的是选带细化分析ZOOMFFT.这种方法是只对信号中的某一感兴趣的较窄频带进行细化分析，适用于实时分析。当需要对某一个频段进行细化分析和观察的时候，信号就会进人上图虚线框内的选代细化FFT模块。实际上该模块也包含1024FFT部分，为了方便直观，没有将1024FFT部分画进来。

选带细化FFT模块的工作流程是：先将输入的数字信号进行移频处理，目的是尽量让有用的信号进人滤波器，为提篼所选频段频谱分辨率作准备工作；信号经过移频以后进人数字低通滤波器。这个部分起的是抗混作用，为降低数据密度的重新抽样做准备；对经过抗混低通处理的时间序列，以较低的抽样频率重新抽样，获得新的时间序列，样点密度降低。同样数量的样点所覆盖的时间长度增加（这一段过程可以反复进行）；对新的序列作FFT分析。样本时间长度增加了，相应所得谱线间隔也减少同样倍数。

2.2.3显示及控制模块该模块可以用VC高级语言来编程实现（程序略），通过VC提供的控件功能，可以实现对前面几个部分工作流程的控制和监督，以及和下位机（硬件部分）之间的通信。

3结束语以上是基于虚拟技术的频谱分析仪实现方案之一，通过该方案实现的虚拟频谱分析仪具有体积小、成本低、技术性能优越的特点。这也充分体现了虚拟仪器在未来仪器行业中的发展趋势。