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扫频式FFT频谱分析仪数字中频全软化设计与实现
扫频式FFT频谱分析仪数字中频全软化设计与实现
随着科技的发展，频谱分析仪作为一种测量仪器，广泛应用于无线电通信、雷达、卫星通信、天文、物理等领域。在频谱分析仪中，FFT频谱分析仪是一种大力量的测量工具，特别是对于非周期信号或非常弱的信号，其分析能力更是得到了广泛的应用。
然而，在实际的使用过程中，频谱分析仪还存在一些弊端与限制。例如，传统的模拟频谱分析仪由于其结构的局限性，使其对于高频、大动态范围、大分辨率的信号测量存在困难。而该类问题主要是由于模拟滤波器、放大器、抽样、AD转换器、数字信号处理器等硬件在指标、可靠性、成本等方面都存在一定的局限等缘故。
因此，数字频谱分析仪成为了未来发展的方向。在数字频谱分析仪的发展中，如何更好地解决“硬件局限”、增强“软件灵活性”成为了重要的研究课题之一。
数字中频全软化是一个重要技术，能够实现数字频谱分析仪高速、高准确度、高分辨率、低失真、大动态范围等的功能。数字中频被视作数字信号处理领域的一种重要的信号处理技术，其一般可分为三部分：数字混频、低通滤波、数字解混频。
数字混频
数字混频毫无疑问是数字中频技术提出的第一个问题。数字混频的目的是为了将待测信号高频转换到中频范围内以便于后续的处理。在数字混频方面，DSP、FPGA等器件都能够实现。
低通滤波
低通滤波的主要目的是在将混频后的信号带宽降下以消除高频噪声的干扰，同时尽量减少滤波引入的失真。由于滤波需要高精度的计算，这就需要处理器运算速度相对较快，进行高速的算法计算。空间滤波器、时域滤波器、频域滤波（傅里叶变换）等方式都可以进行低通滤波。
数字解混频
数字解混频的基本步骤和数字混频相反，即将低频信号解混到基带。解混波的主要难点在于需要精确的相位调节，以保证数字混频的工作正常。在DSP、FPGA上基于带通滤波器原理结合于数学模型，使用恰当的算法调节相位均可达到较高的解混效果。
总之，数字中频原理是通过将信号经过数字混频后，经低通滤波步骤降低信号干扰，再经过数字解混频步骤将信号恢复为真实信号进行相关的处理与分析。数字中频全软化的设计方法就是数字中频的每个部分都以软件的形式在处理器内实现。
数字中频全软化的实现
实现数字中频全软化的主要难点在于每个环节的数字算法实现，以及软件设计的可编程性与可调性。在数字混频方面，可以将数字混频看作是一种数字乘法器，一个理想的数字乘法器应该是快速、准确、低失真的。
在数字混频方面，可以采用数字锁相环技术，实现高低频精准同步的效果。在数字锁相环中，VCO以参考频率为基础，通过与输入源的频率比较来进行控制，从而实现频率的快速锁定。由于数字锁相环的精准同步性，易实现高率的数字混频功能。在数字混频技术选择中，还考虑了频带选择网络、数字控制环路、Sinc滤波器等因素进行优化。
在滤波方面，可以选择时域滤波或是频域滤波。在时域滤波的方式下，以FIR（有限脉冲响应滤波）为例，其主要原理是根据样本的冲击响应计算滤波器的FF系数，从而实现精准的频率响应滤波。在频域滤波的方式下，以FFT（快速傅里叶变换）为例，其主要原理是使离散信号在不改变时域样本的情况下，将其从时域转换为频域，基于频域分析的结果来进行滤波。
在数字解混频方面，可以将解混波看作是相移器的一种应用。通过搭配适合的数学模型转换，设计解混波算法，将频率从中频范围内移回原信号频率范围内。
总结
数字中频全软化的设计与实现，是针对传统硬件限制的一种先进的技术。以数字混频、低通滤波、数字解混频三个关键步骤为基础，数字中频全软化实现的关键在于数字滤波器、数字混频器等数字信号处理技术的高效实现与算法优化。数字中频全软化的优势体现在其强大的可编程性、灵活性与可调性，相信这种先进技术将会在未来的频谱分析领域中大放异彩。