[發明專利]對非平穩信號進行實時頻譜分析的方法及系統

在審

• 申請號: 201310445073.7
• 申請日: 2013-09-26
• 公開（公告）號: CN103792427A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: A.阿爾-阿德納尼
• 申請（專利權）人: 安捷倫科技有限公司
• 主分類號: G01R23/165
• 分類號: G01R23/165
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 封新琴

技術領域

本公開涉及對非平穩信號進行實時頻譜分析的方法及系統。

背景技術

對信號進行頻譜分析的傳統方法假設輸入信號在觀察窗內在采樣操作期間具有恒定諧波含量。在許多應用中，信號是時間相關的(非平穩或瞬態)，為了觀察的目的，只有當觀察窗的持續時間或長度適當短時才可能被認為是平穩的。例如，觀察窗的長度應該小于間斷或過渡的時段，以便信號統計量在整個觀察窗內保持平穩。相反，為了獲得信號的良好頻譜分辨率，要增加樣本的數量，這需要使用較長的觀察窗。

一般說來，當必須分析非平穩信號的窄頻帶時，快速傅里葉變換(FFT)是不合適的，因為良好的頻譜分辨率不可能利用短觀察窗來獲得。為了提高頻譜分辨率和使用FFT的分辨率兩者，需要較長觀察窗，即，大量的點。但是，在整個長持續時間觀察窗內，不能認為非平穩信號是平穩的，因為非平穩信號不是恒定的。因此，難以在縮短觀察窗的長度以迎合非平穩信號的同時獲得良好的頻譜分辨率。換句話說，因為非平穩信號只有在短時間間隔內才可以被假設為是平穩的，所以不可能增加觀察窗的長度。

FFT的另一種局限性是，即使只在有限頻帶中評估信號頻譜含量，也需要分析整個頻譜。于是，由于需要固定的受到考慮的頻帶的分辨率，所以必須利用相同分辨率分析整個頻譜。這可能導致如上所討論，阻止假設信號是平穩的長觀察窗。

相比之下，線性調頻z變換(CZT)算法不像FFT那樣，需要利用相同分辨率分析整個頻譜。這樣，由于CZT不像FFT(和像Welch(韋爾奇)那樣的其他經典方法)那樣只取決于觀察窗的長度，所以CZT提供了頻譜分辨率更好的有限頻譜分析。更確切地說，CZT取決于所分析譜帶與采樣頻率之間的比值。在這種情況下，在選擇了頻帶之后，即使樣本的數量少得多，因此觀察窗較短，也可以獲得良好的頻譜分辨率。這樣，即使需要較短的觀察窗，CZT也使所有性能參數得到優化。

CZT能夠只使用采樣數據來達到縮放信號顯示，而無需任何進一步操作來校正泄漏或振幅誤差。此外，通過使用相同緩存采樣數據，對各個有限頻譜部分施以不同CZT，即使對于非平穩信號，也可以使用CZT重構總信號頻譜。CZT獨自無法為縮放或整個頻帶信號提供分辨率提高頻譜。因此，存在只使用CZT不能做到的、通過改善頻譜分辨率達到更精確信號分析的需要。

發明內容

在一個代表性實施例中，提供了一種對非平穩信號進行實時頻譜分析的方法。該方法包括：使用長度短到足以逼近平穩信號的觀察窗采樣非平穩信號，以提供一組初始采樣數據；緩存該組初始采樣數據以獲得多組緩存采樣數據；使用相應濾波響應濾波該組初始采樣數據和多組緩存采樣數據，以獲得多組濾波采樣數據；以及對多組濾波采樣數據進行線性調頻z變換(CZT)以提供一組離散傅里葉變換(DFT)系數。使用該組DFT系數重構非平穩信號的總信號頻譜。

在另一個代表性實施例中，提供了一種對非平穩信號進行實時頻譜分析的方法。該方法包括：使用逼近平穩信號的短觀察窗采樣非平穩信號，以提供采樣信號；使用’第一多相濾波器濾波該采樣信號，以提供第一濾波采樣信號；延遲該采樣信號以提供延遲采樣信號；使用第二多相濾波器濾波該延遲采樣信號，以提供第二濾波采樣信號；對該第一和第二濾波采樣信號進行CZT以提供DFT系數；以及使用該DFT系數重構非平穩信號的總信號頻譜。

在另一個代表性實施例中，提供了一種對來自正在測試設備(DUT)的輸入信號進行實時頻譜分析的系統。該系統包括：配置成采樣輸入信號以提供第一采樣數據的采樣器；配置成濾波第一采樣數據以提供第一濾波采樣數據的第一多相濾波器；配置成將第一采樣數據延遲第一延遲量以提供第二采樣數據的第一緩沖器；配置成濾波第二采樣數據以提供第二濾波采樣數據的第二多相濾波器；配置成將第二采樣數據延遲第二延遲量以提供第三采樣數據的第二緩沖器；以及配置成濾波第三采樣數據以提供第三濾波采樣數據的第三多相濾波器。該系統進一步包括配置成相加第一、第二、和第三濾波采樣數據以提供相加的濾波數據的加法器；以及配置成對相加的濾波數據進行CZT以提供與輸入信號相對應的頻域樣本的CZT電路。該頻域樣本使輸入信號的總信號頻譜能夠得到重構。

附圖說明

當結合附圖閱讀時，可以從如下詳細描述中更好地理解例示性實施例。要強調的是，各種特征件未必按比例畫出。事實上，為了使討論清楚起見，可以任意增大或減小尺度。在可應用和可實施的任何地點，相同標號都指相同元件。

圖1是使用按照一個代表性實施例的基于流式濾波器組的CZT算法對非平穩信號進行實時頻譜分析的方法的流程圖；