一、文献综述
- 国内外研究现状
1.1信号频谱分析是将信号源发出的信号强度按频率顺序展开，使其成为频率的函数，并考察变化规律，称为频谱分析。频谱分析主要分析信号是由哪些频率的正弦信号叠加得到的，以及这些正弦信号的振幅。一般包含以下六项：频率设置、基准电平设置、带宽、扫描时间、触发控制设置、跟踪发生器设置、跟踪控制设置、利用标记功能测量回波损耗(以dB为单位)[1]。
1.2信号频谱分析是将时域信号变换至频域加以分析的方法称为频谱分析。频谱分析的目的是把复杂的时间历程波形，经过傅里叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波和相位信息[2]。对信号进行频谱分析可以获得更多有用信息，如求得动态信号中的各个频率成分和频率分布范围，求出各个频率成分的幅值分布和能量分布，从而得到主要幅度和能量分布的频率值。将信号在时间域中的波形转变为频率域的频谱，进而可以对信号的信息作定量解释。频谱分析的意义可以说是很明确的，就是分析信号的频率构成[3]。更确切地说就是用来分析信号中都含有哪几种正弦波成份。反过来说就是，该信号可以用哪几种频率的正弦波来合成出来。生活当中分析一个人的说话语音成份，可以断案。还可以完全模拟他的声音。频谱分析仪在汽车，通信信号处理，工业制造等各行各业已成为一种非常有用的工具[4]。一般用示波器观察一个信号的波形。幅度、频率等，但对于复杂信号的一些信息无法仅通过波形，幅度，频率获取。如果由时域转至频域，就能观察到各个频率点上的功率幅度大小分布情况。频谱分析仪按照原理分为模拟和数字频谱分析仪。随着时代的发展，工程应用复杂化，产品更新更快，对于频谱分析仪的精度要求更高，处理速度要求更快，传统的模拟频谱分析仪由于体积庞大，功能单一，价格昂贵已不适应时代需求，正逐步向数字频谱分析仪发展。目前实现信号的频谱分析仪的主要方法有：采用通用数字信号处理芯片实现、采用专用DFT/FFT芯片与DSP芯片实现和采用FPGA实现[5]。
（二）研究主要成果
2.1应用于电力领域。光伏等新能源发电具有波动性,将其与可控发电装置或储能等可控微源相结合以微电网的形式发电,可减小功率波动对电网的影响[6]。针对含光伏的独立型微电网,对其中微燃机和储能进行协调容量优化配置,通过对微电网的净负荷进行频谱分析,并考虑微燃机与储能对负荷波动的响应特性,利用优化频域分频点的方法确定微燃机与储能的功率分配策略,根据此功率分配策略,计及储能和微燃机的运维成本及储能的循环使用寿命,将分频点和电源容量作为优化变量,建立了以年综合成本最小为目标的双层优化配置模型。算例结果表明,合理的分频点可使储能与微燃机的容量配置更为经济,并可提高储能的循环使用寿命和降低微燃机的运行成本[7]。
2.2应用于音频领域。伴随电子与通信技术的发展,数字音频广播、多媒体通信等这些数字音频处理技术在社会上得到了广泛的应用,同时对人们生活的影响日益深远。目前市面上的多数调音器都使用振动原理的,一些高端的调音器会同时使用声音原理和振动原理配合调音[8]。市面上的乐器声音识别调音器虽然小巧便携,但是在准确性上有待提高,而且现有的调音器的种类比较少。如何提高识别准确率和识别设备的微型化,本文基于FPGA中的Avalon总线技术和快速傅里叶变换算法,设计实现了一种实时高效的音频频谱分析系统。此系统可以实时完成各种音乐信号的识别与分析,克服了传统的调音器的限制,可以对多种乐器进行调音,大大提高了乐器的音准以及克服了一种调音器只能调节一种乐器的限制,并且提高了调音器的使用率,具有实际应用价值[9]。
2.3应用于加密领域。现有物理层加密算法的设置及安全性分析多数在基带进行,忽视了频谱泄漏对算法安全性的威胁。为此,在分析OFDM信号频谱特点的基础上,设计一种频谱分析攻击方法。通过建立信息或者密钥符号与密文信号频谱具体频率分量之间的一一对应关系,获取信息、密钥以及调制方式[10]。实例分析和仿真结果表明,该方法对不同参数的M-OFDM算法破解效果较好,能够正确识别其信息符号[11]。
（三）发展趋势
3.1实时频谱仪的中频处理具有“实时处理”的特征。扫频式频谱仪采用“频谱扫描”方式获得信号频谱，一次频谱扫描只能获取整个扫频宽度中的一部分频谱数据，两次扫描之间允许存在一定的时间间隔，对于两次扫描之间，信号的变化，扫频式频谱仪是检测不到的[12]。实时频谱仪采用“实时信号处理”的方式获得信号频谱，一次频谱扫描即可获得整个扫频宽度中频谱数据，其优秀的数据处理能力与灵活的触发方式相结合，可以连续捕获输入信号的瞬变信息[13]。实时频谱仪的“实时处理带宽”更宽。为适应宽带快速变化信号的捕捉与分析，实时频谱仪的“实时处理带宽”，达到80MHz～110HMz，并可以对整个带宽内的信号进行实时分析。扫频式频谱仪的处理带宽（中频带宽）一般在40MHz以下，而且允许两次频谱扫描之间存在一定的时间间隔，因此，实频谱仪对硬件性能的要求比扫频式频谱仪高的多。实时频谱仪的典型应用是迅速突发性干扰信号测试、跳频系统测试、捷变频雷达系统测试、电子对抗系统测试等。产品及服务覆盖部队、航天、航空、兵器、核工业、船舶、电子等军用领域和民航飞机、石油、汽车、化工、电力、铁路等民用领域。
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