信号频谱仪
信号频谱仪
简易频谱仪系统设计
一、简易频谱仪设计目标与要求
1.1 设计目标
拟利用 PLUTO 软件无线电平台上实现一个简易频谱仪。支持频谱显示
频谱扫描、峰值捕获等功能。
图 1 简易频谱仪原理框图
1.2 基本要求
1、输入阻抗：50 欧
2、测试频率范围：325MHz 到 3 GHz
3、分辨率带宽（RBW）：100Hz、300Hz、1KHz、3KHz、10KHz、30KHz、
100KHz、 300KHz、1 MHz、3MHz、10MHz 可选
4、动态范围：RBW=100Hz 时，大于 60dB;RBW=10MHz 时，大于 30dB
5、测试幅度误差：小于 1dB
6、测试频率误差：在不同 RBW 设置测试时，小于相对应 RBW 的 1%
1.3 扩展要求
1、频率扩展范围：70MHz 到 6GHz
2、AM、FM、ASK、FSK、BPSK 调制识别
载波频率：433MHz 调制信号：语音信号
3、AM 调制信号的调制度、交调失真测量
载波频率：433MHz 调制信号：单音信号
射频
前端
AD
混频
本振
LO
FFT
扫频
显示输
出
信号频谱仪
二、简易频谱仪设计方案论证
2.1 系统总体框图及模块说明
ADALM-PLUTO radio Receiver blocker 信号接收模块是一个功能非常强大的
工具。通过这个模块，可以实现指定中心信号频率拾取，混频器与本机振荡器
的实现混频功能。可以通过主界面代码控制其中心信号频率（centerfrequency），
来确保正确 RBW 输出。控制基带采样率（Baseband sample rate）来获取足够的
数据。可以实现直接变频功能，使高频信号变成宽带低频信号，经过 AD 转换
之后变成数字信号。
DC-Blocker 直流阻断器是本征波导建模和其他应用中不可或缺的工具。通
常需要去除信号环路中的直流分量。dc 块是一个由微分方程指定的小递归滤波
器。
𝑦
(
𝑛
)
=
𝑥
(
𝑛
)
―
𝑥
(
𝑛
―
1
)
+
𝑅𝑦(𝑛
―
1)
其中 R 是一个参数，通常介于 0.9 和 1 之间（对于 44.1kHz 采样率，R=0.995 是
合适的）。传递函数为
𝐻
(
𝑧
)
=
1
―
𝑧
―
1
1
―
𝑅
𝑧
―
1
因此，在 dc（z＝1）处存在零，在 z＝R 处存在无透镜 dc。远离直流，极
点和零点大致相互抵消，所以我们可以运用它去除直流分量
Buffer 缓冲区块始终执行基于帧的处理。该块重新分配输入的每一列中的
数据，以产生具有不同帧大小的输出。将信号缓冲到更大的帧, 帧大小会产生帧
速率比输入慢的输出。将信号缓冲到较小的帧, 帧大小会产生比输入更快的帧速
率输出。该块会协调非重叠缓冲器的输出帧大小和帧速率，使得信号的采样周
期在输入和输出端都相同：Tso＝Tsi。通过这个我们可以控制采样点数，控制
RBW。
MATLAB Function2 自定义函数通过自己设定函数实现加窗，再对取样数据
取平均，并进行 FFT(傅里叶变换)，功率谱取对数输出。
经过帧处理的数
据
加窗 补零 FFT变换
功率谱取平
均输出
图 2 MATLAB Function2 程序子模块框图
Spectrum Analyzer block 频谱分析仪块（这里称为示波器）显示信号的频谱。
但在这里我们不是简单地使用它时频信号（Time）输入显示频谱功能，我们使
用频谱输入显示功能（Frequency）。我们可以通过主界面代码控制其采样频率
（Sample Rate），来确保正确 RBW 输出。
信号频谱仪
利用 pluto 变频功能，利用 FFT 做频谱分析，通过改变本振频率，实现宽频
带的扫频。从长段信号加框截取其中一段信号求和。
进行加窗，加窗本质上是窗频谱与原始频谱进行卷积运算，导致原始频
谱频谱泄露，无限长的信号被截断后，频谱发生畸变。窗函数的种类选取
分为两个影响：1.窗的主瓣频率的分辨率。2.窗的类型和时间上谱的宽度来
控制 RBW。从表 2-1 可知，不同的窗函数有不同的带宽和衰减。而我们希
望可以获得主瓣尽量窄，旁瓣的相对幅度尽量小，防止被测信号强度<旁瓣
强度,则无法检测，继而影响动态范围。经过多方面的考虑，最终选择
nuttallwin 窗。
而 RBW 的控制遵循下列公式
Nsample
=
NENBW
∗
Fs
RBW
频谱分析仪要求计算频谱估计所需的样本数量最少。计算一次频谱更新
所需的输入样本数量在主选项窗格中显示为样本/更新。该值通过等式与分
辨率带宽 RBW 直接相关， 而归一化有效噪声带宽 NENBW 是一个取决于
开窗方法的因素。频谱分析仪在“频谱设置”窗格的“窗口选项”窗格中
显示 NENBW 的值（查阅可知 nuttallwin 的参数为 1.96）。Fs 是输入信号的
采样率。频谱分析仪在频谱设置窗格的主选项窗格中显示采样率。而我们
通过调试取样频率(Fs)和缓冲区块帧取率（
Nsample
）来控制 RBW。实际操
作在（3.2.RBW 范围）可调中。
动态范围通常被认为是频谱分析仪测量谐波相关信号和两个或多个信号
互相作用所生成信号的能力。取决于主瓣和旁瓣幅值的比。在处理测量时，
频谱分析仪的输入混频器是非线性器件，因而频谱分析仪自身总会产生失
信号频谱仪
真。
动态范围：频谱仪能测量到的输入端同时存在的最大信号与最小信号的
比值（dB），并且对于较小信号允许以给定不确定度测量。习惯上不加窗
就是使信号通过了矩形窗。这种窗的优点是主瓣比较集中，缺点是旁瓣较
高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高频干扰和泄漏，甚至出现负谱现象。
矩形窗主瓣窄，旁瓣大，频率识别精度最高，幅值识别精度最低。Nuttall
窗体可以有效减少频谱遗漏对谐波测算的作用，我们进行加窗有利于保证
合适的动态范围，拥有更稳定的波形。
由于 Plutosdr 本身携带 3dB 的噪声系数，我们为了减少误差，进行了补
零操作，对频域做差值，时域做补零操作，差值变为原来的一百倍。是由
于采样频率增加引起。
故取 n 次平均值可以使测量误差消减为原来的-n 次方倍。
三．主要功能实现
图 3 频谱仪仿真图
3.1.基础条件：
查阅数据手册可知:
输入阻抗为 50 欧
Pluto 精度 12bits ADC/DAC
▪ 采样率 65.1KSPS to 61.44MSPS
▪ 带宽 200KHz to 20MHz
▪ 本振 325MHz to 3.8GHz(保证指标)
70MHz to 6GHz（频率/带宽扩展）
