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1、(10)申请公布号 CN 103344829 A (43)申请公布日 2013.10.09 CN 103344829 A *CN103344829A* (21)申请号 201310239184.2 (22)申请日 2013.06.17 G01R 23/165(2006.01) (71)申请人 中国科学院上海微系统与信息技术 研究所 地址 200050 上海市长宁区长宁路 865 号 5 号楼 505 室 (72)发明人 宋恩亮 王岳鹏 李宝清 袁晓兵 (74)专利代理机构 上海泰能知识产权代理事务 所 31233 代理人 宋缨 孙健 (54) 发明名称 一种模拟信号频谱分析系统 (57) 摘要。
2、 本发明涉及一种模拟信号频谱分析系统， 模 拟信号输入模块用于输出待频谱分析的原始模拟 输入信号 ； 带通滤波模块在所述通带调整模块通 带调整范围内， 实现对原始模拟输入信号的窄带 带通滤波处理 ； 通带调整模块在控制与频谱统计 模块控制下， 实现带通滤波模块通带中心频点的 宽范围连续调整 ； 带限信号能量统计模块在带通 调整模块调整过程中用于对带通滤波模块输出信 号能量进行同步统计 ； 控制与频谱统计模块通过 对通带调整模块的控制， 实现对原始模拟输入信 号的连续通带中心频点的带通滤波处理， 借助带 限信号能量统计模块的同步统计功能， 完成模拟 信号频谱分析。本发明可适用于低功耗、 低成本、。
3、 小体积的微信息系统应用场景。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103344829 A CN 103344829 A *CN103344829A* 1/1 页 2 1. 一种模拟信号频谱分析系统， 包括模拟信号输入模块、 带通滤波模块、 通带调整模 块、 带限信号能量统计模块、 控制与频谱统计模块， 其特征在于， 所述模拟信号输入模块用 于输出待频谱分析的原始模拟输入信号 ； 所述带通滤波模块在所述通带调整模块通带调整 范围内， 。
4、实现对原始模拟输入信号的窄带带通滤波处理 ； 所述通带调整模块在所述控制与 频谱统计模块控制下， 实现带通滤波模块通带中心频点的宽范围连续调整 ； 所述带限信号 能量统计模块在带通调整模块调整过程中用于对带通滤波模块输出信号能量进行同步统 计 ； 所述控制与频谱统计模块通过对通带调整模块的控制， 实现对原始模拟输入信号的连 续通带中心频点的带通滤波处理， 借助所述带限信号能量统计模块的同步统计功能， 完成 模拟信号频谱分析。 2. 根据权利要求 1 所述的模拟信号频谱分析系统， 其特征在于， 所述模拟信号输入模 块和带通滤波模块之间还设有阻抗调整模块， 所述阻抗调整模块用于实现模拟信号输入模 。
5、块与带通滤波模块间的阻抗匹配。 3. 根据权利要求 1 所述的模拟信号频谱分析系统， 其特征在于， 所述带通滤波模块的 通带调整范围覆盖系统频谱分析工作频点范围， 且连续可调。 4. 根据权利要求 1 所述的模拟信号频谱分析系统， 其特征在于， 所述带通滤波模块的 通带调整精度应高于系统频谱分析精度要求。 5. 根据权利要求 1 所述的模拟信号频谱分析系统， 其特征在于， 所述带限信号能量统 计模块采用精确计算方法或粗略估计方法在带通调整模块调整过程中用于对带通滤波模 块输出信号能量进行同步统计。 6. 根据权利要求 1 所述的模拟信号频谱分析系统， 其特征在于， 所述带限信号能量统 计模块在。
6、通带调整模块对带通滤波模块的调整， 待带通滤波模块输出稳定后进行统计。 7. 根据权利要求 1 所述的模拟信号频谱分析系统， 其特征在于， 所述模拟信号输入模 块采用 MEMS 音频输入芯片 ADMP504 实现 ； 所述阻抗调整模块为采用运放 MAX417 构成的运 算放大电路 ； 所述带通滤波模块为采用 LTC1068 构成的带通滤波电路。 8. 根据权利要求 1 所述的模拟信号频谱分析系统， 其特征在于， 所述通带调整模 块、 带限信号能量统计模块和控制与频谱统计模块采用 MSP430F1611 微控制器， 使用 MSP430F1611微控制器的PWM模块实现通带调整模块， 使用MSP4。
7、30F1611微控制器的ADC模 块及 CPU 运算逻辑实现带限信号能量统计模块， 使用 MSP430F1611 微控制器的 CPU 运算逻 辑及存储模块实现控制与频谱统计模块。 权 利 要 求 书 CN 103344829 A 2 1/3 页 3 一种模拟信号频谱分析系统 技术领域 0001 本发明涉及模拟信号处理技术领域， 特别是涉及一种模拟信号频谱分析系统。 背景技术 0002 频谱分析也称作功率谱估计， 作为信号处理的基本分析方法， 广泛应用于雷达、 声 纳、 通信、 地质探测、 天文、 生物医学工程等领域。 数字信号处理方法多采用傅立叶变换的方 法实现， 数字化的信号通过傅立叶分解，。
8、 按频率顺序展开， 使其成为频率的函数， 进而在频 率域中对信号进行研究和处理。数字化频谱分析方法的实现多基于 FPGA、 DSP 等高功耗、 成 本昂贵的快速运算器件实现。 系统功耗、 成本和体积等因素限制频谱分析方法在低功耗、 低 成本、 小体积的微信息系统中使用。 发明内容 0003 本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟信号频谱分析系统， 可适用于低功 耗、 小体积、 低成本的微信息系统应用场景。 0004 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ： 提供一种模拟信号频谱分析系统， 包括模拟信号输入模块、 带通滤波模块、 通带调整模块、 带限信号能量统计模块、 控制与频 谱统计模块， 。
9、所述模拟信号输入模块用于输出待频谱分析的原始模拟输入信号 ； 所述带通 滤波模块在所述通带调整模块通带调整范围内， 实现对原始模拟输入信号的窄带带通滤波 处理 ； 所述通带调整模块在所述控制与频谱统计模块控制下， 实现带通滤波模块通带中心 频点的宽范围连续调整 ； 所述带限信号能量统计模块在带通调整模块调整过程中用于对带 通滤波模块输出信号能量进行同步统计 ； 所述控制与频谱统计模块通过对通带调整模块的 控制， 实现对原始模拟输入信号的连续通带中心频点的带通滤波处理， 借助所述带限信号 能量统计模块的同步统计功能， 完成模拟信号频谱分析。 0005 所述模拟信号输入模块和带通滤波模块之间还设有。
10、阻抗调整模块， 所述阻抗调整 模块用于实现模拟信号输入模块与带通滤波模块间的阻抗匹配。 0006 所述带通滤波模块的通带调整范围覆盖系统频谱分析工作频点范围， 且连续可 调。 0007 所述带通滤波模块的通带调整精度应高于系统频谱分析精度要求。 0008 所述带限信号能量统计模块采用精确计算方法或粗略估计方法在带通调整模块 调整过程中用于对带通滤波模块输出信号能量进行同步统计。 0009 所述带限信号能量统计模块在通带调整模块对带通滤波模块的调整， 待带通滤波 模块输出稳定后进行统计。 0010 所述模拟信号输入模块采用MEMS音频输入芯片ADMP504实现 ； 所述阻抗调整模块 为采用运放M。
11、AX417构成的运算放大电路 ； 所述带通滤波模块为采用LTC1068构成的带通滤 波电路。 0011 所述通带调整模块、 带限信号能量统计模块和控制与频谱统计模块采用 说 明 书 CN 103344829 A 3 2/3 页 4 MSP430F1611 微控制器， 使用 MSP430F1611 微控制器的 PWM 模块实现通带调整模块， 使 用 MSP430F1611 微控制器的 ADC 模块及 CPU 运算逻辑实现带限信号能量统计模块， 使用 MSP430F1611 微控制器的 CPU 运算逻辑及存储模块实现控制与频谱统计模块。 0012 有益效果 0013 由于采用了上述的技术方案， 本。
12、发明与现有技术相比， 具有以下的优点和积极效 果 ： 本发明采用可调中心频点的模拟滤波器结合带限信号能量统计的方法实现模拟信号 的频谱分析， 规避目前方案中高功耗、 高成本、 复杂电路设计的高速数字信号处理元件的使 用。本发明可适用于低功耗、 低成本、 小体积的微信息系统应用场景。 附图说明 0014 图 1 是本发明的原理方框图 ； 0015 图 2 是本发明具体实施例的方框图。 具体实施方式 0016 下面结合具体实施例， 进一步阐述本发明。 应理解， 这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。 此外应理解， 在阅读了本发明讲授的内容之后， 本领域技术人 员可以对本发明作各种改。
13、动或修改， 这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。 0017 本发明的实施方式涉及一种模拟信号频谱分析系统， 如图 1 所示， 包括模拟信号 输入模块、 带通滤波模块、 通带调整模块、 带限信号能量统计模块、 控制与频谱统计模块， 所 述模拟信号输入模块用于输出待频谱分析的原始模拟输入信号 ； 所述带通滤波模块在所述 通带调整模块通带调整范围内， 实现对原始模拟输入信号的窄带带通滤波处理 ； 所述通带 调整模块在所述控制与频谱统计模块控制下， 实现带通滤波模块通带中心频点的宽范围连 续调整 ； 所述带限信号能量统计模块在带通调整模块调整过程中用于对带通滤波模块输出 信号能量进。
14、行同步统计 ； 所述控制与频谱统计模块通过对通带调整模块的控制， 实现对原 始模拟输入信号的连续通带中心频点的带通滤波处理， 借助所述带限信号能量统计模块的 同步统计功能， 完成模拟信号频谱分析。所述模拟信号输入模块和带通滤波模块之间还设 有阻抗调整模块， 所述阻抗调整模块用于实现模拟信号输入模块与带通滤波模块间的阻抗 匹配。 所述带通滤波模块的通带调整范围覆盖系统频谱分析工作频点范围， 且连续可调。 所 述带通滤波模块的通带调整精度应高于系统频谱分析精度要求。 所述带限信号能量统计模 块采用精确计算方法或粗略估计方法在带通调整模块调整过程中用于对带通滤波模块输 出信号能量进行同步统计。 所述。
15、带限信号能量统计模块在通带调整模块对带通滤波模块的 调整， 待带通滤波模块输出稳定后进行统计。 0018 下面以一个具体的实施例对本发明进行进一步的说明。 0019 如图 2 所示， 所述模拟信号输入模块选用 MEMS 音频输入芯片 ADMP504， 所述阻 抗调整模块选用运放 MAX417 构成的运算放大电路， 所述带通滤波模块选用 LTC1068 构成 的带通滤波电路， 所述通带调整模块、 带限信号能量统计模块和控制与频谱统计模块选用 MSP430F1611 微控制器， 使用 MSP430F1611 微控制器的 PWM 模块实现通带调整模块功能， 使用 MSP430F1611 微控制器的 。
16、ADC 模块及 CPU 运算逻辑实现带限信号能量统计模块， 使用 说 明 书 CN 103344829 A 4 3/3 页 5 MSP430F1611 微控制器的 CPU 运算逻辑及存储模块实现控制与频谱统计模块。 0020 音频输入芯片 ADMP504 采集设备运转产生的噪声信号， 输出信号频率范围在 100Hz5kHz之间， 幅度通常介于1mV20mV之间， 输出阻抗约200欧姆， 输出信号能量小 于 10uW。 0021 运放MAX417构成的反向放大与低通滤波电路， 增益设计为50倍， 低通截至频率设 计为 6kHz， 输入阻抗设计为 20k 欧姆， 输出阻抗设计为 10 欧姆。 00。
17、22 LTC1068 构成的带通滤波器电路， 增益设计为 2 倍， 中心频点 Fc可调范围为 100Hz 5kHz， 通带宽度为 （0.88 1.12） Fc， 设计时钟 - 中心频率比为 200， 滤波器结构为 八阶椭圆带通滤波器。 0023 MSP430F1611 微控制器的 PWM 模块， 输出可调范围设计为 10kHz 1MHz。 0024 MSP430F1611 微控制器的 ADC 模块， 输入信号电压范围设定为 0 3.3V， 采样率设 定为 20kSPS， 采样精度设定为 12 位。 0025 MSP430F1611 微控制器能量计算模块设计为采样点数据去均值后求平方和的近似 计。
18、算方法， 不对计算结果进行归一化处理， 简化计算过程。 0026 MSP430F1611 微控制器控制逻辑设计为 ： 0027 1) 初始化配置各模块进入预定工作状态 ； 0028 2) 按照扫频需求， 确定扫频频率间隔 Fgap=20Hz ； 0029 3) 确定频谱扫描频点序列为 Fscan=100,20,5000Hz ； 0030 4) 控制 PWM 模块， 按照频谱扫描频点序列顺序， 依次输出对应时钟频率 Fosc=200Fscan； 0031 5) 控制 ADC 模块， 按照 PWM 模块输出时钟频率节奏， 采集带通滤波器输出信号 ； 0032 6) 微控制器计算带限信号能量 ； 0033 7) 微控制器依次记录各扫频点能量数据， 形成频谱分析数据 ； 0034 本实施例中， 采用可调中心频点的 LTC1068 构成模拟滤波器， MSP430F1611 是系统 唯一数字控制器件， 系统功耗约为 15mA， 工作电压为 3.3V。系统中未使用 FPGA、 DSP 等高功 耗、 高成本、 复杂电路设计的高速数字信号处理元件， 以较低系统代价实现实用频谱分析功 能， 可适用于低功耗、 低成本、 小体积的微信息系统应用场景。 说 明 书 CN 103344829 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103344829 A 6 。