实时频谱分析（共7篇）
实时频谱分析 篇1
频谱分析是指将信号源发出信号强度按频率展开，使其成为频率的函数并观察其变化规律。信号频谱分析在信号处理上有着重要作用，其应用领域广泛，主要包括：卫星接收系统、无线电通信系统、行动电话系统基地台辐射场强的测量和电磁干扰等高频信号的侦测与分析。随着科技的发展，现代信号处理对信号处理的实时性和快速性有了更高的要求。FFT-V9.0 Core是基于Altera FPGA高性能、高度参数化的快速傅里叶变换处理器。该FFT Core功能是执行高性能的正向复数FFT或反向的FFT(IFFT)，采用基4和混合基2/4频域抽取(DIF)的FFT算法，能够较快的实现输入信号的频谱分析。
本系统设计以FFT-V9.0 Core为核心，不仅通过计算机软件仿真实现了输入信号频谱分析功能，而且通过FPGA与C8051F020技术的有机结合，在硬件上实现了512点实时频谱分析，同时将测试信号的各谐波幅值，基波含有率和频谱图通过液晶显示屏实时显示。
1 系统总体方案设计
系统总体设计框架如图1所示：系统主要包括信号输入与处理电路，频率测量及倍频模块，数据采集与RAM存储模块，FFT核心运算模块，数据输出与RAM存储模块，C8051F020数据处理分析模块和LCD液晶显示模块等七个主要部分组成。
整个系统的设计思路是：首先，输入信号经信号处理电路进入FPGA进行等精度频率测量，其中的正弦信号需经正弦转方波电路转换为方波信号后才能进行信号频率的测量。因本系统设计要求实现512点快速傅里叶变换，所以需将测量信号512倍频后输出给C8051F020以作为启动AD转换的使能信号。C8051F020在输入信号的一个周期内采集512个点，然后通过FPGA与C8051F020的并行数据通信协议将采集的512个点传输到FPGA中RAM1进行存储。至此，整个频谱分析的信号输入部分完成。然后，使能FPGA内的FFT进行快速傅里叶运算，运算结束将所得的实部、虚部、指数分别存储与RAM2,RAM3,RAM4中锁存直至下一次信号采集才允许重新写入数据，并向C8051F020发出一次运算结束信号。C8051F020接收到该信号后，按FPGA与C8051F020的并行数据通信协议，以分时复用数据线的方式，顺序地从FPGA读回实部、虚部和指数数据。C8051F020对读回的数据进行运算处理，求得输入信号的直流分量，各谐波幅值和基波含有率，同时绘制出输入信号的频谱图并将数据送液晶显示。重复上述过程以实现的输入信号的实时频谱分析。
2 系统硬件设计
系统硬件设计部分由FPGA、C8051F020和模拟电路组成，主要包括FPGA核心板和底板，C8051F020最小系统，信号处理电路，等精度频率测量和倍频电路和输入输出数据存储电路。
2.1 信号处理电路
测量频率时，采用FPGA来对频率进行计数。当输入信号为正弦波时，在输入到FPGA之前，必须经过模拟电路，将其整形为方波或矩形波。在电路设计中利用LM311比较器，参考电压设置为0V，将正弦信号正负周期转换成高低电平对称方波，通过改变参考电压，可以改变相应的占空比，并经施密特触发器去抖整形。由于设置AD数模转换只采集电压不低于0V的电信号，当输入信号为交流时，需将输入信号的电压提高至0V以上。在电路设计中利用LM358构成射极跟随电路，同时在同相端加上偏置电压，偏置电压值可通过滑变电阻调节。具体设计电路如图2所示。
2.2 等精度频率测量与倍频电路
为了在输入信号的一个周期内准确的采集512点数据，必须对输入信号的频率进行测量。设计中采集等精度频率测量方法，分别对标准信号，被测信号进行计数，并实现预置闸门信号与被测信号同步。记标准信号频率为fO,被测频率为fx,1S闸门信号内标准信号的计数个数为NO，被测频率的计数个数为NX，则被测频率fx=(Nx/No)×fo[3]。然后将被测频率fx×512作为AD启动转换的使能信号，具体电路图如图3所示。
2.3 数据存储电路设计
数据存储电路包括输入数据的存储和输出数据的存储，采用RAM设计，因为其数据在读取之后不会清空，实现了存储数据一次而读取数据任意次，可以向FFT不断地提供输入数据。而且，RAM可以设置独立的读写地址线，独立读写时钟和独立的读写使能信号，极大的方便了数据写入与读出的时钟控制[3]，具体实现电路如图4所示。
3 系统软件设计
系统软件设计部分主要体现在C8051F020控制程序的设计，主要包括C8051F020系统初始化，AD数据采集与传输，FFT运算结果的读取，各谐波幅值和基波含有率的计算，频谱图的绘制和液晶显示六大部分。软件设计流程图如图5所示。
4 系统测试
系统测试主要分为软件仿真和系统调试两部分，主要调试工具有频谱分析测试系统，LPS-305数控式线性直流稳压电源，MOS-620B双踪示波器和数字信号发生器。
4.1 软件仿真
仿真方案:通过DDS信号发生器输出-127～+127的正弦波,并控制sop和eop信号保证同步。仿真结果分析:从source_sop为开始记录,并由公式:计算模值。正弦波仿真结果及理论论证分析分别如图6,表1所示,仿真结果与理论分析一致。
4.2 系统调试
系统调试仍以正弦信号和矩形波信号作为测试信号源，正弦信号测试后的部分实验数据如表2所示，测试结果与Matlab仿真结果大体一致。
5 结束语
基于FPGA和C8050F020设计的简易实时频谱分析系统,提出了一种由C8050F020单片机进行数据采集与处理,FPGA进行FFT算法分析的实时频谱分析方法,充分发挥了FPGA的高速数据处理性能和单片机处理数据的方便灵活的特点。其所采用的并行数据通信功能大大增强了数据的处理速度;采用液晶同时显示测量信号的直流分量,各谐波幅值,基波含有率和频谱分析图,使得测量结果更加丰富与直观。经系统测试,基于FPGA和C8050F020设计的实时频谱分析系统,运行稳定,测量结果可靠,可测频率范围1HZ～8KHZ,测量误差小于5%，成本远低于市场频谱分析仪，可用于信号处理分析部分领域。
摘要：FFT-V9.0 Core是基于Altera FPGA高性能、高度参数化的快速傅里叶变换处理器。设计和实现了一种以FPGA为核心,辅助于C8051F020数据处理,液晶显示各谐波幅值、基波含有率和频谱图的实时频谱分析系统。由C8051F020片内AD采集输入信号,经FPGA与C8051F020并行数据通信协议进入FPGA做FFT算法分析,运算结果经并行数据通信协议以送回C8051F020做进一步数据处理和显示。实验证明,系统充分利用了FPGA与C8051F020芯片资源,具有较好的实时性,频谱分析特性,系统操作简便,测量结果直观可靠。
关键词：频谱分析,FFT,FPGA,C8051F020,并行数据通信
参考文献
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[3]潘松,黄继业.EDA技术实用教程[M].3版.北京:科学出版社,2007:159-189.
[4]薛年喜.MATLAB在数字信号处理中的应用[M].2版.北京:清华大学出版社,2008:121-129.
[5]郑君里,应启珩,杨为理.信号与系统[M].2版.北京:高等教育出版社,2009:88-159.
实时频谱分析 篇2
全球领先的测试、测量和监测仪器提供商——泰克公司日前宣布,推出SA2600新型手持式实时频谱分析仪,其采用了DPXTM波形图像处理技术,可提供频谱的实时RF视图。泰克此前于2月份推出的H600 RF猎鹰便携式无线信号侦测仪现在也提供DPX技术。通过这些新增仪器,泰克提供了采用DPX技术的全系列实时频谱分析仪,可以广泛用于现场测试和设计平台中。
SA2600提供了10kHz-6.2GHz的频率范围、20MHz实时带宽和-153dBm显示平均噪声电平(DANL),在电池供电的手持式现场测试仪器中设计提供了台式频谱分析仪的性能。由于频谱处理速率要比其他厂商提供的任何扫频分析仪快100倍以上,SA2600和H600为瞬态事件提供了100%的侦听概率,SA2600可以侦听最短事件时间周期为500μs的瞬态事件,H600可以侦听最短事件时间周期为125μs的瞬态事件。
SA2600和H600是为现场测量设计的。新型号把高性能频谱分析仪与一套直观的用户控制功能结合在一起,可以迅速简单地分类和定位模拟与数字RF传输。用户界面采用专门设计,增强了现场测试的工作效率,其中包括一个触摸屏,可以轻松进行导航。相比其他解决方案可能要求附加离线GPS和地图软件的情形,SA2600/H600已集成GPS和地图工具,提供了更加高效的干扰定位功能。
实时频谱分析 篇3
1 系统整体结构
卫星信号监测系统组成框图如图1所示, 系统由频谱仪、GPIB总线和监控主机组成, 频谱仪采用中国电子科技集团公司第四十一研究所生产的AV4033系列频谱分析仪, 工作范围为30Kz-18GHz。GPIB作为频谱仪和监控主机之间的接口总线, 雷达模拟信号由频谱仪的信号输入端输入。
GPIB是一种比较成熟的总线技术, 它是一种并行的外总线, 其数据传输速率一般能达到250KB~500KB, 最高能达到8MB, 连接在总线上的设备最多能达到15个, 当用GPIB标准建立一个由计算机控制的测试系统时, 不需要再加一大堆复杂的控制电路, 结构简单。GPIB远程测试系统是计算机和仪器之间传输命令和数据的桥梁, 用计算机的键盘和显示器来操控仪器进行程控测量。本系统的控制端使用USB-GPIB接口卡与计算机相连。
2 技术方案
本系统采用Lab Windows CVI来进行设计与开发, 系统软件框图如图2所示。软件系统由监控界面、参数设置模块、数据采集模块、程控命令模块、数据处理模块、图像显示模块和数据存储模块组成。各模块功能通过Lab Windows CVI进行模块化设计。
计算机通过GPIB通信接口对AV4033的功能控制是通过程控仪器标准指令来实现的, 程控指令是可以对频谱仪进行远端控制的一组特殊格式串, 包括仪器设置、通道配置、数据扫描方式、控制输出、读取数据、状态报警、接口设置等指令集。这些指令的发送均是字符串形式, 所有的频谱仪命令都必须符合特殊的语法规则, 在应用高级语言进行编程时, 程控指令一般是作为一个独立的参数在调用函数中出现, 这类针对远程控制的函数随GPIB接口和采用的高级语言的不同而不同, 但其程控指令是相同的, AV4033系列频谱仪的语法命令图如图3所示。
本文利用程控指令和频谱仪进行通信时, 选择Lab Windows CVI自带的GPIB函数库, 可以方便地进行程控命令发送和数据读取操作。
3 应用举例
卫星固定通信台站天线口径大波束窄, 对天线伺服系统的自动跟踪性能要求较高, 为确保通信效果, 需定期测量卫星天线系统的自动跟踪性能, 传统的测试方法需用频谱仪在射频方舱内测试, 且测试结果保持和记录都不方便, 利用本系统可以方便进行远程测试, 而且可以将测试结果保存在数据存储单元中, 方便后续查询和参考。卫星天线跟踪性能测试流程如下:
(1) 调整卫星天线使其对准通信卫星;
(2) 在监控主机上按下述过程设置频谱仪;
a) 按卫星信标频率设置频谱仪中心频率, 设置SPAN为0到100KHz
b) 根据信标信号的电平变化范围设置Sacle/DIV, 以使测量过程中的载波电平变化始终落在频谱仪的可显示电平范围内
c) 根据信标频率稳定度, 选择尽可能窄的RBW
d) 根据载波的峰值频率和功率, 调整频谱仪的中心频率和参考电平
e) 利用键盘调窄SPAN, 重复4
f) 重复5, 将SPAN调整到最小
g) 将SPAN置0, 使载波显示谱线作水平运动
h) 输入扫描时间, 确定扫描长度
(3) 用手控方式调偏卫星天线的方位角和俯仰角, 频谱仪显示谱线的电平将随天线偏离卫星而下降
(4) 启动天线自动跟踪功能, 观察卫星信标电平随时间的变化, 记录自动跟踪天线的对星过程以及跟踪速度和精度
(5) 存储记录数据, 重复3、4步骤, 多记录几次测试结果, 分析卫星天线自动跟踪性能。
4 结束语
基于GPIB总线技术构建的频谱仪可以建立快速、高效的卫星信号测试系统, 该系统人机界面更加友好, 测试功能更为方便, 用户能够在值勤终端上方便对频谱仪进行控制和使用, 能够快速、方便、准确的完成测试任务。
参考文献
[1]周军涛, 陈怀民, 吴成富.基于GPIB和Ag ilent34970A的数据采集系统软件设计[J].测控技术, 2007, 26 (04) .
[2]张博, 马宗骏.基于GPIB总线的虚拟频谱仪设计[J].物联网, 2011 (06) .
[3]葛李, 王勇.基于GPIB总线的RIGOL示波器通信测试系统设计[J].今日电子, 2006 (11) .
[4]周星, 孟晨, 魏保华.基于Lab Windows/CVI自动测试系统软件界面设计[J].电子测量技术, 2003 (01) .
周期信号频谱分析 篇4
为了直观、方便地表达信号分解后所包含的频率分量和各分量所占的“比重”, 将长度与各频率分量的振幅大小相对应的线段按频率高低依次排列, 就得到了周期信号的振幅频谱图。与此类似, 将长度与各频率分量的初相相对应的线段按频率高低依次排列起来, 就得到了周期信号的相位频谱图。
对周期信号进行傅里叶展开, 基波的频率即为原周期信号的频率。而频谱图中的谱线间隔为基波频率, 所以, 随着周期信号周期的增大, 频谱的谱线将渐趋密集。进一步分析可知, 随着周期信号周期的增大, 频谱的幅度将渐趋减小。从理论上讲, 周期信号的谐波分量是无限多的, 所取的谐波分量越多, 叠加后的波形越接近原信号的波形。谐波振幅具有收敛性, 这类信号能量的主要部分集中在低频分量中, 所以可以忽略谐波次数过高的频率分量。
对于一个信号, 自零频率开始到需要考虑的最高频率之间的频率范围是信号所占有的频带宽度。对于一般的频谱, 也常把自零频率开始到频谱振幅降为包络线最大值的101倍时的频率之间的频率范围定义为信号的频带宽度。可以证明, 对于矩形脉冲信号而言, 频谱频带宽度与脉冲时间宽度成反比。
2 实验内容与方法
2.1 单频正弦量的频谱观察
单频正弦量的频谱观察的步骤主要有: (1) 设置信号发生器为正弦波, 频率为500 Hz, 幅值为2 V。 (2) 启动仿真开关, 通过示波器观测波形。观测的波形与信号发生器设置一致后, 关闭仿真开关, 再进行傅里叶分析的仿真分析。 (3) 通过下拉菜单Simulate进行傅里叶分析。 (4) 设置傅里叶分析的参数。 (5) 设置傅里叶分析的输出节点。完成上述设置后, 可以观察单频正弦量的频谱。本例为基波频率500 Hz、幅频值约为2 V、相频值约0, 而其他各次谐波分量的幅频值和相频值均约为0. (6) 根据观察和测量, 频谱主要参数见表1.
2.2 周期三角波信号的频谱观察和测量
周期三角波形信号的频谱观察和测量的步骤: (1) 将信号发生器的波形选择为三角波, 其他参数设置不变。 (2) 仿真的操作步骤和方法与单频正弦量的频谱观察的步骤和方法相似。 (3) 根据观察和测量, 频谱主要参数见表1.
2.3 周期方波信号的频谱观察
周期方波信号的频谱观察的步骤为: (1) 将信号发生器的波形选择为方波, 其他参数设置不变。 (2) 仿真的操作步骤和方法与单频正弦量的频谱观察的步骤和方法相似。 (3) 根据观察和测量, 频谱主要参数见表1.
2.4 周期矩形脉冲信号的频谱分析与测量
实验步骤同“2.1”, 以下不再赘述。需要注意的是信号发生器的波形选择为方波, 其参数设置频率为500 Hz, 占空比为25%, 幅值为2 V, 偏移量为0。且根据所显示的频谱, 得出频谱频宽、所包含的谐波分量数量和各谐波分量之间的频率间隔, 如表2所示。同时, 要注意观察各次谐波分量幅值的变化情况。
2.5 观测脉冲信号变化后的结果
观测周期矩形脉冲信号宽度变化与频谱频宽、密度、幅度变化的关系。
信号发生器的波形选择为方波, 频率为500 Hz, 占空比为13%, 幅值为2 V, 偏移量为0.并重复“2.1”的其他操作, 测得数据见表2.
信号发生器的波形选择为方波, 频率为500 Hz, 占空比为5%, 幅值为2 V, 偏移量为0.并重复“2.4”的其他操作, 测得数据见表2.
摘要：周期信号频谱分析在信号与系统这一学科中占有极其重要的地位。满足狄里赫利条件的非正弦周期函数可以展开为傅里叶级数, 基于此事实, 以傅里叶变化作为信号分析的理论基础, 可以将非正弦周期信号视为一个直流分量与若干个不同频率的正弦分量之和。通过对频谱宽带的理解, 研究了矩形脉冲波形的变化对其频谱的影响。
关键词：周期信号,频谱,矩形脉冲,波形
参考文献
[1]吴大正.信号与线性系统分析[M].第四版.北京:高等教育出版社, 2008.
[2]樊昌信, 曹丽娜.通信原理[M].第六版.北京:国防工业出版社, 2006.
电机振动频谱分析与处理 篇5
关键词：频谱分析,电机,振动
1. 概述
2011年年初, 济钢能源动力厂7号D1170高炉鼓风机驱动电机轴承振动逐渐增大, 影响设备的安全稳定运行。该电机为YK3500-2型3500kW异步电机, 转速2880r/min, 两端轴承都为球面滑动轴承。经监测记录, 轴承振动速度在6个月内由2.3mm/s逐渐增至6.5mm/s。电机与增速箱小齿轮通过弹性膜片联轴器连接, 小齿轮侧轴承振动基本正常, 机组其余轴承振动变化不大 (表1) 。
2. 振动分析
(1) 初步分析
经观察, 电机底座为16mm厚钢板焊接, 并用快速灌浆料灌制底座, 结构比较合理, 基础强度能够达到要求。测量发现, 电机地脚处振幅最大为0.012mm, 底座靠近电机处振幅都未超过0.01mm。由此, 底座刚度和基础松动引起振动的可能较小。
mm/s
该电机两端轴承为球面轴承, 球面轴承具有一定自动调心、减振功能, 而且对近期检修记录进行检查发现, 电机测点1、测点2的轴承间隙、紧力都在技术标准范围内, 轴承间隙分别为0.27mm、0.29mm, 轴承压紧力分别为0.02mm、0.01mm, 因此轴承本身引起振动的可能性较小。
电机与小齿轮连接使用弹性膜片联轴器, 承受不对中能力较强, 具有一定的减振、降噪能力。但分析发现, 联轴器本身较长 (1200mm) , 从而造成找正时找正杆挠度影响较大, 有可能产生一定的找正偏差, 因此中心偏差可能是造成振动的一个因素。
(2) 频谱分析
分别测取4个轴承的振动频谱, 并对振动最严重的电机非负荷端水平轴振动频谱 (图1) 进行分析。
从振动频谱图上可以看出, 50Hz为电机转速1倍频, 振动峰值为6.9mm/s, 为振动主要成分;100Hz为电机转速2倍频, 振动峰值为3.4mm/s, 为振动次要成分;150Hz以后振动峰值较小, 对振动的影响不大。根据频谱原理分析, 1倍频振动可能为旋转体不平衡造成, 2倍频振动可能为中心对中不良造成, 电机转子不平衡及中心对中不良是检修处理的重点。
3. 振动处理及效果
借高炉休风机会, 对电机进行了针对性的检修。将电机转子抽芯、清灰后, 校正转子动平衡, 平衡结果见表2。
电机转子复装就位后, 根据相关资料消除挠度对找正的影响后, 对电机与增速箱小齿轮对中进行了检查、调整及处理 (表3) 。
电机检修后联动试车, 两端轴承处振动值大幅减小 (图2) , 振速2mm/s左右, 减速箱风机振动正常。从频谱图2可看出, 1倍频、2倍频振动峰值都下降至优良指标, 说明该电机振动处理措施准确、有效。
电磁频谱监测系统设计分析 篇6
无线电通信技术的快速发展和普及应用,使得电磁环境越来越复杂,频谱的使用越来越广泛,频谱资源日益紧张。为使有限的频谱资源发挥更大的价值,开发频谱利用率更高的应用系统、加强频谱科学管理成为必然要求。电磁频谱监测是频谱管理的基础和前提,其目的是为频谱管理、频率指配和规划提供技术支持和科学依据。下面介绍一种电磁频谱监测系统的设计方法,并对其性能特性和在频谱监测网络中的重要地位进行分析。
1 总体设计
1.1 系统组成
频谱监测系统组成如图1所示。
图1中的监测设备有3副监测天线,包括短波天线(0.1~30 MHz)、超短波天线(30~800 MHz)和微波天线(0.8~3 GHz)。系统监测接收机的频率覆盖范围为0.1~3 000 MHz,输出为70 MHz中频。接收机分为2个模块:短波模块(0.1~30 MHz)和超短波微波模块(30~3 000 MHz)。短波模块的带宽有200 kHz、25 kHz 两种,超短波微波模块的带宽有20 MHz、200 kHz、25 kHz 三种。该接收机的增益为0~60 dB,有AGC和DGC两种增益控制模式。
信号处理机用于根据上位机的控制命令控制天线和接收机对信号的采样,并通过电路和DSP进行信号处理,然后将结果回送给上位机。
上位机为控制管理终端,可以下发不同参数的频段扫描信号,并可监听两种指令,同时负责显示和储存上报的结果。
1.2 硬件设计
系统组成以信号处理机为重点,信号处理机主要由正交下变频芯片、AD采样芯片、DSP和FPGA等组成[1],其系统组成如图2所示。
1.3 电源设计
系统的输入电压为+24 V,可通过3个DC/DC电源变换模块获得模拟±5 V、数字+5 V和+3.3 V的电压输入电路板。其中+5 V电压可通过TPS75933芯片变换为+3.3 V给DSP的I/O供电,+3.3 V电压则可通过TPS78601芯片变换为+1.2 V给DSP的内核供电。
2 主要解决的问题
系统主要从以下几个方面进行考虑:
① 接收机的精确性。利用高性能监测测向接收机,可完成对射频信号的搜索,主动、快速地发现并截获信号,利用高精度测向与高准确率的干扰定位技术,识别出同频信号与微弱信号,并进行盲信号分离;同时具有快速扫描和宽频搜索的能力,不但可以对长发信号进行捕捉,而且可以实现对突发、跳频等短持续信号的快速捕捉。
② 处理机的智能性。系统具有丰富的样本信号库,同时处理机采用DSP和FPGA等核心技术,从而保证了在分析信号时能够分辨信号的细微特征,进一步提高了信号的识别能力,使系统在快速捕捉之后能迅速识别出相应信号。
③ 系统与网络的匹配性。利用该系统可建立分布式监测网,准确掌握频谱利用动态,及时发现并排查干扰,实现无线电监测的无缝覆盖,特别是对机场、码头、港口和党政机关所在地等重点区域实现监测覆盖。在监测网内可利用监测管理软件,完成对信号的测量和接收数据的分析与存储,实现对网内所有设备的同时监控。
3 关键技术
3.1 DSP技术
数字信号处理(DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。在过去的20多年里,DSP技术已经在通信等领域得到极为广泛的应用。它是利用计算机或专用处理设备,以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩和识别等处理,以得到符合人们需要的信号形式[2]。
该系统选用了2片ADSP-TigerSharc101(简称TS101)系列DSP芯片,用来完成主要信号处理算法。TS101具有强大的链路口传输功能,每个链路口的传输速度可达到250 MB/s[3];另外,该系统还选用一片ADSP-Blackfin537(简称BF537)系列DSP芯片来完成控制与管理功能。BF537采用VDF内核,可与LAN91c111网络芯片组成Lwip网络嵌入式操作系统[4]。
3.2 FPGA技术
现场可编程门阵列(FPGA)是美国Xilinx公司于1984年首先开发的一种通用型用户可编程器件,是在PAL、GAL和CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物,是作为专用集成电器(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既具有门阵列器件的高集成度和通用性,又有可编程逻辑器件用户可编程的灵活性。
系统选用Altera公司的cyclone系列FPGA芯片EP1C12来实现信号预处理功能,采样信号在通过FIR滤波器后,可存在FIFO内等待DSP来读取。此外,FPGA也可完成传递控制字、中断控制以及向D/A输出解调结果等功能。
4 性能测试分析
4.1 工作模式分析
系统有频段扫描和信号监听2种工作模式。
4.1.1 频段扫描
频段扫描是系统最主要的功能,通过此功能可以监测到各个频段的电平值和频率占用情况,从而完成频谱的监测,其频段扫描流程如图3所示。
由于接收机的最大带宽是20 MHz,所以系统内部循环一次只能扫描20 MHz带宽内的频谱。在完成宽带扫描时,需要通过接收机置频扫描多次相邻的20 MHz带宽内的频谱,再把结果拼接成需要的宽带频谱。
信号处理可采用FFT测频法来对16 384点的采样数据做FFT运算,再根据上位机命令中的频率间隔将FFT幅度转化为电平值。
4.1.2 信号监听
信号监听是频谱监测的一个辅助功能,用于实现AM、FM信号的解调,其流程如图4所示。在监听过程中,接收机带宽通常处于25 kHz,当接收到一次控制字后,即可通过时序控制实现连续不断的采样与解调。
4.2 网络应用分析
电磁频谱监测网是对空中电磁信号频谱特征参数进行测试、分析的网络,也称电磁频谱监测测向网。电磁频谱监测网担负电磁环境监测和无线电信号测向定位任务,通常包括短波监测网、超短波监测网和卫星监测网等构成[5]。
利用该系统可组成室外小型监测站,从而构建分布式室外小型监测网,设备工作采用无人值守方式,可布设于热点地区,扩大信号监测范围,组网工作时可对被监测目标进行时差定位。多台室外小型站通过联网方式构成分布式监测网,其组网工作图如图5所示。
各室外小型站可根据需要布设于办公大楼和商场等所需要的地点,所有采集数据通过有线或无线方式传递到网络控制中心,由运行于控制中心的监测控制软件实现对网内多台设备的同时控制,完成对信号的监测、定位和存储等功能,在具备高度同步条件下可对被监测目标进行时差定位计算与地图标识。
4.3 性能测试结果
经检验,该频谱监测系统的频率覆盖范围为0.1~3 000 MHz,频率分辨率可达15.2 Hz,扫描速度可达1 GHz/s,灵敏度可达-134 dB。在同类系统中具有一定的优势。
5 结束语
信息化条件下,随着无线通信技术的飞速发展,频谱资源变得越来越紧张,社会对电磁频谱管理的需求越来越大。电磁频谱监测技术的深入发展,尤其是多种新技术的科学结合,使无线电监测能力更加强大;而且由DSP和FPGA组成的频谱监测系统具有高速、稳定和可编程性强等优点,提高了综合组网能力,促进了电磁资源监测和利用效率,是对电磁频谱管理活动的有力技术支持。在工程中有较强的应用价值,具有广阔的发展前景。
摘要：针对日益复杂的空间电磁环境下频谱监测任务中遇到的新问题,为进一步提高频谱管理技术水平,介绍了一种电磁频谱监测设备。分析了其总体设计思路、解决的问题、主要功能、工作流程、性能指标及在频谱监测网络中的作用,并对其中的数字信号处理(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)关键技术进行了论述,对电磁频谱监测技术的未来发展提出了展望。
关键词：频谱监测,分布监测网,DSP,FPGA
参考文献
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滚动轴承故障的频谱分析 篇7
1 滚动轴承的故障形式与故障原因
1.1 滚动轴承的故障形式
滚动轴承承受冲击的能力差，在载荷线下面的滚动体受力最大，易发生故障。滚动轴承发生故障的主要形式如下：
1)塑性变形。塑性变形与接触表面的最大挤压应力有关，接触表面的最大挤压应力发生在受力最大的一个滚动体与轴承内圈的接触点处，其损坏的特征是滚道上形成一个个小圆穴(凹痕)，使轴承在运转时产生很大的振动和噪声。
2)疲劳剥落(点蚀)。疲劳剥落就是滚动体在滚道上反复承受载荷一定时间后，接触表面在一定深度(切应力最大)处形成裂纹，逐渐发展到接触表面，使金属成片状剥落下来，形成疲劳凹坑的现象。疲劳剥落使轴承在工作时发生冲击性振动，是轴承失效的主要原因。
3)磨损或擦伤。滚动体与滚道之间的相对运动以及外界污物的侵入，是轴承工作面产生磨损的直接原因。润滑不良，装配不正确均会加剧磨损和擦伤。磨损量较大时，轴承游隙增大，不仅降低了轴承运转精度，也会带来机器的振动和噪声。
4)锈蚀和电蚀。锈蚀是由于空气中或外界的水分带入轴承中，或者机器在腐蚀性介质中工作。轴承密封不严，从而引起化学腐蚀。锈蚀产生的锈斑使轴承工作表面产生早期剥落，而断面生锈则会引起保持架磨损。电蚀主要是转子带电，在一定条件下，电流击穿油膜产生电火花放电，使轴承工作表面形成密集的电流凹坑。
5)断裂。轴承零件的裂纹和断裂是最危险的一种损坏形式，这主要是由于轴承超负荷运行、金属材料缺陷和热处理不良所引起的。转速过高，润滑不良，轴承在轴上压配过盈量太大以及过大的热应力会引起裂纹和断裂。
1.2 滚动轴承的故障原因
引起滚动轴承振动和噪声的原因，除了外部激励因素之外，属于轴承本身内部原因产生的振动可分为如下三种类型：
1)由于轴承结构本身引起的振动。滚动体通过载荷方向产生的振动;套圈的固有振动;轴承弹性特性引起的振动。
2)由于轴承形状和精度问题引起的振动。套圈、滚道和滚动体波温度引起的振动;滚动体大小不均匀和内、外圈偏心引起的振动。
3)由于轴承使用不当或装配不正确引起的振动。滚道接触表面局部性缺陷引起的振动;润滑不良，由摩擦引起的振动;装配不正确，轴颈偏斜产生的振动。
2 滚动轴承的故障特征频率
滚动轴承的特征频率与故障具体部位、滚动轴承零件几何尺寸、轴承工作转速等因素有关。如果不计轴承各元件弹性变形，并认为滚动体与滚道之间为纯滚动，轴承外环固定内环转动(如果轴承内环固定，外环转动，那么计算公式中的加减号要改变)，则各故障特征频率为：
1)内环的回转频率为：fr=n/60
2)保持架的通过频率：fc=1/2[1-d cosβ/D]fr
3)外环通过频率：fo=Z/2[1-d cosβ/D]fr
4)内环通过频率：fi=Z/2[1+d cosβ/D]fr
5)滚动体通过频率：fb=D/2d[1+ (d/D) 2 cos 2β]fr
式中n———转速(r/min)
Z———轴承滚动体个数
D———轴承节径(m m)
d———滚动体直径(m m)
β———接触角
3 应用实例
3.1 基本情况
xxx船1#发电机海水泵为电动型海水泵，由电机通过联轴节传递做功。该机转速2900r/min，功率15 KW，电流29.4A，电压380V。在2008年12月2日机械检试时，该设备运行声音异常，随即利用vibXpe rt(多功能数据采集和分析处理器)对该设备进行了轴承冲击脉冲和振动速度测试，发现测点的轴承冲击脉冲值和振动速度值均严重超限。为避免产生错误的判断，对测点轴承添加润滑油，并对其进行了跟踪测试，结果是数值持续升高。
3.2 振动监测数据与数据分析处理
3.2.1 振动监测数据
1) 1#发电机海水泵测点轴承冲击脉冲监测。在测试工况相同的条件下，轴承的冲击脉冲值随着时间的不断变化而不断增大，并且在不断的超过界线值(35dBn)，说明轴承已经存在严重磨损。
2) 1#发电机海水泵测点振动监测。在测试工况相同的条件下，测点振动测试值已经超过报警界线值(4.5mm/s)，机器处于可接受的工作状态，机组可短期运行，但必须加强监测并采取措施。
3.2.2 数据分析与处理
电机驱动端轴承型号为NSK7307C，电机转速为2900r/min，工频(内环回转频率)fr=n/60=48.33HZ，内环通过频率fi=317.16HZ, 外环通过频率fo=214.50HZ, 保持架通过频率fc=19.48 HZ, 滚动体通过频率fb=184.53 HZ。频谱中出现了48.3HZ的电机转速频率信号以及268.8HZ、317.2HZ和365.5HZ的信号，并且存在大量的高次谐波。
频率识别：
诊断结果：1#发电机海水泵测点轴承内环存在疲劳剥落(点蚀)现象。
信息反馈：在船进厂后，船厂维修工人对该设备立即组织拆卸并解体维修，检查测点轴承情况，发现故障原因为轴承内环疲劳剥落严重。
摘要：滚动轴承即是旋转机械转子系统以及部分往复机械曲轴组件的重要支撑部件, 又是机器上的易损件, 严重的轴承故障会导致机器剧烈振动和噪声, 降低设备效率, 甚至会引起设备的损坏。频谱分析技术可以有效地找出滚动轴承的故障特征频率, 以此达到早期发现问题, 及早采取措施, 防止发生严重机器故障的目的。
关键词：滚动轴承,故障特征频率,趋势分析,频谱分析
参考文献
[1]梅宏斌.滚动轴承振动监测与诊断理论、方法[M].机械工业出版社, 1997.