CN101351713B - 使用谱图的时间-频率代码检测 - Google Patents

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Abstract

通过在数字存储示波器中使用谱图产生软件，检测跳频信号的跳频模式。通过使用谱图，可以确定跳频模式，而不必解调信号、恢复载波的相位或频率、确定最佳采样定时、或确定系统定时。相对于已知跳频模式以及相对于数据块的相关符号的持续时间分析包含跳频模式的至少一个重复的数据块。

Description

使用谱图的时间-频率代码检测
技术领域
本发明通常涉及测试和测量仪器的领域，并且具体地涉及在数字存储示波器中使用谱图(spectrogram)。
优先权要求
根据35U.S.C.119(e)，本专利申请要求2005年11月03日提交的题为“DETECTION OF TIME-FREQUENCY CODES USING A SPECTROGRAM”的并且转让给与本专利申请相同的实体的美国临时专利申请序列号No.60/733,391的优先权，以及2005年10月23日(卡梅伦)提交的题为“DETECTION OF TIME-FREQUENCY CODES USING A SPECTROGRAM”的并且转让给与本专利申请相同的实体的美国专利申请序列号No.11/585,509的优先权。
背景技术
很多现代通信系统采用在时域和频域内均具有有效信息的信令模式。传统地在某些频谱分析器上可用的一种有效工具是谱图，其可用于同时观察时域和频域。谱图具有用于时域的一个坐标轴和用于频域的一个坐标轴，并且使用颜色来表示功率水平。
使用跳频模式的一个系统是WiMedia Alliance(以前被称为多频带OFDM联盟(MBOA))格式，其一个示例是无线USB信号。由WiMedia信号使用的跳频模式被称为时间-频率代码(TFC)，并且存在两种类型的模式。第一种类型被称为时间频率交错(TFI)，并且包括在频带群(bandgroup)的三个频带之间的各个模式中跳跃的信号。第二种类型被称为固定频率交错(FFI)，其中信号不跳跃，而是停留在一个频带中。TFC代码的长度是6个符号(symbol)，因此其在数据包内至少重复几次。每个频带是528MHz宽并且在由WiMedia定义的第一频带群中有三个频带。因此，总信号差不多是1.6GHz宽。
传统地，频谱分析器被用于产生谱图。然而，对于分析超宽带信号而言，由于频谱分析器的实时带宽非常有限，必须使用示波器来捕获信号。如果示波器具有计算并显示谱图的能力，这种算法可以获得该输出并且确定时间-频率代码。如果在示波器上没有可用谱图，将必须用可以提供谱图的工具(MATLAB是一个示例)对所捕获的数据进行后处理。
虽然对于检查具有时间和频率信息的信号，谱图是非常有用的工具，但其是一种通用工具并且不能提供诸如时间-频率代码的信号参数的自动检测。
通过解调信号并解码WiMedia信号的前同步码和报头，消费者的收音机可以确定接收的信号上的TFC代码。测试及测量设备也可以通过这种方式确定TFC代码，但是这种方法将涉及用于解调信号并解码报头中信息的定制软件程序。
由于诸如无线USB收音机的消费者设备不具有直接连接到测试及测量设备的能力，解决方案还必须能够在停播信号(off-the-air signal)上工作。然而，原型收音机(prototype radio)将具有直接连接选项，因此该解决方案需要在两种情况中正确工作。
发明内容
通过在测试及测量仪器，特别是数字存储示波器中，使用谱图产生软件，检测跳频信号的跳频模式。通过使用谱图，可以确定跳频模式，而不必须解调信号、恢复载波的相位或频率、确定最佳采样定时(sampletiming)、或确定系统定时。相对于已知跳频模式并且相对于数据块的相关符号的持续时间，分析包含跳频模式的至少一个重复的数据块。
附图说明
图1示出对理解本发明有用的流程图。
图2示出根据本发明的屏幕显示。
图3示出根据本发明的另一个屏幕显示。
图4以简化框图形式示出适于与本发明一起使用的示波器。
具体实施方式
对于该特定描述的实施例，跳频系统是使用ODFM的WiMediaAlliance(WiMedia)格式，其中OFDM表示正交频分多路复用。WiMedia信号是已经被选为无线USB通信系统的物理层的超宽带(UWB)信号。下面给出的描述使用WiMedia物理层的术语，但是对于具有已知跳频模式的其他跳频系统(包括窄带和/或非OFDM系统)，本发明同样有效。
这里认识到，谱图的正常输出可以被用于确定使用的是一组时间频率代码的哪个时间-频率代码。时间-频率代码的确定是通过利用调制格式的具体参数的先前存储的知识(即相关数据)，所述知识具体地是指每个波段的频率位置、可能的时间频率代码以及每个符号的持续时间。
有利地，本发明不需要解调信号就可以确定时间-频率代码(TFC)。结果，不需要进行误差校正或均衡。注意到当根据本发明确定TFC时，不需要恢复RF载波的相位和频率、恢复最佳符号定时、或确定任何成帧信息(framing information)。而且，即使没有捕获完整数据包，或即使数据包的前同步码和报头不存在，本发明允许检测正确运行。然而，为了根据本发明的TFC的正确确定，信号长度必须至少与时间-频率代码一样长，对于WiMedia Alliance(WiMedia)信号而言，该时间-频率代码是6个符号。
WiMedia使用称为时间-频率代码(TFC)的跳频模式，其中某些模式在频带之间跳跃而某些固定在单一频带。本发明的算法返回检测的时间-频率代码，不管其是否跳跃，以及在时间-频率代码的持续时间内符号所处于的频带。
参考图1的流程图100，在步骤102进入该算法并且该算法前进到步骤104，在步骤104中计算WiMedia信号的谱图。随后程序前进到步骤106，在该步骤计算当前采样率的符号长度(单位为时间)。
在图2中的显示屏200上示出了停播WiMedia信号的谱图205的示例。谱图205示出正根据设定模式跳频的信号。在三个栏中显示该信号。在谱图205底部的x-轴图例示出，最左侧栏信号对应大约3.5GHz的频率；中间栏信号对应大约4GHz的频率；最右侧栏信号对应大约4.5GHz的频率。
谱图205左侧的y-轴图例(即时标)表示以毫秒(μs)为单位的时间。因此，从谱图205中示出的示例可以看出，在不到1μs内，频率在3.5GHz的信号跳跃到4GHz，并随后跳跃到4.5GHz，然后重复该过程。
颜色图例210从上到下显示可见光的色谱。即，阴影区域212表示红色；阴影区域213表示橙色；阴影区域214表示黄色；阴影区域215表示绿色；阴影区域216表示蓝色；而阴影区域217表示紫色。本领域技术人员将认识到，任何两种颜色的接合(interface)产生作为这两种颜色的组合的颜色。例如，蓝色和绿色区域的接合将是青色，但是由于黑白绘图的限制，不能以这里的方式显示。靠近颜色图例210的y-轴图例示出，当应用于在谱图205的信号栏内显示的波形时，各种颜色表示相对功率水平。就是说，蓝色波形表示低功率信号而红色波形表示高功率信号。再一次，不幸
Figure S200680050187XD00042
的是，这在黑白绘图中不能被容易表达。
假定图2的谱图205的所有显示的波形(即信号或符号)具有红色、红橙或橙色色调。在该情况中，由于符号被显示为周期性地改变频率的红色、红橙或橙色块，本领域技术人员应该知道，他正在观察具有强信号电平(即大约在噪声电平之上20db)的跳频信号。在图2中，软件已经自动将信号向下降频并将其重采样到略为宽于信号带宽的带宽上，不过为了让检测算法正确工作，这不是必需步骤。
回到图1的流程图，一旦已经计算谱图，程序前进到步骤108，以便将频带群位置(在WiMedia物理层描述中提供的每个波段的开始和停止频率)的绝对频率映射(即转变(translate))到谱图的数字频率。这可以通过知道到谱图的输入的采样率而确定。
为了实现该映射(mapping)功能，程序将数据包长度确定为样本数量。在需要考虑几个因素。第一，这仅能近似完成，由于通常采样率不是WiMedia符号率的整数倍，因此WiMedia符号的长度不是整数个符号。
第二，由于谱图产生程序没有试图确定最佳采样定时或恢复成帧信息，特定的快速傅立叶变换(FFT)(谱图中的频率切片(frequencyslice))将不能与数据包的开始对准，因此包括来自符号(在该情况中为OFDM符号)的有效(active)信号的第一FFT也将包括无效(inactive)信号的某些部分，并且无法得知信号变为有效之前的时间长度。
第三，既由于我们还没有恢复符号定时，也由于(样本中)符号长度不是FFT长度的整数倍，包括来自符号的有效信号的最后FFT也将包括无效信号。
第四，谱图可以与其FFT重叠，使得两个相邻FFT不是独立的，而是在一定比例的共享数据上(小于100％的从0到1样本的任何值)计算的。在给定时间间隔上计算FFT。如果使用FFT的重叠，由于我们正前进到小于为FFT计算设定的时间间隔的时间间隔的数据记录，那么在单个符号期间将进行更多的FFT。符号长度的估计需要考虑在估计符号中出现多少样本中重叠的量。
通过仅在数据包的中间部分进行计算，然后跳过一个符号的末端、符号之间的保护间隔、以及下一个符号的开始，该算法考虑在估计数据包长度中的所有这些问题。
既然我们已经将WiMedia信号的绝对值映射到由谱图表示的数字化等同物中，程序前进到步骤110，以通过合并每个频带中的功率(也称为在谱图分析器上的通道功率测量)来计算每个频带中的功率。由于我们没有恢复RF载波的频率，可能在信号中存在频率偏移，但是在计算通道功率方面这种偏移是不重要的。
在步骤112，通过确定FFT在一个波段内比在另一个波段具有大得多的功率的第一时间，找到第一有效符号。如果我们正在测量信号的无效部分，存在的只是噪声，该噪声在频带上具有大致相等的功率水平。一旦存在信号，其中一个频带将具有比其他信号更多的能量。因此，通过检测FFT在相对于其它两个波段的一个波段中具有一定的功率水平的第一时间，我们确定我们已经找到符号的开始。
由于除了直接连接的信号之外我们希望能够测量停播的WiMedia信号，信号电平变得重要。也就是说，根据定义，辐射的WiMedia信号的功率水平趋向于在噪声内，因此可能难以将噪声和信号区分开。由于在信号和无线电的固有噪声电平(noise floor)之间有足够的区别，可以在信号和噪声之间观察到清楚的区别，因此这对于直接连接的信号不是特别的问题。应该注意的是，对于天线几乎临近的停播信号，信号电平也可能是相对较强的，如图2所示。
已经在前面参考图2描述了图3的全部元素，不需要再次详细描述。图3示出表示在其中与图2的谱图205的情况相比已经进一步移开发射和接收天线的情况的谱图205。在该方面，需要注意的是，与图2的颜色图例210相比，图3的颜色图例210的范围已经在功率水平方面向下移动。
在图3的谱图205中，可以看出，信号电平已经明显下降，使得找到的最强信号仅在噪声之上5db，而不是在噪声电平之上20db。除此之外，相对于最左栏的内容，最右两栏的“减弱(faded)”显示表示，与较低频率相比，在较高频率下信号被更加严重地衰减。不仅所示最高频带几乎完全在噪声中，而且现在在有效符号之间存在可观察的相对功率差异，所述功率差异取决于它们碰巧占据的波段。对于直接连接信号的情况，唯一可观察的功率差异是具有功率的波段和噪声之间的差异。也就是说，不管其占据哪个波段，有效的直接连接的信号在基本相同的功率水平。
本算法在四个可能的信号电平之间进行阀值比较，以确定哪个是有效的而哪个是无效的，并且考虑到波段之间的相对差异。“四个可能的信号电平”是在三个波段的其中一个中的有效信号的三个可能不同的电平和仅具有噪声的波段的“信号电平”。
再次返回到图1，一旦在步骤114中已经找到第一符号的开始，该算法(在步骤116)检查在时间-频率代码内的其余符号(对于WiMedia，在每个代码内有6个OFDM符号)，以确保对于至少一个TFC代码的持续时间信号是有效的。这是必须的，由于算法没有假定在数据包的开始触发示波器，因此记录中的第一有效符号可能在数据包的末端，并且可能没有足够的符号形成完整TFC。如果，在步骤118，该算法确定没有找到完整的TFC，其开始从该点向前(即从步骤120回到步骤112循环)搜索下一个有效符号。如果，在步骤120，该算法确定在整个数据记录内没有找到完整的TFC，那么其前进到步骤130，在该步骤其报告没有检测到TFC，并在步骤132退出。
由于该算法不恢复数据包定时以及由于不要求在数据包的开始触发，找到的第一有效符号可能不在TFC模式的开始。例如，找到的第一有效符号可能在从第一位置到第六位置的6个符号中的任何地方。因此，当比较信号模式时，我们必须考虑所有可能的时移，使得
Figure S200680050187XD00061
如果例如检测到{f2、f3、f1、f2、f3、f1}的跳频模式，该算法正确报告该跳频模式是TFC1。
如果在步骤118检测到完整、有效的TFC，随后程序前进到步骤122以估计模式。这可以通过在每个符号期间选择具有最强通道功率的符号(如上所述，我们仅使用符号的中间部分用于该计算)而实现。然后将最强波段的模式与在WiMedia物理层标准中规定的可能跳频模式相比较。如果不能发现准确匹配(步骤126)，该算法报告没有检测到TFC。
如果在检测到的跳频模式和来自WiMedia物理层标准的有效模式之间做出准确匹配(步骤126)，那么在步骤128，该算法回报TFC模式的数量(在1和7之间)、该模式是否跳跃的指示(对于跳频的时间频率交错(TFI)或对于非跳频的固定频率交错(FFI))、以及跳频模式(TFC1的{f1、f2、f3、f1、f2、f3}、TFC2的{f1、f3、f2、f1、f3、f2}、等等)。
再次参考图2，需要注意的是，在显示屏200内谱图205之上的区域中显示检测到的TFC(即TFC1)。还需要注意的是，紧接着在显示的TFC下面显示时间频率交错(TFI)的检测形式(即f1、f2、f3、f1、f2、f3)。
图4示出适于与本发明一起使用的数字存储示波器(DSO)400的高级且简化框图。示波器400包括用于从用户电路接收待测信号(SUT)的输入连接器402。虽然为了简单起见示出为单个连接器，输入402实际上包括n个输入通道(其中n是任何合理数字，但通常是4、2、4或8)。将n条信号线应用到表示示波器的“前端”的输入框405，其包括缓冲放大器、衰减电路和用于调节输入信号的相似装置。输入框405具有用于向触发框450的第一输入454提供信号的第一输出407，以及用于向采集系统410提供经过调节的输入信号的第二输出端子409。采集系统410包括跟踪保持电路、A/D转换器和循环采集存储器(未示出)，用于重复采集信号样本，将信号样本转换为数字形式，并且在其循环采集存储器内存储信号样本。触发框450具有耦合到外部触发输入连接器(External Trigger-in connector)401的第二输入452，当需要时，选择外部触发输入连接器401来接收外部施加的触发信号，如果有的话。触发框450包括用于选择内部或外部触发信号的触发信号选择开关(未示出)，并且还包括用于检测特殊触发事件的触发比较器阵列(同样未示出)。
触发信号选择开关和触发比较器在控制器460的控制下运行，如根据现有技术已知的那样。在该方面，触发框450具有耦合的用于从控制器460接收表示阀值的信号的第三输入456。触发框450的触发比较器可由用户编程以检测许多不同的触发条件。在检测到预定触发条件时，触发框450产生输出信号，并且将该输出信号耦合到采集系统410以将输入信号的特定部分与触发事件相关联。有利地，触发比较器单元450还包括可以由用户通过面板控制或菜单选择而选择的各种耦合布置(即DC耦合、AC耦合、高频排斥(high frequency reject)等等)。本领域技术人员将认识到触发框450还包括某些斜率控制。
响应于触发事件的检测，采集电路410继续采集某些预定数量的样本的触发后(post-trigger)数据，然后停止。此时，可以将采集的数据移动到波形存储器420，并且可以由波形处理系统430处理该数据用于在显示设备440上显示。
如前面指出的那样，为了易于解释，图4的框图是高级的并且是简化的。例如，本领域技术人员可以理解，可以由如图所示的单个控制器执行控制器460的功能，或者如果需要的话，该功能可以在两个或更多个控制器之间分配。因此，可以在单个控制器460内或在可以以微处理器、ASIC、FPGA等形式实现的若干控制器的其中一个内执行图1所示的算法，也可以在波形处理系统430内由包含的专用的微处理器、ASIC、FPGA等执行该算法。随附权利要求书的范围打算覆盖所有上述实施例。

Claims (24)

1.一种适于检测跳频信号的跳频模式的示波器，包括：
用于接收待测信号的输入；
用于采样所述待测信号、生成数字信号样本并将所述数字信号样本存储在采集存储器中的采集单元；
用于处理所述数字信号样本的波形处理电路；
用于存储所述经过处理的数字信号样本的波形存储器；
用于显示所述经过处理的数字信号样本的表示的显示装置；以及
用于控制所述采集单元、所述波形处理电路和所述显示装置的控制器；其中
所述控制器控制根据所述数字信号样本的谱图的计算、所述待测信号的时间-频率代码的估计、所述估计的时间-频率代码是否与已知时间-频率代码匹配的确定，以及所述时间-频率代码在显示屏上的显示。
2.权利要求1所述的示波器，其中所述控制器被编程，以执行根据所述数字信号样本的所述谱图的所述计算、所述待测信号的所述时间-频率代码的所述估计、所述估计的时间-频率代码是否与所述已知时间-频率代码匹配的所述确定，以及所述时间-频率代码在所述显示屏上的显示。
3.权利要求2所述的示波器，其中所述控制器被进一步编程，以检测所述待测信号的时间频率交错模式，以及在所述显示屏上显示所述时间频率交错模式。
4.权利要求3所述的示波器，其中所述控制器被进一步编程，以在所述显示屏上显示所述谱图。
5.权利要求4所述的示波器，其中所述控制器被进一步编程，以计算所述待测信号的符号的功率水平，以及在所述显示屏上的所述谱图中显示所述功率水平的指示。
6.权利要求4所述的示波器，其中以颜色指示所述待测信号的所述符号的所述功率水平。
7.权利要求2所述的示波器，其中所述控制器被进一步编程，以检测所述待测信号的固定频率交错模式，以及在所述显示屏上显示所述固定频率交错模式。 
8.权利要求7所述的示波器，其中所述控制器被进一步编程，以在所述显示屏上显示所述谱图。
9.权利要求8所述的示波器，其中所述控制器被进一步编程，以计算所述待测信号的符号的功率水平，以及在所述显示屏上的所述谱图中显示所述功率水平的指示。
10.权利要求9所述的示波器，其中以颜色指示所述待测信号的所述符号的所述功率水平。
11.权利要求1所述的示波器，其中所述控制器控制所述波形处理电路，以执行根据所述数字信号样本的所述谱图的所述计算、所述待测信号的所述时间-频率代码的所述估计、所述估计的时间-频率代码是否与所述已知时间-频率代码匹配的所述确定以及所述时间-频率代码在所述显示屏上的显示。
12.权利要求11所述的示波器，其中所述控制器控制所述波形处理电路，以检测所述待测信号的时间频率交错模式，以及在所述显示屏上显示所述时间频率交错模式。
13.权利要求12所述的示波器，其中所述控制器控制所述波形处理电路，以在所述显示屏上显示所述谱图。
14.权利要求13所述的示波器，其中所述控制器被进一步编程，以计算所述待测信号的符号的功率水平，以及在所述显示屏上的所述谱图中显示所述功率水平的指示。
15.权利要求14所述的示波器，其中以颜色指示所述待测信号的所述符号的所述功率水平。
16.权利要求11所述的示波器，其中所述控制器控制所述波形处理电路，以检测所述待测信号的固定频率交错模式，以及在所述显示屏上显示所述固定频率交错模式。
17.权利要求16所述的示波器，其中所述控制器控制所述波形处理电路，以在所述显示屏上显示所述谱图。
18.权利要求17所述的示波器，其中所述控制器被进一步编程，以计算所述待测信号的符号的功率水平，以及在所述显示屏上的所述谱图中显示所述功率水平的指示。
19.权利要求18所述的示波器，其中以颜色指示所述待测信号的所述符号的所述功率水平。 
20.一种在用于检测跳频信号的跳频模式的数字存储示波器中使用的方法，包括下述步骤：
a.采集所述信号的样本；
b.根据所述信号样本计算谱图；
c.计算所述信号的符号的符号长度；
d.将绝对频带映射到离散频率；
e.对于每个频率切片计算每个频带中的功率；
f.计算所述符号中的功率；
g.对于每个有效符号重复步骤c到f；
h.确定整个时间-频率代码是否是有效的，如果是，估计当前时间-频率代码；
i.将所述估计的时间-频率代码与表示所有可能的时间-频率代码的存储的数据相比较；
j.在所述示波器的显示屏上显示匹配的时间-频率代码。
21.权利要求20所述的方法，还包括下列步骤：
k.检测所述信号的时间频率交错模式；以及
i.在所述显示屏上显示所述时间频率交错模式。
22.权利要求21所述的方法，还包括下列步骤：
m.在所述显示屏上显示所述谱图。
23.权利要求20所述的方法，还包括下列步骤：
n.检测所述信号的固定频率交错模式；以及
o.在所述显示屏上显示所述固定频率交错模式，其中步骤n直接跟随步骤j。
24.权利要求23所述的方法，还包括下列步骤：
p.在所述显示屏上显示所述谱图。 
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