CN102809686A - 扫频源瞬时频率检测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扫频源瞬时频率检测方法，涉及微波技术领域，包括：S1：将扫频源输出的扫频信号调制到光场上，并将调制后的信号分成两路；S2：采用周期性编码序列调制第一路信号，得到第一路信号和周期性编码序列的拍频信号，并对所述拍频信号进行低通滤波；同时采用参考微波信号调制第二路信号，得到第二路信号和参考微波信号的拍频信号，并对所述拍频信号进行低通滤波；S3：同步采样低通滤波后的第一拍频信号和第二拍频信号，并根据采样信号计算得到扫频源瞬时频率。本发明还公开了一种扫频源瞬时频率检测系统。本发明能够检测超宽带扫频源瞬时频率，而且成本低。

Description

扫频源瞬时频率检测方法与系统

技术领域

本发明涉及微波技术领域，特别涉及一种扫频源瞬时频率检测方法与系统。

背景技术

理想情况下，扫频源是输出射频频率随时间线性变化的一种微波源。扫频源广泛用于各种场合，例如：在频率调制连续波雷达系统中作为信号发生器；在频谱仪中作为频率参考本振；在激励输入/响应测量中作为激励源等。在每个扫频周期中，扫频源输出频率随时间的变化基本是固定的。但是，由于扫频源本身电路的非理想性，其输出的频率随时间变化是非线性的，并且存在由于电路频带切换导致的扫描中断故障。也即，扫频信号的频率不是连续地扫描，而是扫描一段时间，中断一段时间，然后继续扫描，如此若干次；并且扫描信号的这种扫描、中断规律保持固定并不断重复。所以，为了得到理想的工作性能，必须对扫频源一个扫频周期中输出频率随时间变化的规律进行测量，这种输出规律包括每个时刻的瞬时频率以及扫频过程中的中断开始和结束时间。

目前，对扫频源的校准技术主要基于电测量。例如可以使用实时采样示波器对输出频率采样记录，然后对采样数据进行分析得到每时每刻的输出瞬时频率和中断故障情况。

还可以使用包络检波电路滤掉扫频源输出的高频分量，只保留低频或者直流部分，这样就可以检测出扫频源输出在何时中断和中断持续的时间。

上述的实时采样示波器的检测方法，受制于示波器的带宽，一般只能到10GHz以下。可是扫频源的瞬时频率往往能达到40GHz甚至更高。如此高的瞬时频率已经超过了目前ADC的最高带宽，因此还必须配备价格昂贵的高频混频器和本振微波源，成本很高。采用包络检波电路虽然可以检测扫频源在整个频段输出的故障情况，但是不能测量瞬时输出频率，因此不能实现完全校准。

总的来说，目前的方法无法低成本地实现超宽带扫频源瞬时输出频率和故障的同时检测。并且，在对测量的实时性要求比较高的场合，上述方法的性能都不够好。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何检测超宽带扫频源瞬时频率。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种扫频源瞬时频率检测方法，包括以下步骤：

S1：将扫频源输出的扫频信号调制到光场上，并将调制后的信号分成两路；

S2：采用周期性编码序列调制第一路信号，经过光电转换得到扫频信号和周期性编码序列的第一拍频信号，并对所述第一拍频信号进行低通滤波；同时采用参考微波信号调制第二路信号，经过光电转换得到扫频信号和参考微波信号的第二拍频信号，并对所述第二拍频信号进行低通滤波；

S3：同步实时采样低通滤波后的第一拍频信号和第二拍频信号，并根据采样信号计算得到扫频源瞬时频率。

其中，所述步骤S1中，将激光器发出连续光和扫频源输出的扫频信号输入电光调制模块，以将所述扫频信号调制到光场上。

其中，所述周期性编码序列的码速率大于扫频信号扫频范围。

其中，所述周期性编码序列的重复频率与实时采样的采样速率相同。

其中，在扫频信号的一个连续扫频时间范围内，所述参考微波信号频率与所述连续扫频时间范围内任意一个扫频信号的频率值相等。

其中，低通滤波时的滤波带宽是同步采样速率的一半。

其中，低通滤波后的所述第一拍频信号f_beat和瞬时频率f_s之间的关系满足：

f_beat=|f_s-kΩ|

其中k是此时刻编码序列中距离f_s最近的那个频率的指数，Ω为编码序列的重复频率；

检测第二拍频信号，当第二拍频信号频率为0，由参考微波信号的频率f_r求解此时刻的k值，k=f_r/Ω，对第一路信号实时采样后的信号采用短时傅里叶变换进行处理得到f_beat，以根据以上的公式求解得到f_s。

本发明还提供了一种扫频源瞬时频率检测系统，包括：

连续激光源，用于发出连续激光；

第一电光调制模块，连接所述连续激光源，用于接收扫频源输出的扫频信号和所述连续激光，将扫频信号调制到连续激光的光场上，并将调制后的光信号分成两路；

第二电光调制模块，连接所述第一电光调制模块，用于接收第一路光信号，并采用周期性编码序列调制第一路光信号，得到调制后的第一路光信号；

第三电光调制模块，连接所述第一电光调制模块，用于接收第二路光信号，采用参考微波信号调制第二路光信号，得到调制后的第二路光信号；

第一光电探测器，连接所述第二电光调制模块，用于接收调制后的第一路光信号，以得到扫频源与周期性编码序列的第一拍频信号；

第二光电探测器，连接所述第三电光调制模块，用于接收调制后的第二路光信号，以得到扫频源与参考微波信号的第二拍频信号；

第一低通滤波器，连接所述第一光电探测器，用于滤除第一光电探测器输出光电流的高频分量，使其带宽和后续的实时采样模块的带宽相匹配；

第二低通滤波器，连接所述第二光电探测器，用于滤除第二光电探测器输出光电流的高频分量，使其带宽和后续实时采样模块的带宽相匹配；

实时采样模块，连接所述第一低通滤波器和第二低通滤波器，用于对两个光电探测其输出的光电流进行同步的实时采样；

数字信号处理模块，用于对实时采样模块采集到的信号进行计算得到扫频源瞬时频率。

（三）有益效果

本发明利用微波光子技术，具有极大的瞬时带宽，可以同时测量扫频源在每个时刻的瞬时频率和故障情况。所用光子学器件都是光通信中常用器件，成本较低。所用双通道实时采样示波器采样率低，成本低。系统仅包含一个双臂探测结构简单，没有复杂的电路设计，易于实现。

附图说明

图1是反映本发明的扫频源瞬时频率检测方法流程的器件连接结构图；

图2是扫频信号和编码序列拍频的频域原理图；

图3实时采样模块通道1采样数据短时傅里叶变换的能量谱；

图4是扫频源在0.5GHz-2.5GHz频段输出瞬时频率和时间的对应关系图；

图5是扫频源在2.5GHz-5GHz频段输出瞬时频率和中断故障。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本方案由一个连续光激光器(Light Source)，三个电光调制模块(第一电光调制模块AM-1、第二电光调制模块AM-2和第三电光调制模块AM-3)，一个参考微波源(Reference Signal)，两个光电探测器(第一光电探测器PD-1和第二光电探测器PD-2)，两个低通滤波器(第一低通滤波器LPF-1和第二低通滤波器LPF-2)和一个双通道低速实时采样模块(OSC)，实时采样模块的输出信号由一个数字信号处理模块处理得到最终的瞬时频率和中断故障检测结果。

连续激光源用于发出连续激光。第一电光调制模块AM-1连接所述连续激光源，用于接收扫频源输出的扫频信号和所述连续激光，将扫频信号调制到连续激光的光场上，并将调制后的光信号分成两路。第二电光调制模块AM-2连接所述第一电光调制模块AM-1，用于接收第一路光信号，并采用周期性编码序列调制第一路光信号，得到调制后的第一路光信号。第三电光调制模块AM-3连接第一电光调制模块AM-1，用于接收第二路光信号，采用参考微波信号调制第二路光信号，得到调制后的第二路光信号。第一光电探测器PD-1连接第二电光调制模块AM-2，用于接收调制后的第一路光信号，以得到扫频源与周期性编码序列的第一拍频信号。第二光电探测器PD-2连接所述第三电光调制模块AM-3，用于接收调制后的第二路光信号，以得到扫频源与参考微波信号的第二拍频信号。第一低通滤波器LPF-1连接所述第一光电探测器PD-1，用于滤除第一光电探测器PD-1输出光电流的高频分量，使其带宽和后续的实时采样模块的带宽相匹配。第二低通滤波器LPF-2连接所述第二光电探测器PD-2，用于滤除第二光电探测器PD-2输出光电流的高频分量，使其带宽和后续实时采样模块的带宽相匹配。实时采样模块OSC连接所述第一低通滤波器LPF-1和第二低通滤波器LPF-2，用于对两个光电探测其输出的光电流进行同步的实时采样。数字信号处理模块，用于对实时采样模块OSC采集到的信号进行计算得到扫频源瞬时频率。

测量步骤如下，激光器发出连续光，进入第一个调制器(AM-1)，扫频源输出的扫频信号通过AM-1调制到光场上。然后激光被分成两路，一路进入图1的上臂，在AM-2中被周期性伪随机二进制序列(PRBS)调制，被PD-1接收，然后通过LPF-1低通滤波，被实时采样模块的ADC-1通道采样；另一路进入图1的下臂，在AM-3中被参考微波信号调制，被PD-2接收，然后通过LPF-2低通滤波，被实时采样模块的ADC-2通道采样。两路信号在实时采样模块同时被采样。当得到两路采样信号后，采用瞬时频率估计算法，在信号处理模块上进行实时或者离线处理，得到扫频源的瞬时频率和故障信息。

测量装置的原理解释如下：

如图2所示，在AM-1处，连续光被扫频源输出的啁啾微波信号调制，所以AM-1输出的光场在载波的附近，会出现频率等于扫频源输出瞬时频率f_s的边带。在图1的上臂，当AM-2将周期性的PRBS码调制在光场上后，光载波的附近会又会出现一系列幅值相等，且相邻间隔等于PRBS码重复频率(Ω)的频率梳（PRBS码频域的性质）。由于根据信号的时域和频域对应关系，周期性PRBS码的频谱在0～f_code范围内幅度值最大，且比较平坦，而在此范围之外幅值将有较大衰落。为了得到较高的第一拍频信号信噪比，所以选择周期性PRBS码的码速率f_code大于扫频信号扫频范围。随着扫频源不断输出频率扫描的啁啾信号，在AM-2输出光场的频谱如图2所示，f_s不断扫过PRBS的频率梳。这一光场在PD-1被接收后，被转变成f_s和PRBS频率梳之间的拍频信号，通过第一低通滤波LPF-1，低通滤波时的滤波带宽是同步采样速率的一半，并且实时采样模块的同步采样速率需要等于PRBS码的重复频率。这是因为第一拍频信号是由扫频信号的瞬时频率和与其最近的PRBS码频率梳拍频产生的，所以它的带宽等于PRBS重复频率的一半，也即Ω/2。根据信号采样定律，为了保证信号的信息被完全记录，采样速率需要大于等于信号带宽的2倍，并且在ADC之前需要一个带宽等于信号带宽的抗混叠滤波器以保证得到的采样信号在频谱上不会混叠从而防止信号失真。而由于第二拍频信号中对测量有意义的部分都集中在0频分量附近，所以采用带宽等于Ω/2的低通滤波器也可以满足测量要求。第一低通滤波器LPF-1输出的拍频信号和瞬时频率f_s之间的关系为：

f_beat=|f_s-kΩ|(1)

其中，k是此时刻PRBS频率梳中距离f_s最近的那个频率的指数。之后的示波器则记录了每时每刻的拍频信号，从中可以算出f_beat，所以只要知道了扫频信号在一个连续扫频范围内任意一个时刻的k的值，就可以通过公式（1）算出此时刻f_s的值，进而根据公式（1）以及扫频信号频率连续变化的特性，推算出该连续扫频范围内其他时刻的扫频信号瞬时频率f_s。

推算的方法可以由附图3说明：在一个连续扫频时间段内，第一拍频信号的瞬时频率f_beat在0~Ω/2的范围内随时间锯齿状地不断减小、增大地重复。当f_beat处于一个先减小、再等于0、然后增大的过程中时，扫频信号的瞬时频率先接近距离它最近的那个PRBS频率梳，再频率和其相等、然后远离这个频率梳；在整个过程中，与扫频信号的瞬时频率最接近的频率梳始终不改变，所以公式（1）中的k值恒定；而由于扫频源在连续扫频，相邻两个锯齿形拍频信号所代表的扫频信号瞬时频率的k值相差1。这就是k值在连续扫频时间段内变化的规律。所以，只要知道了连续扫频时间段内任意一点的瞬时频率，利用上面所述的k值变化规律，就能推算出整个连续扫频时间段内所有的瞬时频率。

k的值通过图1中下臂的参考信号获得。下臂信号的调制和上面讲到的原理基本相同，但是参考微波信号是频率已知且不随时间变化的f_r，f_r等于扫频信号在一个连续扫频时间范围内输出的任意一个扫频信号的频率值。当f_s在扫描过程中扫过参考频率f_r时，它们的拍频频率将逐渐接近0，等于0，然后离开0（即零频或直流）。所以，通过第二低通滤波器LPF-2可检测到f_s和f_r的拍频，就能知道f_s在何时等于f_r，也即拍频等于0的时刻，进而算出此时的k值：

k=f_r/Ω    (2)

另一方面，因为f_s的变化是分段连续的，所以只要知道了一个时刻的k值，这个时刻所在的连续扫频范围内其它时刻的k值也就可以根据公式（1）和上面提到的推算方法计算出来了。

在得到实时采样的上、下臂信号后，需要在数字信号处理模块使用短时傅里叶变换对采样数据进行处理，以求得公式（1）中的f_beat。具体做法是对实时采样模块通道1的采样数据f(t)在时域乘以一个窗口函数g(t)，g(t)被频率ξ调制并被时域平移到u，然后对乘积积分，得到f(t)的短时傅里叶变换Φf(ξ，u)，也即：

$\mathrm{\Φ}(\mathrm{\ξ},u)={\∫}_{+\∞}^{-\∞}f\left(t\right)g(t-u)e^{j2\mathrm{\π\ξt}}\mathrm{dt}---\left(3\right)$

Φ(ξ，u)的能量谱，|Φ(ξ，u)|²在每个时刻的局部最大值点的位置所对应的（时间、频率）坐标就是这一时刻的瞬时频率值f_beat。最后根据公式（1），通过简单的平移和拼接，就能得到扫频源的输出瞬时频率随时间变化的规律。

下面以具体实例说明本发明

实例1：检测扫频源（Agilent E8257D）在500MHz~2.5GHz范围内输出的瞬时频率和故障情况。如图1所示，所用N-bit PRBS码元速率f_PRBS=6.35GHz，码长N=127位，对应PRBS码的重复频率为f_repetition=6.35GHz/127=50MHz。低通滤波器LPF-1和LPF-2带宽为B=25MHz，实时采样模块为一个双通道实时采样示波器，每个通道采样速率50MS/s。实例中参数的选择需要保证采用的N-bit PRBS码元速率f_PRBS大于待测扫频信号的扫频范围B_s，N-bit PRBS码信号重复频率f_repetition(f_repetition＝f_PRBS/N)等于ADC采样速率f_ADC，通道1和通道2低通滤波器的带宽B_LPF为f_ADC/2。上述要求用公式可以表示如下：

f_PRBS>B_s                (4)

f_repetition=f_PRBS/N=f_ADC(5)

B_LPF=f_ADC/2(6)

图3所示为实时采样模块通道1短时傅里叶变换的能量谱，图中亮线的位置即代表扫频源的瞬时频率。对图3的能量谱的每个时刻求局部最大值，最大值所对应的（时间，频率）坐标表示的就是这个时刻和其对应的f_beat值。通过在图1的下臂选择不同频率的参考微波信号，可以确定公式（1）中k值，进而得到瞬时频率。然后经过平移和拼接，得到该扫频源在500MHz~2.5GHz频段瞬时频率和时间的对应关系如图4所示，该扫频源在扫描中有5处中断，扫描共用时130ms，而其中中断时间占30ms。通过图4可以精确知道扫描中任意时刻输出的瞬时频率或者中断故障情况。

实例2：检测扫频源（Agilent E8257D）在2.5GHz~5GHz范围内输出的瞬时频率和中断故障情况。所选实验参数和实例1中相同。通过实时采样模块通道1采样数据短时傅里叶变换后的能量谱和在图1中下臂输入不同频率的参考信号，按照实例1中相同的步骤，得到该扫频源输出的瞬时频率和中断故障情况如图5所示，如图5可知扫频源在改频段工作时一个扫频周期为44ms，而其中中断时间占21ms。可以知道在扫描的任意时刻输出的瞬时频率和中断故障情况。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种扫频源瞬时频率检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将扫频源输出的扫频信号调制到光场上，并将调制后的信号分成两路；

S2：采用周期性编码序列调制第一路信号，经过光电转换得到扫频信号和周期性编码序列的第一拍频信号，并对所述第一拍频信号进行低通滤波；同时采用参考微波信号调制第二路信号，经过光电转换得到扫频信号和参考微波信号的第二拍频信号，并对所述第二拍频信号进行低通滤波；

S3：同步实时采样低通滤波后的第一拍频信号和第二拍频信号，并根据采样信号计算得到扫频源瞬时频率。

2.如权利要求1所述的扫频源瞬时频率检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，将激光器发出连续光和扫频源输出的扫频信号输入电光调制模块，以将所述扫频信号调制到光场上。

3.如权利要求1所述的扫频源瞬时频率检测方法，其特征在于，所述周期性编码序列的码速率大于扫频信号扫频范围。

4.如权利要求1所述的扫频源瞬时频率检测方法，其特征在于，所述周期性编码序列的重复频率与实时采样的采样速率相同。

5.如权利要求1所述的扫频源瞬时频率检测方法，其特征在于，在扫频信号的一个连续扫频时间范围内，所述参考微波信号频率与所述连续扫频时间范围内任意一个扫频信号的频率值相等。

6.如权利要求1所述的扫频源瞬时频率检测方法，其特征在于，低通滤波时的滤波带宽是同步采样速率的一半。

7.如权利要求1所述的扫频源瞬时频率检测方法，其特征在于，低通滤波后的所述第一拍频信号f_beat和瞬时频率f_s之间的关系满足：

f_beat=|f_s-kΩ|

其中k是此时刻编码序列中距离f_s最近的那个频率的指数，Ω为编码序列的重复频率；

检测第二拍频信号，当第二拍频信号频率为0，由参考微波信号的频率f_r求解此时刻的k值，k=f_r/Ω，对第一路信号实时采样后的信号采用短时傅里叶变换进行处理得到f_beat，以根据以上的公式求解得到f_s。

8.一种扫频源瞬时频率检测系统，其特征在于，包括：

连续激光源，用于发出连续激光；

第一电光调制模块，连接所述连续激光源，用于接收扫频源输出的扫频信号和所述连续激光，将扫频信号调制到连续激光的光场上，并将调制后的光信号分成两路；

第二电光调制模块，连接所述第一电光调制模块，用于接收第一路光信号，并采用周期性编码序列调制第一路光信号，得到调制后的第一路光信号；

第三电光调制模块，连接所述第一电光调制模块，用于接收第二路光信号，采用参考微波信号调制第二路光信号，得到调制后的第二路光信号；

第一光电探测器，连接所述第二电光调制模块，用于接收调制后的第一路光信号，以得到扫频源与周期性编码序列的第一拍频信号；

第二光电探测器，连接所述第三电光调制模块，用于接收调制后的第二路光信号，以得到扫频源与参考微波信号的第二拍频信号；

第一低通滤波器，连接所述第一光电探测器，用于滤除第一光电探测器输出光电流的高频分量，使其带宽和后续的实时采样模块的带宽相匹配；

第二低通滤波器，连接所述第二光电探测器，用于滤除第二光电探测器输出光电流的高频分量，使其带宽和后续实时采样模块的带宽相匹配；

实时采样模块，连接所述第一低通滤波器和第二低通滤波器，用于对两个光电探测其输出的光电流进行同步的实时采样；

数字信号处理模块，用于对实时采样模块采集到的信号进行计算得到扫频源瞬时频率。

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