CN105745550B

CN105745550B - 模拟至信息转换器

Info

Publication number: CN105745550B
Application number: CN201480055771.9A
Authority: CN
Inventors: 罗曼·拉比诺维奇; 鲍里斯·奥克兰德; 阿萨夫·兹维兰
Original assignee: EIM DISTRIBUTION Ltd
Current assignee: EIM DISTRIBUTION Ltd
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2019-03-15
Anticipated expiration: 2034-10-07
Also published as: JP2016540232A; WO2015052713A1; US20160252552A1; BR112016007794A2; EP3055704A4; EP3055704B1; CN105745550A; EP3055704A1; IL228776A0; ZA201602497B; JP6389527B2

Abstract

一种针对超宽带宽中的RF信号来识别频谱并且提取频谱特征的方法，该方法包括以下步骤：(a)获得要进行分析的所述RF信号；(b)对所获得的所述信号进行高通滤波；(c)将经高通滤波的所述信号数字化；以及(d)对经数字化的所述信号进行分析。该方法还包括频谱压缩(SC)的步骤，频谱压缩(SC)包括：将经高通滤波的所述信号分路至两个信道；以及对所述信道中的一个信道内的所述信号进行相位实时延迟调制(移动)。

Description

模拟至信息转换器

技术领域

本发明涉及信号处理，更具体地，涉及针对在超宽频率带宽内的RF信号来测量信号特征的方法。

背景技术

频谱感测对于许多民用和军事应用例如认知无线电应用、实时频谱分析器应用、电子支援措施(ESM，electronic support measure)应用或者雷达警告接收器(RWR，radarwarning receiver)应用而言是受关注的问题。这些领域中的主要挑战是截获、研究并且导出在宽的频率带宽内的复杂RF信号的特征的能力。多数当前最先进的系统利用下转换，下转换之后的由模拟-数字转换器(ADC)进行的采样以及在时域和频谱域中的数字处理。主要的限制由ADC的带宽和位深引起。ADC在采样速度以及因此在分析带宽方面受到限制。首先通过奈奎斯特-香农采样定理(Nyquist-Shannon sampling theorem)来描述这些限制。实际上，上述问题可以通过组合多个子系统来解决。每个子系统提供下转换、通过ADC进行的采样以及对分离的频带的分析。该设计的明显缺点是以高重量-大尺寸(high weight-dimension)和高成本为特征。另外，存储器存储问题出现，在奈奎斯特-香农采样定理的限制下对整个频谱进行采样引起要存储和处理的数字数据的暴涨。然而，在该情况下，信号的信息水平(information level)往往远低于实际带宽，这促使了开发更有效的采样方案例如模拟至信息(analog-to-information)。当前最先进的模拟至信息的方法利用具有先进信号处理和探试法的欠采样(以比奈奎斯特频率更低的频率进行采样)以恢复原始信号特征，这些欠采样方法是内在地有噪声的并且信号特征通常不能准确估计。

总之，已知技术在它们的对所关心的整个频谱带同时采样的能力方面受到限制。因此，存在长期未满足的需求——提供一种能够快速识别宽频带内的连续和脉冲RF信号的模拟至信息转换器。另一需求是针对滤波和在时间上重叠但是以不同频率发射的发射器间的区分的能力。

发明内容

因此，本发明的一个目的是公开一种针对超宽带宽内的RF信号进行频谱识别和特征提取的方法。前述方法包括以下步骤：(a)获得要进行分析的所述RF信号；(b)对所获得信号进行高通滤波；(c)将经压缩信号数字化；以及(d)对数字化的信号进行分析。

本发明的核心目的是提供进一步包括频谱压缩(SC，spectrum compression)的步骤的方法，频谱压缩(SC)还包括：将经高通滤波的所述信号分路至两个信道；对所述信道中的一个信道内的所述信号进行相位实时延迟调制(移动)并且将原始信号和经调制信号进行混合。

本发明的另一目的是公开相位实时延迟调制的步骤，所述相位实时延迟调制包括使用次波长增量(sub-wavelength increment)的线性调制引起多普勒频移其中，ν是由以数字方式控制的转换电路限定的线性范围调制的速度，c是光的速度，f_d是多普勒频移，以及F_c是载波频率。

本发明的又一目的是公开SC的步骤，SC的步骤包括将高频频谱线性映射至低频频谱带内。

本发明的再一目的是公开对数字化信号进行分析的步骤，其包括快速傅里叶变换。

本发明的另一目的是公开RF信号的模拟至信息转换器。前述转换器包括：(a)频谱压缩单元；(b)所获得的经压缩信号的数字转换器；以及(c)数字信号处理单元。

本发明的核心目的是提供频谱压缩单元，频谱压缩单元还包括：分路器，其被配置成将经高通滤波的信号分路至两个信道；相位实时延迟线，其布置在所述信道中的一个信道中；混合单元，其被配置成用于混合所述信道的下游的信号；以及低通滤波器，其被配置成对混合信号进行滤波。

本发明的另外的目的是呈现利用线性频谱压缩(LSC，linear spectrumcompression)实现方式的用于模拟至信息转换器的优化实现方式。线性模拟至信息实现方式还包括：分路器，其被配置成将经高通滤波的信号分路至两个信道；相位实时延迟，其布置在所述信道中的一个信道中；以及两个数字转换器(模拟-数字转换器)，所述两个数字转换器用于分别对每个RF信道进行采样。

本发明的进一步的目的是公开数字信号处理单元，其包括：针对每个单独的数字化信道的快速傅里叶变换；以及用于原始频率和经调制频率的交叉检测以及准确的频谱和时间信号特征的提取的算法处理。

本发明的另外的目的是呈现利用数字频谱压缩(DSC，digital spectrumcompression)通过完全数字的设计来导出频谱压缩的方法。数字模拟至信息实现方式还包括：分路器，其被配置成将经高通滤波的信号分路至两个信道；然后是两个数字转换器(模拟-数字转换器)，所述两个数字转换器用于分别对每个RF信道进行采样；以及特定的数字多普勒处理单元。

本发明的进一步的目的是公开数字信号处理单元，其以全数字控制的方式来生成准确的多普勒频移。该数字多普勒生成器(DDG，digital Doppler generator)处理的特征在于：预定的采样率、抽取程序、快速傅里叶变换以及对频谱的预定的归一化。

本发明的进一步的目的是公开转换器，该转换器被配置成用于选自包括以下应用的组中的至少一个应用：(a)超宽带宽实时频谱；(b)用于认知无线电的频谱感测和管理；(c)用于ESM系统的发射机识别和映射；以及(d)超宽带宽RWR系统。

附图说明

为了理解本发明并且明白其在实践中可以如何实现，现在参考附图仅通过非限制性示例来合适地描述多个实施例，在附图中：

图1为识别频谱并且提取频谱特征的方法的流程图；

图2为线性频谱压缩的优化方法的流程图；

图3为线性模拟至信息转换器的示意图；以及

图4为数字模拟至信息转换器的示意图。

具体实施方式

提供下面的描述，以使得本领域技术人员能够使用所述发明，并且阐述发明人构思的执行本发明的最佳模式。然而，各种修改对于本领域技术人员仍然是明显的，这是因为已经具体定义了用于提供分析RF信号的频谱特征的方法及用于实施该方法的设备的本发明的一般原理。

在从100MHz至18GHz的整个RF频谱内对发射器进行并行映射在当前是非常重要的任务。该任务的解决方案主要受限于并行频谱采样能力。

根据本发明，频谱带被压缩，使得发射器的频谱特征和空间布局保持原样。

本发明提供了在宽频带宽下对连续且突发的RF信号的识别能力。另外，本发明的模拟至信息转换器能够区分频谱特征不同、时间重叠的发射器。

现在参考图1，其呈现了识别发射器并提取频谱特征的方法200的流程图。根据本发明的示例实施例，在步骤210处对所获得的信号进行高通滤波。接着，将经高通滤波的信号分成两个信道(步骤220)。信道之一设置有相位实时延迟移相器。步骤230涉及向高频信号插入相位实时延迟。在步骤240处对原始信号与经调制信号进行混合。之后，在步骤250处对所获得的混合信号进行低通滤波，并在步骤260处对经低通滤波的混合信号进行数字化(模拟-数字转换)。在步骤270处对所获得的数字信号进行处理以识别发射机并提取其特征。根据本发明的一个实施例，使用快速傅里叶变换对所获得的数字信号进行处理。

该频谱压缩(SC)方法的特征在于以下公式：

积分时间为

其中

TTD_bit是对物理延迟的二元选择进行解码的位的数目。相位实时延迟具有2^TTD ^_bit个可选延迟。

Dopp_res是多普勒频率分辨率；

TTD_switching_rate是不同延迟值之间的转换速率，并且确定对信号执行的速度

指示每次产生多普勒频率的不同延迟值之间的一些转换的速度通过下式给出：

其中

TTD_span是可以在相位实时延迟中被选择的最大范围延迟。

Freq_span是根据奈奎斯特采样频率可以被该系统测量和/或压缩的最大载波频率带宽。

其中

Dopp_span是根据奈奎斯特采样频率可以通过该系统测量的最大多普勒频率带宽；以及

c是光速。

Freq_res是两个RF信号之间的允许这两个信号相区分的最小载波频差，或者等效地为载波频率的FFT表示的分辨率。

其中

TTD_res是可以在相位实时延迟中被选择的最小范围延迟，并且还是在线性延迟调制期间任意两个连续延迟(各个转换事件的延迟增量)之差。

为了克服混合器非线性的限制以及TTD_span与所测量的频率分辨率之间的限定关系，我们还呈现经优化的线性频谱压缩(LSC)实施。

现在参考图2，其呈现线性频谱压缩的优化方法300的流程图。根据本发明的示例性实施例，在步骤310处对所获得信号进行高通滤波。接着，将经高通滤波的信号分路至两个信道(步骤320)。信道之一设置有相位实时延迟移相器。步骤330涉及向高频信号插入相位实时延迟。在步骤340处分别对原始信号和经调制信号进行数字化(模拟-数字转换)。接着在步骤350处对所获得的两个数字信号进行处理，以识别发射器并提取其特征。根据本发明的一个实施例，使用快速傅里叶变换对所获得的两个数字信号进行处理，之后，对原始频率和经调制频率的交互检测和关联进行算法处理，并提取准确的频谱特征和时间信号特征。应注意，所呈现的实施方式提供频率信息的两个源，频率信息的两个源可以被融合在一起用于计算精确和无模糊的频率测量。频率信息的第一源是在经调制频率与原始频率之间的多普勒频移，其使得能够计算具有兆赫尺度分辨率的无模糊的频率测量(根据Freq_res等式)。频率信息的第二源是对原始频率的欠采样测量，原始频率与多普勒频移结合使得能够计算具有千赫尺度分辨率的无模糊的频率测量。

现在参考图3，其呈现模拟至信息转换器100的示意图，模拟-信息转换器100包括：高通滤波器10、相位实时延迟单元20、两个模拟-数字转换器30和40、以及数字信号处理单元50。

在高通滤波器10中对来自源(天线或其他)的信号进行高通滤波。接着，将经滤波的信号分路至两个信道。信道之一设置有能够插入线性延迟调制(理解为多普勒移动)的相位实时延迟单元20，该线性延迟调制定义为：

其中，ν是线性范围调制的速率，c是光速，f_d是多普勒频移，并且F_c是载波频率。

变量ν根据不同的物理延迟值之间的转换速率被计算机控制。上述延迟是借助于RF或光学延迟线之间的动态控制转换来实施。对于各个转换事件，所插入的延迟频移为约数个mm。

从而，从载波频率(F_c)至低多普勒频率(f_d)的线性映射被实施。参数K精确地表示原始频谱(GHz)与借助于相位实时延迟调制获得的经压缩频谱(MHz)之间的压缩率。应强调，上述转换保持发射器之间的频谱距离、发射器波形的总体结构和内部结构。

然后，在模拟-数字转换器30和40中分别对来自两个信道的信号F_c和F_c+f_d进行数字化，并且在数字信号处理单元50中对这两个数字化信号进行分析。

可替选地，可以以无需使用相位实时延迟单元(单元20)的完全数字化设计的方式来实施线性频谱压缩(LSC，linear spectrum compression)。为此目的，我们还呈现数字频谱压缩(DSC)实施方式。

现在参考图4，其呈现数字化模拟至信息转换器400的示意图，数字化模拟至信息转换器400包括：高通滤波器410、两个模拟-数字转换器420和430、以及数字信号处理单元440。

在高通滤波器410中对来自源(天线或其他)的信号进行高通滤波。接着，将经滤波的信号分路至两个信道中，在模拟-数字转换器420和430中分别对这两个信道进行数字化。将单元420和430处的采样率分别定义为f₁和f₂。在这两个模拟-数字转换器处的采样率之间的关系被定义为：

其中ν是期望的多普勒速率，c是光速，K是压缩率，并且f₁和f₂分别是单元420和430中的采样率。

将在单元420和430处产生的两个数字化信号分别定义为Y₁和Y₂。接着在数字信号处理单元440中对这些数字信号进行分析。

本发明的另一目的是公开在单元440处的数字信号处理，该数字信号处理被配置用于将Y₁抽取成与Y₂相等的长度，对各个分别数字化的信道进行快速傅里叶变换(F(Y₁)和F(Y₂))，以及通过下面的关系式对Y₂的频谱进行归一化：F(Y₂)*(1+K)。

我们要求以下权利：所提数字频谱压缩(DSC)实施方式等效于特征为线性频谱压缩(LSC)的模拟多普勒频率方法。该权利要求的基础依赖于下面的关系的数学等效。

将从模拟相位实时延迟单元20和模拟-数字转换器40产生的数字信号定义为W₁，则

其中F是输入信号频率，K是压缩率，n是数字采样指数，f₁是在LSC系统实施方式下的采样率，并且f₂＝f₁·(1+K)-¹是在DSC实施下在单元430中的所需采样率。对于该采样率，通过对Y₂进行快速傅里叶变换产生的欠采样(走样的)信号的频率可以表示为：

F(Y₂)＝F-N·f₂＝F-N·f₁·(1+K)^-1

其中N是f₂对F的最接近的复制，意味着N＝arg min_N(F-N·f₂)。

因此，在通过F(Y₂)*(1+K)对频谱进行归一化之后，我们得到

F(Y₂)·(1+K)＝F·(1+K)-N·f₁＝F(W₁)

意味着在被定义为F(W₁)由模拟相位实时延迟单元20和模拟-数字转换器40所产生的频谱映射之间，以及在通过在单元430处以速率f₂采样并对Y₂执行所建议的数字处理所产生的频谱映射之间存在等效。

各种应用例如超宽带宽度实时频谱系统、对于认知无线电的频谱感测和管理系统、对于ESM系统的发射机识别和映射系统、超宽带宽度RWR系统在本发明的范围内。

Claims

1.一种针对超宽带宽中的RF信号来识别频谱并且提取频谱的特征的方法，所述方法包括以下步骤：

a.获得要进行分析的所述RF信号；

b.对所获得的信号进行高通滤波；

c.将经高通滤波的所述信号数字化；

d.对经数字化的所述信号进行分析；

其中，所述方法还包括频谱压缩SC的步骤，所述频谱压缩还包括：将经高通滤波的所述信号分路至两个信道；对在所述信道中的一个信道内的所述信号进行相位实时延迟调制；所述进行相位实时延迟调制的步骤包括：使用次波长增量的线性调制引起多普勒频移其中，ν是由以数字方式控制的转换电路限定的线性范围调制的速度，c是光的速度，f_d是多普勒频移以及F_c是载波频率；所述SC的步骤包括：将高频频谱线性映射至低频频谱中；对经数字化的所述信号进行分析的步骤包括：将根据对原始频率的欠采样测量导出的频谱信息和所述原始频率与经调制频率之间的多普勒频移进行融合，以使得能够计算具有Khz尺度频率分辨率的无模糊的频率测量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将经高通滤波的所述信号数字化的步骤包括：将原始经高通滤波的信号、经压缩信号和/或经调制信号数字化。

3.根据权利要求1所述的方法，包括将原始信号和经调制信号进行混合的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，被配置成用于选自包括以下应用的组中的至少一个应用：

a.超宽带宽实时频谱；

b.用于认知无线电的频谱感测和管理；

c.用于ESM系统的发射机识别和映射；以及

d.超宽带宽RWR系统。

5.一种RF信号的线性模拟至信息转换器，所述转换器包括：

a.线性频谱压缩LSC单元；

b.两个数字转换器，所述两个数字转换器被配置成对所获得的原始信号和经调制信号进行采样；

c.数字信号处理单元；

其中，所述LSC单元还包括：分路器，所述分路器被配置成将经高通滤波的信号分路至两个信道；相位实时延迟线，所述相位实时延迟线被布置在所述信道中的一个信道中；所述数字信号处理单元包括：用于处理数字信号的快速傅里叶变换；然后是用于原始频率和经调制频率的交叉检测和关联以及对准确的频谱特征和时间信号特征的提取的算法处理。

6.一种RF信号的数字模拟至信息转换器，所述转换器包括：

a.两个数字转换器，所述两个数字转换器被配置成用于以两个特别调整的采样率对获得的信号进行采样；

b.数字信号处理单元；

其中，所述数字信号处理单元被配置成用于数字多普勒生成器处理，所述数字多普勒生成器处理的特征在于：预定的采样率、抽取程序、快速傅里叶变换以及对频谱的预定的归一化；所述数字转换器处的所述采样率之间的关系由以下给出：

其中，ν是期望的多普勒速度，c是光的速度，K是压缩率，以及f₁、f₂是所述采样率。

7.根据权利要求6所述的数字模拟至信息转换器，其中，所述两个数字转换器生成具有相应采样率f₁和f₂的两个样本流Y₁和Y₁，所述数字信号处理单元被配置成用于：将Y₁抽取成与Y₂相等的长度；针对每个单独的数字化信道进行快速傅里叶变换F(Y₁)和F(Y₂)；以及通过以下关系对Y₂的频谱进行归一化：

F(Y₂)*(1+K)。

8.根据权利要求6所述的数字模拟至信息转换器，被配置成用于选自包括以下应用的组中的至少一个应用：

a.超宽带宽实时频谱；

b.用于认知无线电的频谱感测和管理；

c.用于ESM系统的发射机识别和映射；以及

d.超宽带宽RWR系统。