CN107395227B

CN107395227B - 非平稳宽带干扰下微波辐射源信号功率测量方法及装置

Info

Publication number: CN107395227B
Application number: CN201710449880.4A
Authority: CN
Inventors: 崔嵬; 沈清; 钱通; 侯建刚; 吴嗣亮
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2018-10-09
Anticipated expiration: 2037-06-14
Also published as: CN107395227A

Abstract

本发明公开了一种非平稳宽带干扰下微波辐射源信号功率实时测量方法和装置，能够有效抑制非平稳宽带干扰对窄带信号功率测量带来的影响。该方案在接收到目标辐射源的辐射信号后，将本地产生的校准信号耦合到接收信号中，然后进行模拟下变频和数字采样；接着，对待测有用信号所在子带进行功率计算的同时，对对消子带内的信号进行功率计算；将待测有用信号子带的平均功率测量值减去对消子带的平均功率测量值，得到不含干扰、噪声的有用信号功率测量值同时，实时计算校准信号的平均功率测量值然后通过将和与校准信号的功率标称值P_c进行比较，得到经校准的微波辐射源信号的功率测量值

Description

非平稳宽带干扰下微波辐射源信号功率测量方法及装置

技术领域

本发明属于信号处理领域，涉及微波辐射源信号功率的测量技术，尤其涉及非平稳宽带干扰下微波辐射源信号功率实时测量方法和测量装置。

背景技术

对无线电辐射源进行探测定位，在执法监测、灾难搜救、电子侦察等军民用领域有广泛用途。无线电辐射源的定位方式可以分为有源定位和无源定位两种。其中，无源定位通过被动接收电磁信号，利用辐射源信号的一个或多个特征实现辐射源定位，是目前较为成熟，行之有效的定位方式。微波辐射源的功率是该定位方式实现过程中应用较为基础且广泛的特征量。

在2013年《火控雷达技术》第42卷第3期第78至81页，由樊中华等人发表的“一种基于大动态微波功率测量的雷达天线方向图测试方法”一文中，提出了一种基于大功率微波辐射源的信号功率精确测量方法，该方法采用高稳定度的大功率微波信号源作为基准信号发射至待测天线，通过微波小功率计对回波信号功率进行测定，进而得到待测天线的辐射功率方向图。在2015年《仪表技术》第9期第17页至20页，由柳阳等人发表的“自动测试系统微波功率在线测量补偿方法研究与实现”一文中，针对自动测试系统微波电缆功率衰减不可控的问题，提出一种微波功率在线测量补偿方法。该方法通过在测试任务开始前测量电缆的衰减来补偿功率衰减，从而提高微波辐射源信号功率的测量精度。在2016年《数字技术与应用》学术论坛第249页，由黎文杰发表的“一种雷达接收信号空域功率数字测量方法”一文中，提出了采用FPGA+DSP的数字化处理架构对接收的雷达信号功率进行实时测量方法，该方法将功率测量进行数字化处理，可实现对微波辐射源信号功率的快速测量。上述方法的共有缺陷是均要求功率测量设备接收到的辐射源信号功率具有平稳的特征。然而，在复杂电磁环境中，由于非平稳压制式的宽带干扰、功率测量设备接收机时变热噪声等因素影响，导致接收信号是有用窄带信号、时变宽带干扰信号和测量设备热噪声的叠加。同时，受测量设备通道增益起伏的影响，无法有效地测得有用信号的功率值。

因此，针对上述需求和目标，本发明提出了一种非平稳宽带干扰下(干扰信号频谱宽度大于有用信号带宽)微波辐射源信号功率的精确测量方法和测量装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种非平稳宽带干扰下微波辐射源信号功率实时测量方案，能够有效抑制非平稳宽带干扰对窄带信号功率测量带来的影响。

为了解决上述技术问题，本发明非平稳宽带干扰下微波辐射源信号功率实时测量方法是这样实现的：

首先，接收射频信号。

主要技术特征为：在接收到目标辐射源的辐射信号后，将本地校准源产生的校准信号耦合到接收信号中，之后，将混合信号一同进行后续处理，包括下变频和采样，当然还包括一些技术细节，例如限幅、滤波、放大等。其中校准信号的功率值标称值P_c已知并保持恒定，校准信号的频谱与窄带有用信号临近且具有相同的信号带宽，所述临近的条件为校准信号与待测有用信号中心频率间隔为1～3倍的信号带宽。

然后，利用采样的数字信号进行功率测量、对消、校准处理，主要思路是：对待测有用信号所在子带进行功率计算的同时，在待测有用信号频带附近且1～3倍带宽内选取一段与被测有用信号等带宽的对消子带，对对消子带内的信号进行功率计算；考虑干扰与噪声功率谱均具有白化的特征(即在整个接收机带宽内干扰与噪声的功率谱密度是平坦的)，将待测有用信号子带的平均功率测量值减去对消子带的平均功率测量值得到不含干扰、噪声的有用信号功率测量值同时，实时计算校准信号的平均功率测量值最后，通过将功率测量值和与校准信号的功率标称值P_c进行比较，得到经校准的微波辐射源信号的功率测量值

上述功率测量、对消、校准的具体工作步骤如下：

1)利用与校准信号频率相参的数字本振，对数字采样后获得的含有待测量的有用信号子带、对消子带以及校准信号子带的信号，采用相应频率的数字本振进行数字正交下变频处理。本步骤相当于对待测量的有用信号子带、对消子带以及校准信号子带分别进行数字正交下变频处理；

利用步骤2)和3)对待测有用信号子带和对消子带进行处理，同时利用步骤4)对校准信号进行处理，然后进入步骤5)；

2)分别对待测有用信号子带和对消子带进行相同参数的低通滤波处理，滤除和频分量和带外干扰信号；

3)对待测有用信号子带和对消子带经过低通滤波处理后的I、Q两路信号分别求模平方和，即求取信号瞬时功率值，然后通过对瞬时功率值进行以时间T为周期的累加平均，获得待测有用信号子带的平均功率测量值与对消子带的平均功率测量值

4)考虑到校准信号频率与数字本振相参，对经过数字正交下变频的I、Q两路校准信号分别进行以时间T为周期的累加平均，实现低通滤波的同时得到校准信号的平均功率测量值其中表示累加平均得到的I路信号幅度，表示累加平均得到的Q路信号幅度；

5)由于待测有用信号子带的带宽与对消子带带宽相同，滤波器的参数一致，同时宽带干扰与噪声的频谱均具有白化特征，两者均与有用信号不相关，则在同一测量周期T内，有用信号子带内的干扰与噪声功率之和与对消子带内的干扰与噪声功率之和一致。通过计算实现待测有用信号子带干扰与噪声功率的对消，获得纯净的有用信号功率测量值；

6)功率测量装置的接收信道链路增益会由于工作温度变化、器件老化等因素发生改变，进而影响到功率测量装置测得的信号功率的准确性，故需对功率测量装置接收通道增益变化进行监测和补偿。考虑到射频校准信号与待测有用信号频带临近，经过了相同的射频链路接收处理，其通道增益具有良好的一致性，有如下公式：

式中，为待测量的微波辐射源信号(有用信号)功率真实值，为功率测量装置测得的有用信号功率测量值，P_c为进入接收机端口的校准信号功率标称值，为功率测量装置测得的校准信号功率测量值，G(t)为功率测量装置的链路增益。因此，对(1)式进行变换即可获得射频辐射源功率的精确测量值：

至此，完成了非平稳宽带干扰下微波辐射源信号功率实时测量过程。

本发明还提供了一种非平稳宽带干扰下微波辐射源信号功率实时测量装置，其中包括：射频接收模块和数字处理模块；数字处理模块包括正交下变频模块、有用信号功率求取模块、对消子带功率求取模块、校准信号功率求取模块和功率校准模块；

射频接收模块，用于在接收到目标辐射源的辐射信号后，将本地产生的校准信号耦合到接收信号中，接着对混合信号进行模拟下变频，然后数字采样至数字处理模块中的正交下变频模块。这里，校准信号的频谱与待测有用信号临近具有相同的带宽，所述临近的条件为校准信号与待测有用信号中心频率间隔为1～3倍的信号带宽。

正交下变频模块，用于对模拟下变频后获得的含有待测量的有用信号子带、对消子带以及校准信号子带的信号，采用相应频率的数字本振进行数字正交下变频处理；所述对消子带是在待测有用信号频带附近且1～3倍带宽内选取的一段与被测有用信号等带宽的子带；

信号功率求取模块，用于对数字正交下变频处理后的待测有用信号子带进行低通滤波处理，然后对待测有用信号所在子带进行功率计算，获得待测有用信号子带的平均功率测量值

对消子带功率求取模块，用于对数字正交下变频处理后的对消子带进行与待测有用信号子带参数相同的低通滤波处理，然后对对消子带进行功率计算，获得对消子带的平均功率测量值

校准信号功率求取模块，用于计算校准信号的平均功率测量值

功率校准模块，用于将待测有用信号子带的平均功率测量值减去对消子带的平均功率测量值得到不含干扰、噪声的有用信号功率测量值通过将功率测量值和与校准信号的功率标称值P_c进行比较，得到经校准的微波辐射源信号的功率测量值

其中，功率校准模块利用如下公式计算经校准的微波辐射源信号的功率测量值：

其中，射频接收模块包括顺次相连的接收天线、隔离器、校准信号耦合器、预选滤波器、限幅器、低噪声放大器、混频器、中频放大器、中频滤波器和模数转换器。

1)接收天线：对微波辐射源无线信号进行接收；

2)隔离器：用于对天线输出信号进行匹配，对内部信号进行反向隔离；

3)耦合器：主路接收天线输出信号，辅路接收校准信号，并进行耦合；

4)预选滤波器：对输入信号进行滤波，对带外噪声进行抑制；

5)限幅器：对强输入信号进行限幅，防止后续低噪声放大器等工作单元饱和；

6)低噪声放大器：对接收信号进行低噪声放大，改善接收机噪声系数；

7)混频器：对射频输入信号与本地本振信号进行混频，将射频信号频谱搬移至中频；

8)中频放大器：对混频后的中频信号进行放大；

9)中频滤波器：滤除混频后的和频分量和杂散分量。

10)模数转换器(ADC)：完成模数(A/D)转换，将中频模拟信号变换为数字信号。

获得数字信号后就可以进行上述功率测量、对消、校准操作了。该操作可以在FPGA中实现。

有益效果：

1)本发明利用宽带干扰与噪声的频谱白化特征，基于时域实时对消算法，有效地抑制了非平稳宽带干扰与噪声对窄带信号功率测量的影响，解决了时变宽带干扰背景下窄带信号功率的精确测量这一难题。

2)通过通道增益校准信号实时在线补偿，有效消除了工作环境变化、元器件老化等因素引入的功率测量误差，提高了有用信号功率测量的准确性与鲁棒性。

3)所述功率测量方法及装置对不同调制类型的信号均具有良好的适应性。

附图说明

图1为本发明所述的非平稳宽带干扰下微波辐射源信号功率测量装置组成框图；

图2为本发明所述的基于FPGA的信号处理流程框图。

图3为本发明非平稳宽带干扰下微波辐射源信号功率测量装置组成框图以及FPGA内部的逻辑结构划分。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，下面参照附图和实施用例，对本发明作进一步详细说明。附图1及附图2分别描述了非平稳宽带干扰下微波辐射源信号功率测量装置组成框图和基于FPGA的信号处理流程框图。图3从模块的角度描述了装置组成以及FPGA内部的逻辑结构划分。

本实施用例中，假设待测有用信号中心频率为10.03GHz，带宽为2MHz，进入功率测量装置接收端口(接收天线接收输出)的有用信号功率范围为-110dBm～-80dBm；校准信号为频率10.035GHz的单音信号，进入接收机端口的校准信号功率标称值为P_c＝-70dBm；非平稳宽带干扰的频率范围为10.03GHz±50MHz，功率范围为-80dBm～-50dBm，即宽带干扰功率比有用信号功率强30dB。微波辐射源有用信号功率测量步骤如下：

1)在射频接收模块中，预选滤波器中心频率为有用信号中心频率，即10.03GHz，预选滤波器带宽设计为±50MHz。模拟混频的本振频率为10GHz，经过模拟信号混频后，待测信号中心频率下变频至30MHz，校准信号中心频率下变频至35MHz。中频滤波器中心频率为30MHz，带宽为20MHz，即功率测量装置的工作带宽为20MHz；

2)工作频率为100MHz的A/D转换器对中频信号进行采样，可保证信号频带内没有混叠发生；

3)FPGA选定对消子带(带内仅包含干扰信号)中心频率为25MHz，分别对待测信号子带、干扰信号子带和校准信号频点同时进行数字正交下变频。其中待测信号子带数字正交下变频本振频率为30MHz，对消子带数字正交下变频本振频率为25MHz，校准信号数字正交下变频本振频率为35MHz；

4)考虑到有用信号带宽为2MHz，设计带宽为±1MHz的数字低通滤波器，对数字下变频后的I、Q两路有用信号分别进行滤波与带外抑制；同样，对数字下变频后的对消子带I、Q两路信号采用相同参数的数字低通滤波器分别进行滤波与带外抑制；

5)求取滤波后待测信号I、Q两路信号的平方和，得到待测信号的瞬时功率值；同样，求取干扰子带I、Q两路信号的平方和，得到干扰信号的瞬时功率值；

6)设定功率测量周期T＝8ms，由于采样率为100MHz，一个测量周期内采样点数为N＝8ms×100MHz＝8×10⁵，对测量周期内待测信号瞬时功率和干扰信号瞬时功率均进行8×10⁵点累加平均，得到待测信号的平均功率测量值和干扰信号的平均功率测量值对测量周期内I、Q两路校准信号电平均进行8×10⁵点累加平均，得到校准信号的平均功率测量值

7)计算完成非平稳宽带干扰与噪声功率的实时对消，获得纯净的有用信号功率测量值；

8)利用(2)式计算出不受功率测量装置自身增益起伏影响的有用信号功率测量值。

本发明包括但不局限于以上的实施用例，凡是在本发明的精神和原则之下的任何局部改动和等同替换，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种非平稳宽带干扰下微波辐射源信号功率实时测量方法，其特征在于，包括：

步骤一、在接收到目标辐射源的辐射信号后，将本地产生的校准信号耦合到接收信号中，接着对混合信号进行模拟下变频和数字采样；所述校准信号的频谱与待测有用信号临近具有相同的带宽，所述临近的条件为校准信号与待测有用信号中心频率间隔为1～3倍的信号带宽；

步骤二、基于数字采样结果，对待测有用信号所在子带进行功率计算的同时，在待测有用信号频带附近且1～3倍带宽内选取一段与被测有用信号等带宽的对消子带，对对消子带内的信号进行功率计算；将待测有用信号子带的平均功率测量值减去对消子带的平均功率测量值得到不含干扰、噪声的有用信号功率测量值同时，计算校准信号的平均功率测量值

步骤三、通过将功率测量值和与校准信号的功率标称值P_c进行比较，得到经校准的微波辐射源信号的功率测量值

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二为：

步骤21：对数字采样后获得的含有待测有用信号子带、对消子带以及校准信号子带的信号，采用相应频率的数字本振进行数字正交下变频处理；

利用步骤22和23对待测有用信号子带和对消子带进行处理，同时利用步骤24对校准信号进行处理，然后进入步骤25；

步骤22：分别对待测有用信号子带和对消子带进行相同参数的低通滤波处理，滤除和频分量和带外干扰信号；

步骤23：对待测有用信号子带和对消子带经过低通滤波处理后的I、Q两路信号分别求模平方和，求得信号瞬时功率值，然后通过对瞬时功率值进行以时间T为周期的累加平均，获得待测有用信号子带和对消子带的平均功率值测量值和

步骤24：对经过数字正交下变频的I、Q两路校准信号分别进行以时间T为周期的累加平均，实现低通滤波的同时得到校准信号的平均功率测量值

步骤25：通过计算实现待测有用信号子带干扰与噪声功率的对消，获得纯净的有用信号功率测量值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三为：利用如下公式计算经校准的微波辐射源信号的功率测量值：

4.一种非平稳宽带干扰下微波辐射源信号功率实时测量装置，其特征在于，包括：射频接收模块和数字处理模块；数字处理模块包括正交下变频模块、有用信号功率求取模块、对消子带功率求取模块、校准信号功率求取模块和功率校准模块；

射频接收模块，用于在接收到目标辐射源的辐射信号后，将本地产生的校准信号耦合到接收信号中，接着对混合信号进行模拟下变频，然后数字采样至数字处理模块中的正交下变频模块；所述校准信号的频谱与待测有用信号临近具有相同的带宽，所述临近的条件为校准信号与待测有用信号中心频率间隔为1～3倍的信号带宽；

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，功率校准模块利用如下公式计算经校准的微波辐射源信号的功率测量值：

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述射频接收模块包括顺次相连的接收天线、隔离器、校准信号耦合器、预选滤波器、限幅器、低噪声放大器、混频器、中频放大器、中频滤波器和模数转换器。