CN107979379A - 基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板 - Google Patents

基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板 Download PDF

Info

Publication number
CN107979379A
CN107979379A CN201711160817.5A CN201711160817A CN107979379A CN 107979379 A CN107979379 A CN 107979379A CN 201711160817 A CN201711160817 A CN 201711160817A CN 107979379 A CN107979379 A CN 107979379A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
circuit
frequency
low
afe
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711160817.5A
Other languages
English (en)
Inventor
刘素娟
王子圣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN201711160817.5A priority Critical patent/CN107979379A/zh
Publication of CN107979379A publication Critical patent/CN107979379A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/0003—Software-defined radio [SDR] systems, i.e. systems wherein components typically implemented in hardware, e.g. filters or modulators/demodulators, are implented using software, e.g. by involving an AD or DA conversion stage such that at least part of the signal processing is performed in the digital domain
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/124—Sampling or signal conditioning arrangements specially adapted for A/D converters
    • H03M1/1245—Details of sampling arrangements or methods

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Superheterodyne Receivers (AREA)

Abstract

本发明公开一种基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板，属于半导体通信技术领域。传统信号采样方法必须遵循奈奎斯特采样定理，即信号的采样频率必须高于待采集信号最高频率的二倍。本发明在压缩感知理论基础上实现以调制宽带转换器在远低于其奈奎斯特采样频率的速率对模拟信号进行采样。

Description

基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板
技术领域
本发明属于半导体通信技术领域，尤其涉及一种基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板。
背景技术
模数转换技术沿着由上个世纪著名的Shannon–Nyquist定理描绘的道路不断的发展，该定理要求采样频率至少是信号最高频率的两倍。这个基本定律构成了几乎所有数字信号处理的基础。由Shannon–Nyquist定理要求的采样速率对采样设备、储存设备和DSP处理器提出了苛刻的要求。因此人们希望能够以远低于Shannon–Nyquist频率的速率对宽带信号进行采样，但是仍然携带宽带信号中的重要信息。人们基于最近几年提出的压缩感知理论成功地建立了亚采样技术，也称为模拟信息转换器技术(Analog to Information,AIC)，AIC技术首先对原始信号进行调制，再使用低速ADC采集调制后的信号，利用低速ADC获取的信息恢复原始信号。
在这个背景下，学术界陆续提出了几种AIC结构，例如非均匀采样、随机调制结构和宽带调制结构等等。宽带调制转换器(MWC)系统由以色列理工大学的Eldar教授的研究组提出。系统假设输入信号位于多个频带，但是具体位于哪些频带是未知的。MWC系统先产生宽带周期性伪随机序列，之后将该序列与输入信号混频，将高频部分搬移到低频部分。最后将混频之后的信号通过低通滤波器让低速ADC采集。相比于其它两种结构，宽带调制结构对ADC没有过高的要求，现有的ADC器件都可以满足要求，便于硬件实现。
发明内容
本发明提出一种基于压缩感知理论的调制宽带转换器的模拟前端开发板，突破了奈奎斯特采样定理的限制，使ADC可以在远低于二倍奈奎斯特采样频率的频率下进行信号采样，在保证700M的接收性能指标的前提下，有效降低了ADC的采样频率。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板，包括模拟部分和数字部分；模拟部分包括：低噪声放大器、四路功分器、均衡器、混频器、射频放大电路、运算放大器和低通滤波器电路，数字部分包括：时钟、移位寄存器和减法电路；所述模拟部分电路完成输入信号的采集、四路功分、和本振信号的混频以及筛选低频带信号；所述数字部分电路完成伪随机信号的生成，通过减法电路将0、1的差分信号转换为±1的单端本振信号传给模拟电路的混频器；其中，输入信号由低噪声放大器电路进入，经由四路功分器电路分别依次进入后面的四个混频器、低通滤波电路中，四个电路信号处理方式相同；分路后的输入信号经由射频放大器电路进入均衡器电路再进入射频放大器电路，其输出的输入信号在混频器电路中与来自数字电路经过射频放大器电路的本振信号混频，得到的混频信号经由运算放大电路和低通滤波电路处理，得到低频带的混频信号；此信号可由ADC采样并由后端处理恢复输入信号。
作为优选，数字部分的工作原理如下：伪随机序列产生电路采用最高频率为800M的时钟为8个8位移位寄存器提供700M时钟信号，令伪随机序列信号频率为700M；同时采用拨码开关优化移位寄存器的序列的初值，从而产生外部可控的伪随机序列信号；并通过减法电路的处理，将0、1的差分伪随机序列信号转为±1的单端信号作为本振信号，用于与输入信号的混频；本振信号经过射频放大电路，使信号达到混频器要求的增益系数，随后进入混频器的本振信号接收端口。
作为优选，采用多个可调节稳压电路，分别为四路功分器、均衡器、混频器、射频放大电路供电。
作为优选，在印刷电路板上把数字部分和模拟部分电路绘制在一块板上，做好数模分区，以及模拟部分每条支路之间的分区。
本发明通过信号的输入，四路功分，在每一路采取与本振信号混频和低通滤波器滤波，收集低频带混频信号，方便后端处理和恢复输入信号；为保证信号较低的噪声系数，在输入端加入低噪声放大器；为保证混频信号稳定，加入均衡器保证混频器RF输入端有平坦的频率响应；采用拨码开关优化配置伪随机序列的初始状态，保证本振信号为最适合后端重构的混频信号；采用输入信号与以值为±1的伪随机序列本振信号混频，使本来稀疏的信号分布在整个频谱；采用无源椭圆低通滤波器，在保证阶数最低从而便于硬件实现和足够窄的过渡带的同时滤出混频在低频带的输入信号，方便低速ADC的采集。
与现有技术相比，本发明突破了奈奎斯特定理的限制。输入信号的频率最高可达350MHz，使用了四个常用的12位60MHz的ADC，总采样频率为240MHz。如果使用单个ADC采集350MHz的信号，那么ADC所需的采样频率至少为700MHz。相较于传统采样方式，本发明采样频率仅为传统采样方式的34％，对单个ADC的性能要求降低了91％。
附图说明
图1为本发明的模拟部分结构示意图；
图2为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明作进一步的说明：
本发明提供一种基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板，包括：模拟部分和数字部分，考虑到面积和的问题，在印刷电路板上把数字部分和模拟部分电路绘制在一块板上，做好数模分区，以及模拟部分每条支路之间的分区。
如图1所示，模拟部分包括：低噪声放大器、四路功分器、均衡器、混频器、射频放大电路、运算放大器和低通滤波器电路，数字部分包括：时钟、移位寄存器和减法电路。所述模拟部分电路完成输入信号的采集、四路功分、和本振信号的混频以及筛选低频带信号；所述数字部分电路完成伪随机信号的生成，通过减法电路将0、1的差分信号转换为±1的单端本振信号传给模拟电路的混频器。
采用多个可调节稳压电路，分别用于给四路功分器、均衡器、混频器、射频放大电路供电；输入信号由低噪声放大器电路进入，经由四路功分器电路分别依次进入后面的四个混频器、低通滤波电路中，四个电路信号处理方式相同；分路后的输入信号经由射频放大器电路进入均衡器电路再进入射频放大器电路，其输出的输入信号在混频器电路中与来自数字电路经过射频放大器电路的本振信号混频，得到的混频信号经由运算放大电路和低通滤波电路处理，得到低频带的混频信号；此信号可由ADC采样并由后端处理恢复输入信号。
所述低噪声放大器，使得系统的整体噪声系数足够低，降低了后续器件的压力。
在混频器前加入均衡器，使信号在进入混频器后有平坦的频率响应。
减法电路，将0、1的差分伪随机序列信号转为±1的单端信号作为本振信号，用于与测试信号的混频。
混频器，使输入信号和伪随机序列信号混频，将输入信号搬移到整个频谱，便于后续低通滤波后数据采集。
低通滤波电路，将高频的信号滤掉，只保留低频段的输入信号，使得使得可利用采样频率远低于奈奎斯特频率的ADC对信号进行采集和后续数字恢复重构。
本发明的工作原理如下：
如图2所示，输入信号经由低噪声放大电路进入MWC系统并进入四路功分器，由Frii’s公式
其中Fn为第n个器件的噪声因子，Gn为第n个器件的增益，在这里Gn为线性表示。由上式可知系统的噪声系数由系统的第一个器件的噪声系数决定，故选择系统的第一个器件为低噪声放大器，可以大大缓解后续器件的压力。
输入信号经由四路功分器进入四个相同的支路中。
采用多个可调节稳压电路，形成电压为3V、3.3V、4.1V等多个电压幅值的电路，为四路功分器、均衡器、混频器、射频放大电路等各功能电路供电。
支路中输入信号经过均衡器电路，保证了信号在进入混频器后信号有平坦的频率响应。
数字部分的伪随机序列产生电路采用最高频率为800M的时钟为8个8位移位寄存器提供700M时钟信号，令伪随机序列信号频率为700M；同时采用拨码开关优化移位寄存器的序列的初值，从而产生外部可控的伪随机序列信号；并通过减法电路的处理，将0、1的差分伪随机序列信号转为±1的单端信号作为本振信号，用于与输入信号的混频。
本振信号经过射频放大电路，使信号达到可以混频器要求的增益系数，随后进入混频器的本振信号接受端口。
输入信号经过均衡器电路和来自射频放大电路的伪随机序列信号在混频电路中混频，使本来稀疏的输入信号被搬移到整个频谱上。
混频信号经由运算放大电路和低通滤波电路处理后得到可被低速ADC采集的携带输入信号信息的低频的待重构信号。该信号可被后端利用重构算法进行重构从而恢复输入信号。其中低通滤波电路采用了7阶无源椭圆滤波器，与巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器相比，其在阶数更低的情况下拥有更陡峭的过渡带。

Claims (4)

1.一种基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板，其特征在于，包括模拟部分和数字部分；模拟部分包括：低噪声放大器、四路功分器、均衡器、混频器、射频放大电路、运算放大器和低通滤波器电路，数字部分包括：时钟、移位寄存器和减法电路；所述模拟部分电路完成输入信号的采集、四路功分、和本振信号的混频以及筛选低频带信号；所述数字部分电路完成伪随机信号的生成，通过减法电路将0、1的差分信号转换为±1的单端本振信号传给模拟电路的混频器；其中，输入信号由低噪声放大器电路进入，经由四路功分器电路分别依次进入后面的四个混频器、低通滤波电路中，四个电路信号处理方式相同；分路后的输入信号经由射频放大器电路进入均衡器电路再进入射频放大器电路，其输入信号在混频器电路中与来自数字电路经过射频放大器电路的本振信号混频，得到的混频信号经由运算放大电路和低通滤波电路处理，得到低频带的混频信号；此信号可由ADC采样并由后端处理恢复输入信号。
2.如权利要求1所述的基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板，其特征在于，数字部分的工作原理如下：伪随机序列产生电路采用最高频率为800M的时钟为8个8位移位寄存器提供700M时钟信号，令伪随机序列信号频率为700M；同时采用拨码开关优化移位寄存器的序列的初值，从而产生外部可控的伪随机序列信号；并通过减法电路的处理，将0、1的差分伪随机序列信号转为±1的单端信号作为本振信号，用于与输入信号的混频；本振信号经过射频放大电路，使信号达到可以被混频器处理的增益系数，随后进入混频器的本振信号接受端口。
3.如权利要求1所述的基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板，其特征在于，采用多个可调节稳压电路，分别用于给四路功分器、均衡器、混频器、射频放大电路供电。
4.如权利要求1所述的基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板，其特征在于，在印刷电路板上把数字部分和模拟部分电路绘制在一块板上，做好数模分区，以及模拟部分每条支路之间的分区。
CN201711160817.5A 2017-11-20 2017-11-20 基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板 Pending CN107979379A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711160817.5A CN107979379A (zh) 2017-11-20 2017-11-20 基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711160817.5A CN107979379A (zh) 2017-11-20 2017-11-20 基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107979379A true CN107979379A (zh) 2018-05-01

Family

ID=62010551

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711160817.5A Pending CN107979379A (zh) 2017-11-20 2017-11-20 基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107979379A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112436807A (zh) * 2020-10-25 2021-03-02 北京工业大学 一种基于二次混频技术的调制宽带转换器前端集成电路
CN113242192A (zh) * 2021-05-08 2021-08-10 成都空间矩阵科技有限公司 一种多路射频直采的超宽带压缩感知系统及方法
CN115412110A (zh) * 2022-07-12 2022-11-29 北京中科睿谱科技有限公司 一种基于压缩感知的融合接收机

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103684468A (zh) * 2013-11-27 2014-03-26 中国科学院电子学研究所 压缩感知模拟-信息转换系统及其方法
EP2762921A1 (de) * 2013-01-30 2014-08-06 Sick Ag Verfahren zur Bestimmung einer Signallaufzeit
CN104901708A (zh) * 2015-01-30 2015-09-09 哈尔滨工程大学 一种压缩采样的宽带数字接收机及其信号处理方法
CN105404495A (zh) * 2015-10-21 2016-03-16 哈尔滨工业大学 用于调制宽带转换器的高速伪随机序列发生器及发生方法
CN107133014A (zh) * 2017-04-01 2017-09-05 中国人民解放军国防科学技术大学 宽带频谱监视系统及其产生高速伪随机序列信号的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2762921A1 (de) * 2013-01-30 2014-08-06 Sick Ag Verfahren zur Bestimmung einer Signallaufzeit
CN103684468A (zh) * 2013-11-27 2014-03-26 中国科学院电子学研究所 压缩感知模拟-信息转换系统及其方法
CN104901708A (zh) * 2015-01-30 2015-09-09 哈尔滨工程大学 一种压缩采样的宽带数字接收机及其信号处理方法
CN105404495A (zh) * 2015-10-21 2016-03-16 哈尔滨工业大学 用于调制宽带转换器的高速伪随机序列发生器及发生方法
CN107133014A (zh) * 2017-04-01 2017-09-05 中国人民解放军国防科学技术大学 宽带频谱监视系统及其产生高速伪随机序列信号的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
詹军敏: "基于压缩感知的宽带信号采集研究及硬件实现", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库-信息科技辑》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112436807A (zh) * 2020-10-25 2021-03-02 北京工业大学 一种基于二次混频技术的调制宽带转换器前端集成电路
CN112436807B (zh) * 2020-10-25 2023-07-11 北京工业大学 一种基于二次混频技术的调制宽带转换器前端集成电路
CN113242192A (zh) * 2021-05-08 2021-08-10 成都空间矩阵科技有限公司 一种多路射频直采的超宽带压缩感知系统及方法
CN115412110A (zh) * 2022-07-12 2022-11-29 北京中科睿谱科技有限公司 一种基于压缩感知的融合接收机

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101075814B (zh) 基于数字中频结构的数字接收机系统及数字信号处理方法
CN107979379A (zh) 基于压缩感知理论的调制宽带转换器模拟前端开发板
CN109800882B (zh) 多位超导量子比特的扩展反馈测量装置
CN103532560B (zh) 一种数字相关器以及数字全极化微波辐射计
CN101567701B (zh) 一种高效多路数字下变频器系统
CN101378263A (zh) 基于数字中频的多载波数字接收机及多载波数字接收方法
CN205232209U (zh) 一种基于零中频的信号接收电路、相控阵天线及路侧单元
CN111555764A (zh) 一种射频直采宽带数字接收机系统、方法及射电观测系统
CN103929387B (zh) 基于fpga的大动态范围数字信道化接收机及工作方法
CN102064797B (zh) 分数倍采样率变换的并行实现方法及其装置
CN105404495A (zh) 用于调制宽带转换器的高速伪随机序列发生器及发生方法
CN107749764A (zh) 多通道大动态信号的采样方法
CN104467739A (zh) 一种带宽、中心频点可调的数字滤波器及其实现方法
CN101395880A (zh) 用于产生正交采样时钟信号的方法和设备
CN106849950A (zh) 基于多速率并行采样的射频信号模数转换系统及方法
CN115022148A (zh) 一种四通道单比特测频系统及方法
CN102291347B (zh) 一种基于多频段频谱的dpd处理方法和设备
CN108540421A (zh) 一种宽带高速零中频接收机的i/q失衡补偿方法
CN104716959B (zh) 模数转换装置与模数转换方法
CN103716055A (zh) 一种预调制积分型多通道并行模拟信息转换电路
CN101635575B (zh) 一种基于软件无线电的四信道短波数字信号处理平台
CN201048372Y (zh) 基于特殊数字中频结构的数字接收机系统
CN107769790A (zh) Δ‑σ调制器
CN101834619B (zh) 一种发射系统及降低发射系统本振泄漏功率的方法
CN201114162Y (zh) 一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180501