CN108344976A - 窄带信号的硬件降频采样方法及系统、数字信号处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于数字信号处理技术领域,公开了一种窄带信号的硬件降频采样方法及系统、数字信号处理系统,需要对高频窄带信号进行采样时,计算得出波形发生器产生方波的频率;控制波形发生器产生方波信号,逻辑控制电路产生控制信号;控制信号与多路选择开关通道选择端相连,输入高频窄带信号与多路选择开关信号输入端口相连,通过控制信号选择确定信号输入端口;多路选择开关输出端连接到电压跟随器输入端,电压跟随器输出端连接到低通滤波电路输入端,滤掉高频信号;低通滤波电路输出端与采样电路输入端连接,采样得到低频窄带信号。本发明将高频窄带信号转换为等效低频信号进行采样,降低了成本;采用开关降频方法,有效抑制了干扰和失真。

Description

窄带信号的硬件降频采样方法及系统、数字信号处理系统
技术领域
本发明属于数字信号处理技术领域,尤其涉及一种窄带信号的硬件降频采样方法及系统、数字信号处理系统。
背景技术
雷达信号是窄带信号,信号频率分布在有限的频带(fL,fH)上,而且雷达信号的载频频率通常都是比较高,即使是中频数字化接收机的中频输出信号,频率通常也在百兆赫兹左右。根据奈奎斯特采样定理,可以按照fs>2fH的采样速率进行采样,当远远大于信号的带宽的时候,采样频率将会很高,数据量很大,这不仅对A/D器件的要求提高,而且对后续的信号处理的速度也提出了更高的要求,因此在雷达接收机中直接应用奈奎斯特定理对射频信号作低通采样直接转换成数字信号的方案很难实现。本发明采用硬件降频采样方法,可以将输入高频窄带信号转换为等效低频信号输出,采用采样率在kHz级别的采样芯片就能进行采样,并且对后续信号处理电路、数字信号存储、处理速度等要求降低。在现实中,往往将射频信号用模拟方式进行混频,在得到中频的信号后,再交由采样保持并A/D转换,送给数字系统处理。混频电路也叫变频电路,是接收机的重要组成部分,可以实现不失真的频谱搬移。通常实现混频可以采用多种方式,最常用的是相乘电路,它可以采用非线性器件或者专用的集成电路乘法器实现。假设乘法器的两个输入信号分别为U1=A(t)cos(ω1t),则其输出为
经过低通滤波器取其低频分量,则其输出可写为:
显然乘法器输出信号幅值、相位和频率与两个输入信号均相关。对于接收机而言,只关心接收的信号参数变化对接收机输出的影响,而不希望过多地引入本振信号的参数。同时,乘法器属于非线性器件,因此会产生很多干扰和失真,包括干扰哨声、寄生通道干扰、交叉调制失真、相互调制失真等,而且当输入信号幅值增大时,由于幅度相乘的作用,输出信号很有可能会出现限幅,因而发生失真。这些因素都会极大地影响接收机的性能,因此乘法器不是实现接收机混频电路的最佳选择。本发明使用开关混频电路,可以有效克服模拟乘法器缺陷。
综上所述,现有技术存在的问题是:对于高频窄带信号,其频率分布在某一有限的频带(fL,fH)上,采样频率非常高,直接对其进行采样,会对A/D转换器的性能,如转换速率、工作带宽、动态范围等提出非常高的要求,同时对后续DSP或ASIC的处理速度要求也特别高,因此受目前器件水平的限制,直接进行采样实现难度非常大;对于接收机而言,只关心接收的信号参数变化对接收机输出的影响,而不希望过多地引入本振信号的参数,采用传统非线性元件或者专用的乘法器混频,会引入本振信号的幅度和相位信息,产生很多干扰和失真不利于后续电路对输入信号的检测以及相关参数的识别处理。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种窄带信号的硬件降频采样方法及系统、数字信号处理系统。
本发明是这样实现的,一种窄带信号的硬件降频采样方法,所述窄带信号的硬件降频采样方法包括以下步骤:
步骤一,当需要对高频窄带信号进行采样时,计算得出波形发生器产生方波的频率;
步骤二,通过微控制器,控制波形发生器产生所需频率的方波,方波经过状态转换电路后,产生控制信号;
步骤三,逻辑控制电路产生的控制信号与多路选择开关通道选择端相连,输入高频窄带信号与多路选择开关的信号输入端口相连,通过控制信号选择确定信号输入端口;
步骤四,将多路选择开关输出端连接到电压跟随器输入端,并将电压跟随器输出端连接到低通滤波电路输入端,滤掉高频信号;
步骤五,将低通滤波电路输出端与采样电路输入端连接,采样得到低频窄带信号。
进一步,所述波形发生器产生方波信号的频率ωs与状态转换电路输出矩形波信号的频率ω2之间关系为:
进一步,所述多路选择开关通道选择端为S1S0,所述多路选择开关输入有用信号为Ui1、Ui2,Ui2落后于Ui1半个周期,所述多路选择开关输出信号为Uoz
当S1S0为00时,多路选择开关输出为Uoz=0;
当S1S0为01时,多路选择开关输出为Uoz=Ui1
当S1S0为10时,多路选择开关输出为Uoz=Ui2
进一步,所述多路选择开关信号输出端相当于信号输入端分别乘以矩形波信号之和:
Uoz=Ui1REC(ω2t)+Ui2REC(ω2t-π);
其中,REC(ω2t)为多路选择开关S0的矩形波信号,其频率ω2为通道选择端的变化频率,REC(ω2t-π)为多路选择开关S1的矩形波信号,REC(ω2t-π)落后于REC(ω2t)半个周期;REC(ω2t)矩形波信号在一个周期内的函数表达式为:
将REC(ω2t)按照傅里叶级数展开,得:
取REC(ω2t)前四项即n=1,2,3,4,得:
同理,将REC(ω2t-π)展开,并取前四项n=1,2,3,4,得:
多路选择开关信号输入端输入高频窄带信号分别为:
Ui1=A(t)cos(ω1t),Ui2=A(t)cos(ω1t-π);
多路选择开关输出信号Uoz为:
进一步,当所述输入高频窄带信号中心频率ω1较高且ω2与ω1较为接近时,只有cos(ω1t-ω2t)项为低频信号,其他项均为高频信号;将Uoz送入低通滤波电路,滤掉高频信号,可得:
Uo=Kcos(ω1t-ω2t);
输出信号Uo与原来输入信号Ui相比幅值成比例变化。
进一步,所述输出信号中心频率ω0与波形发生器信号频率ωs、输入高频窄带信号中心频率ω1之间关系为:
进一步,所述多路选择开关通道选择端的S1落后于S0半个周期,所述多路选择开关信号输入端Ui2落后于Ui1半个周期,使用两路输入信号用于将输出信号幅值提高为一路输入信号幅值的两倍。
本发明的另一目的在于提供一种如权利要求1所述窄带信号的硬件降频采样方法的窄带信号的硬件降频采样系统,所述窄带信号的硬件降频采样系统包括:逻辑控制电路、多路选择开关、电压跟随器、低通滤波电路、采样电路;
所述逻辑控制电路与多路选择开关通道选择端连接,高频窄带信号与多路选择开关信号输入端连接,多路选择开关输出端与电压跟随器连接,电压跟随器输出端与低通滤波电路连接,低通滤波电路输出端与采样电路连接;
逻辑控制电路包括微控制器控制电路、波形发生器、状态转换电路,用于产生多路选择开关通道选择端的控制信号;
多路选择开关,信号输入端为两路有用信号,分别为输入高频窄带信号及输入高频窄带信号的反相信号;
多路选择开关,通道选择端为一组控制信号,通过其状态改变分别对两路输入高频窄带信号进行选择。
电压跟随器,实现隔离作用,用于避免所述多路选择开关的输出阻抗对所述低通滤波电路的影响;
低通滤波电路,为二阶低通滤波电路,用于在阻带内提供-40dB/10倍频的衰减速率,滤除高频信号;
采样电路用于实现对降频后的低频窄带信号的采样。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述窄带信号的硬件降频采样方法的数字信号处理系统。
本发明对于高频窄带信号,其频率分布在某一有限的频带(ωLH)上,输出信号中心频率为ω0=ω12,若ω2与ω1相接近时,可以将频率大大的降低;本发明无需高频采样芯片,采用采样率在kHz级别的采样芯片就能进行采样,大大降低了成本;混频电路采用多路选择开关实现,输出信号的相位和幅度仅和输入信号相关,减少了由于本振信号的不一致而引入的参数畸变,可以有效抑制非线性元件或者专用的乘法器产生的干扰和失真,比如干扰哨声、寄生通道干扰、交叉调制失真、互相调制失真;并且多路选择开关通道选择端的S1落后于S0半个周期,多路选择开关信号输入端Ui2落后于Ui1半个周期,使用两路输入信号将输出信号幅值提高为一路输入信号幅值的两倍。
附图说明
图1是本发明实施例提供的窄带信号的硬件降频采样方法流程图。
图2是本发明实施例提供的窄带信号的硬件降频采样系统结构示意图;
图中:1、逻辑控制电路;2、多路选择开关;3、电压跟随器;4、低通滤波电路;5、采样电路。
图3是本发明实施例提供的多路选择开关原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示,本发明实施例提供的窄带信号的硬件降频采样方法包括以下步骤:
S101:当需要对高频窄带信号进行采样时,通过公式进行计算,得出波形发生器产生方波的频率;
S102:通过微控制器,控制波形发生器产生所需频率的方波,该方波经过状态转换电路后,产生符合要求的控制信号;
S103:逻辑控制电路产生的控制信号与多路选择开关通道选择端相连,输入高频窄带信号与多路选择开关的信号输入端口相连,通过控制信号选择确定信号输入端口;
S104:将多路选择开关输出端连接到电压跟随器输入端,并将电压跟随器输出端连接到低通滤波电路输入端,滤掉高频信号;
S105:将低通滤波电路输出端与采样电路输入端连接,即可采样得到低频窄带信号。
如图2所示,本发明实施例提供的窄带信号的硬件降频采样系统包括:逻辑控制电路1、多路选择开关2、电压跟随器3、低通滤波电路4、采样电路5。
所述逻辑控制电路1与多路选择开关2通道选择端连接,高频窄带信号与多路选择开关2信号输入端连接,多路选择开关2输出端与电压跟随器3连接,电压跟随器3输出端与低通滤波电路4连接,低通滤波电路4输出端与采样电路5连接;
逻辑控制电路1包括微控制器控制电路、波形发生器、状态转换电路,用于产生多路选择开关通道选择端的控制信号。
多路选择开关2的信号输入端为两路有用信号,分别为输入高频窄带信号及输入高频窄带信号的反相信号。
多路选择开关2的通道选择端为一组控制信号,通过其状态改变分别对两路输入高频窄带信号进行选择。
电压跟随器3用于实现隔离作用,用于避免所述多路选择开关的输出阻抗对所述低通滤波电路的影响。
低通滤波电路4为二阶低通滤波电路,用于在阻带内提供-40dB/10倍频的衰减速率,滤除高频信号;
采样电路5用于实现对降频后的低频窄带信号的采样。
如图3所示,本发明实施例提供的多路选择开关原理如下:多路选择开关通道选择端为S1S0,所述多路选择开关输入有用信号为Ui1、Ui2,Ui2落后于Ui1半个周期,所述多路选择开关输出信号为Uoz
当S1S0为00时,多路选择开关输出为Uoz=0;
当S1S0为01时,多路选择开关输出为Uoz=Ui1
当S1S0为10时,多路选择开关输出为Uoz=Ui2
多路选择开关通道选择端的S1落后于S0半个周期,多路选择开关信号输入端Ui2落后于Ui1半个周期,使用两路输入信号用于将输出信号幅值提高为一路输入信号幅值的两倍。
多路选择开关信号输出端相当于信号输入端分别乘以矩形波信号之和,即:
Uoz=Ui1REC(ω2t)+Ui2REC(ω2t-π);
其中,REC(ω2t)为多路选择开关S0的矩形波信号,其频率ω2为通道选择端的变化频率,REC(ω2t-π)为多路选择开关S1的矩形波信号,REC(ω2t-π)落后于REC(ω2t)半个周期;REC(ω2t)矩形波信号在一个周期内的函数表达式为:
将REC(ω2t)按照傅里叶级数展开,得:
取REC(ω2t)前四项即n=1,2,3,4,得:
同理,将REC(ω2t-π)展开,并取前四项n=1,2,3,4,得:
多路选择开关信号输入端输入高频窄带信号分别为:
Ui1=A(t)cos(ω1t),Ui2=A(t)cos(ω1t-π);
多路选择开关输出信号Uoz为:
当输入高频窄带信号中心频率ω1较高且ω2与ω1较为接近时,只有cos(ω1t-ω2t)项为低频信号,其他项均为高频信号。将Uoz送入低通滤波电路,滤掉高频信号,可得:
Uo=Kcos(ω1t-ω2t);
输出信号Uo与原来输入信号Ui相比幅值成比例变化,并且若ω2与ω1相接近时,可以将频率大大的降低。
假设输入高频窄带信号的中心频率为f1=5GHz,微控制器设置波形发生器产生方波信号的频率为:
fs=59.9976GHz;
则硬件降频后的信号中心频率为:
即硬件降频后的信号中心频率为:
fo=200kHz;
由此可以看到,输入高频窄带信号中心频率为5GHz,输入高频窄带信号在采用本发明的硬件降频采样方法后,输出窄带信号中心频率为200kHz。经过比较,可以看出输出频率与输入频率相比大大降低,采用采样率在kHz级别的采样芯片就能进行采样,证明了本发明中窄带信号的硬件降频采样方法的可行性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种窄带信号的硬件降频采样方法,其特征在于,所述窄带信号的硬件降频采样方法包括以下步骤:
步骤一,当需要对高频窄带信号进行采样时,计算得出波形发生器产生方波的频率;
步骤二,通过微控制器,控制波形发生器产生所需频率的方波,方波经过状态转换电路后,产生控制信号;
步骤三,逻辑控制电路产生的控制信号与多路选择开关通道选择端相连,输入高频窄带信号与多路选择开关的信号输入端口相连,通过控制信号选择确定信号输入端口;
步骤四,将多路选择开关输出端连接到电压跟随器输入端,并将电压跟随器输出端连接到低通滤波电路输入端,滤掉高频信号;
步骤五,将低通滤波电路输出端与采样电路输入端连接,采样得到低频窄带信号。
2.如权利要求1所述的窄带信号的硬件降频采样方法,其特征在于,所述波形发生器产生方波信号的频率ωs与状态转换电路输出矩形波信号的频率ω2之间关系为:
3.如权利要求1所述的窄带信号的硬件降频采样方法,其特征在于,所述多路选择开关通道选择端为S1S0,所述多路选择开关输入有用信号为Ui1、Ui2,Ui2落后于Ui1半个周期,所述多路选择开关输出信号为Uoz
当S1S0为00时,多路选择开关输出为Uoz=0;
当S1S0为01时,多路选择开关输出为Uoz=Ui1
当S1S0为10时,多路选择开关输出为Uoz=Ui2
4.如权利要求3所述的窄带信号的硬件降频采样方法,其特征在于,所述多路选择开关信号输出端相当于信号输入端分别乘以矩形波信号之和:
Uoz=Ui1REC(ω2t)+Ui2REC(ω2t-π);
其中,REC(ω2t)为多路选择开关S0的矩形波信号,其频率ω2为通道选择端的变化频率,REC(ω2t-π)为多路选择开关S1的矩形波信号,REC(ω2t-π)落后于REC(ω2t)半个周期;REC(ω2t)矩形波信号在一个周期内的函数表达式为:
将REC(ω2t)按照傅里叶级数展开,得:
取REC(ω2t)前四项即n=1,2,3,4,得:
同理,将REC(ω2t-π)展开,并取前四项n=1,2,3,4,得:
多路选择开关信号输入端输入高频窄带信号分别为:
Ui1=A(t)cos(ω1t),Ui2=A(t)cos(ω1t-π);
多路选择开关输出信号Uoz为:
5.如权利要求4所述的窄带信号的硬件降频采样方法,其特征在于,当所述输入高频窄带信号中心频率ω1较高且ω2与ω1较为接近时,只有cos(ω1t-ω2t)项为低频信号,其他项均为高频信号;将Uoz送入低通滤波电路,滤掉高频信号,可得:
Uo=K cos(ω1t-ω2t)。
输出信号Uo与原来输入信号Ui相比幅值成比例变化。
6.如权利要求5所述的窄带信号的硬件降频采样方法,其特征在于,所述输出信号中心频率ω0与波形发生器信号频率ωs、输入高频窄带信号中心频率ω1之间关系为:
7.如权利要求4所述的窄带信号的硬件降频采样方法,其特征在于,所述多路选择开关通道选择端的S1落后于S0半个周期,所述多路选择开关信号输入端Ui2落后于Ui1半个周期,使用两路输入信号用于将输出信号幅值提高为一路输入信号幅值的两倍。
8.一种如权利要求1所述窄带信号的硬件降频采样方法的窄带信号的硬件降频采样系统,其特征在于,所述窄带信号的硬件降频采样系统包括:逻辑控制电路、多路选择开关、电压跟随器、低通滤波电路、采样电路;
所述逻辑控制电路与多路选择开关通道选择端连接,高频窄带信号与多路选择开关信号输入端连接,多路选择开关输出端与电压跟随器连接,电压跟随器输出端与低通滤波电路连接,低通滤波电路输出端与采样电路连接;
逻辑控制电路包括微控制器控制电路、波形发生器、状态转换电路,用于产生多路选择开关通道选择端的控制信号;
多路选择开关,信号输入端为两路有用信号,分别为输入高频窄带信号及输入高频窄带信号的反相信号;
多路选择开关,通道选择端为一组控制信号,通过其状态改变分别对两路输入高频窄带信号进行选择。
电压跟随器,实现隔离作用,用于避免所述多路选择开关的输出阻抗对所述低通滤波电路的影响;
低通滤波电路,为二阶低通滤波电路,用于在阻带内提供-40dB/10倍频的衰减速率,滤除高频信号;
采样电路用于实现对降频后的低频窄带信号的采样。
9.一种应用权利要求1~7任意一项所述窄带信号的硬件降频采样方法的数字信号处理系统。
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Bresch et al. About the demodulation of PWM-signals with applications to audio amplifiers

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