CN108776261A - 一种大带宽跳频窄带信号多通道欠采样测频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大带宽跳频窄带信号多通道欠采样测频方法，采用多通道协同测频的方法，实现了在欠采样条件下对大带宽跳频窄带信号频率的测量。多通道欠采样测频方法首先构建多个频段相互重叠且能够满足信号跳频范围和频率解模糊条件的信号通道，其次对各通道的信号分别进行过门限检测，并对超过门限的通道进行信号频率测量，最后综合分析过门限检测结果及测频结果，完成欠采样条件下的频率解模糊处理，得出信号频率。本发明利用多个通道同时测频，在欠采样条件下实现了对大带宽跳频窄带信号频率的测量，相比在奈奎斯特采样率下的测频方法，降低了数据率。

Description

一种大带宽跳频窄带信号多通道欠采样测频方法

技术领域

本发明属于数字信号处理领域，涉及利用多通道信号在欠采样条件下对大带宽跳频窄带信号进 行频率测量的方法。

背景技术

奈奎斯特采样定理指出，时域的模拟信号经过模数转换器(ADC)得到数字信号，ADC的采样 率必须不小于奈奎斯特频率，才不会出现频率混叠问题。对于大带宽跳频窄带信号而言，要满 足奈奎斯特定理，需要极高的ADC采样率，这无疑会付出极高的代价，甚至现有的ADC器件无 法满足跳频要求。因此，欠采样条件下的测频方法具有极高的研究意义和实用价值。然而，欠 采样条件下测频会造成信号的频谱折叠，从而出现频率模糊，必须要进一步解模糊处理才能得 到信号频率。欠采样条件下测频方法的核心就是频率解模糊处理，目前主要有中国余数定理解 模糊、基于时频分析、基于压缩感知以及利用微波光子技术的频率解模糊方法，这类方法在各 自的适用领域确实能达到较好的效果，但无法作为欠采样条件下解模糊的一种通用方法。本发 明提出一种利用多通道频带划分的欠采样测频方法，降低了ADC数据率，实现了频率解模糊处 理。

发明内容

本发明提出了一种大带宽跳频窄带信号多通道欠采样测频方法，有效解决欠采样条件下出现的 频率模糊的问题。

本发明采用多通道协同测频的方法，实现了在欠采样条件下对大带宽跳频窄带信号频率的测量。 多通道欠采样测频方法首先构建多个频段相互重叠且能够满足信号跳频范围和频率解模糊条 件的信号通道，其次对各通道的信号分别进行过门限检测，并对超过门限的通道进行信号频率 测量，最后综合分析过门限检测结果及测频结果，完成欠采样条件下的频率解模糊处理，得出 信号频率。因而本发明的技术方案为一种大带宽跳频窄带信号多通道欠采样测频方法，该方法 包括：

步骤1：利用M个不同的本振信号，将M个通道的射频模拟信号下变频到中频跳频范围内， 得到跳频模拟信号，并划分出N个中频子频段，分别为其中N的值根据跳频带宽、采样率f_s及参考频率f₀确定；中频跳频范围为中频跳频带宽每个子频段带宽

步骤2：将M个通道的射频频段做如下划分：第1个通道频段起点f_s,1＝f₁，第i个通道频段起 点f_s,i＝f_s,i-1+B₂,i＝2,3,...,j-1,j+1,...M，所有通道频段终点为f_s,i+B₁,i＝1,2,...,M，M的选 取需使得通道的总频段完全覆盖跳频范围；

步骤3：依据步骤2中频段划分方法，将步骤1得到的跳频模拟信号划分为M个频段相互重叠 的通道信号，并在中频跳频段对各通道信号进行数字化处理，信号频率的变化会使得各通道的 过门限检测结果随之变化，记录各通道过门限检测结果；测量过门限的通道内信号频率，并记 为f_c；进一步判断f_c是否处于自模糊频段内，所述的自模糊频段为根据获得的三个信息：过门限检测结果、测频结果、测频结果是否处于自模糊频段进行后续解模糊处理；

步骤4：获取了频率解模糊的三个信息后，在频率解模糊的过程中分为两类情况；

(1)存在唯一通道过门限，此时不存在频率模糊，只需要判断信号频率所在子频段，并得出 未折叠的中频频率f_m；

(2)存在多个通道过门限；

a.若出现自模糊频段，将出现自模糊频段的通道剔除，余下有效通道，任选其一，并进一步分 析有效通道内信号频率所在子频段，得出未折叠的中频频率f_m；

b.若未出现自模糊频段，则可以任选其一，并进一步分析有效通道内信号频率所在子频段，得 出未折叠的中频频率f_m。

本发明与现有的测频方法相比，具有的优势是：首先，本发明的解模糊方法重点在于各通道频 段的划分，以及对三个解模糊信息的综合分析，所需的计算量仅存在过门限检测模块及自模糊 频段判断模块，因此对系统计算能力的需求非常小。其次，与现有的其他欠采样测频方法不同， 本发明不引入额外的解模糊误差，仅在过门限后的通道测频模块存在误差，但这并非由于本发 明所提出的解模糊方法引起，而取决于设计者所采用的测频方法。设计者可以根据需求采用不 同的测频方法，提高测频精度。最后，本发明将一个高采样率的ADC器件用多个低采样率的 ADC器件代替，降低了ADC的数据率，同时也使得大带宽跳频窄带信号的频率测量得以实现。

附图说明

图1本发明子频段分布示意图；

图2本发明各通道频段划分示意图；

图3本发明具体实施方式中方案一各通道频段划分图；

图4本发明具体实施方式中方案二各通道频段划分图。

具体实施方式

为了更加清楚的展示本发明提出的欠采样测频方法的优势、实施步骤及分析方法，下面对本发 明的具体实施方式加以详细阐述。

1)跳频范围设为f₁～f₂，信号带宽设为B_s，且满足B_s＜＜f₁，B_s＜＜f₂-f₁。选取ADC采样率为f_s，且满足2B_s＜f_s＜2(f₂-f₁)，选取参考频率为f₀。通道个数设为M，利用M 个不同的本振信号，将M个通道的射频模拟信号下变频到同一中频跳频范围内，并划分出 N个中频子频段，如图1所示，分别为其中N的选取 与跳频带宽、采样率f_s及参考频率f₀三个因素有关；因此，中频跳频范围为且中频跳频带宽每个子频段带宽应该注意到，N＝2的时最 容易进行后续的综合分析并解模糊，且随着N增大，会增加解模糊的复杂度，但相应的会 进一步降低采样率f_s。据此划分规则，每个通道在中频段划分出一系列间隔2f₀的子频段， 由奈奎斯特定理可知，直接测量某一通道的中频信号会出现两种类型的频率模糊：一是N 个子频段之间由于频谱折叠造成的频率模糊；二是的自模 糊频段。

2)中频跳频带宽B₁，也是射频段每个通道的跳频带宽，将M个通道的射频频段做如下划 分：第1个通道频段起点f_s,1＝f₁；

第i个通道频段起点f_s,i＝f_s,i-1+B₂,i＝2,3,...,j-1,j+1,...M，所有通道频段终点为f_s,i+B₁,i＝1,2,...,M，如图2所示。M的选取需使得通道的总频段完全覆盖跳频范围，即满足 f_s,M+B₁≥f₂；第j个通道的存在是为了满足频率解模糊的条件，即相同的一组编号通道之间 的重叠频段带宽不超过因此需对该通道的频段起点加以设计以满足解模糊条件。正如步 骤(1)中所述，在中频段只划分了两个子频段的情况下，即N＝2时，频率解模糊的条件必 定成立，即不需要第j个通道的存在。应该注意到，在完全覆盖跳频范围的基础上，增加通道 数目以满足频率解模糊的条件是必要的，且增加的通道频段划分规则与上述规则相同。

3)频率解模糊处理通过综合分析由M个通道信号给出的三个信息，即过门限检测结 果、测频结果、测频结果是否处于自模糊频段，就能够进行频率解模糊处理。依据上述频段划分规则，将跳频模拟信号划分为M个频段相互重叠的通道信号，并在中频跳频段对各通道信号进行数字化处理，信号频率的变化会使得各通道的过门限检测结果随之变化，记录各通道过门限检测结果，即得到了频率解模糊的第一个信息。测量过门限的通道内信号频率，并记为f_c，即得到了频率解模糊的第二个信息。进一步判断f_c是否处于自模糊频段可得到频率解模糊的第三个信息。

4)获取了频率解模糊的三个信息后，在频率解模糊的分析过程中有两类情况，一是 存在唯一通道过门限，此时不存在频率模糊，只需要判断信号频率所在子频段，并得出未 折叠的中频频率f_m；二是存在多个通道过门限，在经过合理的频段划分，即满足频率解模 糊的条件时，此时仅可能出现自模糊频段若出现自模糊 频段，根据频率解模糊的第三个信息，将出现自模糊频段的通道剔除，余下有效通道，任选其一，并进一步分析有效通道内信号频率所在子频段，得出未折叠的中频频率f_m；若恰好多个通道均未出现自模糊频段，则可以任选其一作为有效通道加以分析。

本实施方式以信号带宽为20MHz，跳频范围10～12GHz的跳频信号为例，假设信号跳频三次， 频率依次为10.4GHz，11GHz，11.7GHz。利用本发明提出的方法对该跳频信号的频率进行测 量。为了便于设计者更好的理解实施步骤，采用三种不同的设计方案，并分别描述三个方案的 实施步骤。

设计方案一选择较高的ADC采样率，该方案最容易分析，具体实施方式步骤如下：

步骤1)ADC采样率f_s＝1.6GHz，参考频率f₀＝60MHz，中频子频段个数N＝2。划分的子 频段为0.06～0.74GH和z0.86～1.54GHz，中频跳频范围0.06～1.54G，Hz中频跳频带宽B₁＝1.48GH，z子频段带宽B₂＝0.68GHz，自模糊频段为0.74～0.86GHz。

步骤2)射频各通道的频段划分如图3所示，图中标出了信号频率变化时过门限检测结果，通 道1：10～11.48GHz，通道2：10.68～12.16GHz，通道数目M＝2。各通道的本振信号频率 根据中频跳频范围设计，依次为f_l,1＝9.94GHz，f_l,2＝10.62GHz。

步骤3)在每个跳频点处分析出频率解模糊的三个信息，如下：

a)信号频率f＝10.4GHz时，信息一：过门限检测结果为通道1存在信号；信息二：通道1的测频结果f_c,1＝0.46GHz；信息三：f_c,1不在通道1的自模糊频段。

b)信号频率f＝11GHz时，信息一：过门限检测结果为通道1,2存在信号；信息二：通道1的测频结果f_c,1＝0.54GHz，通道2的测频结果f_c,2＝0.38GHz；信息三：通道2,3 的测频结果均不在自模糊频段。

c)信号频率f＝11.7GHz时，信息一：过门限检测结果为通道2存在信号；信息二：通道2的测频结果f_c,2＝0.52GHz；信息三：f_c,2不在通道2的自模糊频段。

步骤4)在每个跳频点处进行频率解模糊处理，具体如下：

a)信号频率f＝10.4GHz时，选择通道1进行分析；

其实际中频频率f_m,1＝f_c,1＝0.46GHz，则计算得出信号频率f_c＝f_m,1+f_l,1＝10.4GHz；

b)信号频率f＝11GHz时，通道1,2均可进行分析，但显然选择通道2更容易分析，通道2的实际中频频率f_m,2＝f_c,2＝0.38GHz，则计算得出信号频率f_c＝f_m,2+f_l,2＝11GHz；

c)信号频率f＝11.7GH时z，选择通道2进行分析，其实际中频频率 f_m,2＝-f_c,2+f_s＝1.08GHz，则计算得出信号频率f_c＝f_m,3+f_l,3＝11.7GHz。

设计方案二降低ADC采样率，相应的需要更多的通道进行解模糊处理，分析较为复杂，具体实 施方式步骤如下：

步骤1)ADC采样率f_s＝1GHz，参考频率f₀＝60MHz，中频子频段个数N＝2。划分的子频 段为0.06～0.44G和H0.z56～0.94GHz，中频跳频范围0.06～0.94G中H频z跳频带宽 B₁＝0.88GHz，子频段带宽B₂＝0.38GHz，自模糊频段为0.44～0.56GHz。

步骤2)射频段各通道的频段划分如图4所示，图中标出了信号频率变化时过门限检测结果， 通道1：10～10.88GHz，通道2：10.38～11.26GHz，通道3：10.76～11.64GHz，通道4： 11.14～12.02GHz，通道数目M＝4。各通道的本振信号频率根据中频跳频范围设计，依次为 f_l,1＝9.94GHz，f_l,2＝10.32GHz，f_l,3＝10.7GHz，f_l,4＝11.08GHz。

步骤3)在每个跳频点处分析出频率解模糊的三个信息，如下：

a)信号频率f＝10.4GHz时，信息一：过门限检测结果为通道1,2存在信号；信息二：通道1的测频结果f_c,1＝0.46GHz，通道2的测频结果f_c,2＝0.08GHz；信息三：f_c,1处于通 道1的自模糊频段。

b)信号频率f＝11GHz时，信息一：过门限检测结果为通道2,3存在信号；信息二：通道2的测频结果f_c,2＝0.18GHz，通道3的测频结果f_c,3＝0.3GHz；信息三：通道2,3的 测频结果均不在自模糊频段。

c)信号频率f＝11.7GHz时，信息一：过门限检测结果为通道4存在信号；信息二：通道4的测频结果f_c,4＝0.38GHz；信息三：通道4的测频结果不在自模糊频段。

步骤4)在每个跳频点处进行频率解模糊处理，具体如下：

a)信号频率f＝10.4GHz时，剔除出现自模糊频段的通道1，选择通道2进行分析，通道2实际中频频率f_m,2＝f_c,2＝0.08GHz，则计算得出信号频率f_c＝f_m,2+f_l,2＝10.4GHz；

b)信号频率f＝11GHz时，通道2,3均可进行分析，但显然选择通道3更容易分析，通道3的实际中频频率f_m,3＝f_c,3＝0.3GHz，则计算得出信号频率f_c＝f_m,3+f_l,3＝11GHz；

c)信号频率f＝11.7GHz时，仅通道4过门限，因此选择通道4进行分析，通道4实 际中频频率f_m,4＝-f_c,4+f_s＝0.62GHz，则计算得出信号频率f_c＝f_m,4+f_l,4＝11.7GHz。

设计方案三进一步降低ADC采样率，且增加子频段数目以覆盖跳频范围，具体实施方式步骤如 下：

步骤1)ADC采样率f_s＝0.8GHz，参考频率f₀＝40MHz，中频子频段个数N＝3。划分的子 频段为0.04～0.36GHz，0.44～0.76GHz，0.84～1.16GHz，中频跳频范围0.04～1.16GHz，中 频跳频带宽B₁＝1.12GH，z子频段带宽B₂＝0.32GH，z自模糊频段为0.36～0.44GHz和0.76～0.84GHz。

步骤2)射频各通道的频段划分为，通道1：10～11.12GHz，通道2：10.32～11.44GHz，通道 3：10.64～11.76GHz，通道4：10.96～12.08GHz，通道数目M＝4。各通道的本振信号频率 根据中频跳频范围设计，依次为f_l,1＝9.96GHz，f_l,2＝10.28GHz，f_l,3＝10.6GHz，f_l,4＝10.92GHz。

步骤3)在每个跳频点处分析出频率解模糊的三个信息，如下：

a)信号频率f＝10.4GHz时，信息一：过门限检测结果为通道1,2存在信号；信息二：通道1的测频结果f_c,1＝0.44GHz，通道2的测频结果f_c,2＝0.12GHz；信息三：f_c,1在通道 1的自模糊频段。

b)信号频率f＝11GHz时，信息一：过门限检测结果为通道1,2,3,4均存在信号；信息二：通道1的测频结果f_c,1＝0.16GHz，通道2的测频结果f_c,2＝0.08GHz，通道3的测 频结果f_c,3＝0.4GHz，通道4的测频结果f_c,4＝0.08GHz；信息三：f_c,3在通道3的自模糊 频段。

c)信号频率f＝11.7GHz时，信息一：过门限检测结果为通道3,4存在信号；信息二：通道3的测频结果f_c,3＝0.1GHz，通道4的测频结果f_c,4＝0.42GHz；信息三：f_c,4在通道4 的在自模糊频段。

步骤4)在每个跳频点处进行频率解模糊处理，具体如下：

a)信号频率f＝10.4GHz时，剔除出现自模糊频段的通道1，选择通道2进行分析，通道2实际中频频率f_m,2＝f_c,2＝0.12GHz，则计算得出信号频率f_c＝f_m,2+f_l,2＝10.4GHz；

b)信号频率f＝11GHz时，剔除出现自模糊频段的通道3，通道1,3,4均可进行分析，但显然选择通道4更容易分析，通道4的实际中频频率f_m,4＝f_c,4＝0.08GHz，则计算得出 信号频率f_c＝f_m,3+f_l,3＝11GHz；

c)信号频率f＝11.7GHz时，剔除出现自模糊频段的通道4，选择通道3进行分析，通道3实际中频频率则计算得出信号频率 f_c＝f_m,3+f_l,3＝11.7GHz。

Claims (1)

1.一种大带宽跳频窄带信号多通道欠采样测频方法，该方法包括：

步骤1：利用M个不同的本振信号，将M个通道的射频模拟信号下变频到中频跳频范围内，得到跳频模拟信号，并划分出N个中频子频段，分别为其中N的值根据跳频带宽、采样率f_s及参考频率f₀确定；中频跳频范围为中频跳频带宽每个子频段带宽

步骤2：将M个通道的射频频段做如下划分：第1个通道频段起点f_s,1＝f₁，第i个通道频段起点f_s,i＝f_s,i-1+B₂,i＝2,3,...,j-1,j+1,...M，所有通道频段终点为f_s,i+B₁,i＝1,2,...,M，M的选取需使得通道的总频段完全覆盖跳频范围；

步骤3：依据步骤2中频段划分方法，将步骤1得到的跳频模拟信号划分为M个频段相互重叠的通道信号，并在中频跳频段对各通道信号进行数字化处理，信号频率的变化会使得各通道的过门限检测结果随之变化，记录各通道过门限检测结果；测量过门限的通道内信号频率，并记为f_c；进一步判断f_c是否处于自模糊频段内，所述的自模糊频段为根据获得的三个信息：过门限检测结果、测频结果、测频结果是否处于自模糊频段进行后续解模糊处理；

步骤4：获取了频率解模糊的三个信息后，在频率解模糊的过程中分为两类情况；

(1)存在唯一通道过门限，此时不存在频率模糊，只需要判断信号频率所在子频段，并得出未折叠的中频频率f_m；

(2)存在多个通道过门限；

a.若出现自模糊频段，将出现自模糊频段的通道剔除，余下有效通道，任选其一，并进一步分析有效通道内信号频率所在子频段，得出未折叠的中频频率f_m；

b.若未出现自模糊频段，则可以任选其一，并进一步分析有效通道内信号频率所在子频段，得出未折叠的中频频率f_m。