CN108923785B

CN108923785B - 提高ddc后多通道合成信号信噪比的方法

Info

Publication number: CN108923785B
Application number: CN201810735646.2A
Authority: CN
Inventors: 王波; 林叶; 何国强; 李世平; 李明
Original assignee: CETC 14 Research Institute
Current assignee: CETC 14 Research Institute
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2038-07-06
Also published as: CN108923785A

Abstract

本发明提供一种提高DDC后多通道合成信号信噪比的方法，包括以下步骤：对AD量化输出的数字信号进行对称修正，特别是将谷值量化数据(‑2^n‑1)修正为(‑2^n‑1+1)；对DDC处理中过程数据进行对称四舍五入截位和对称饱和截位处理，其中对称四舍五入截位处理将尾数为‑0.5的数据向下四舍五入，使得绝对值相同的数据经截位后的绝对值仍然相同，对称饱和截位处理将最小饱和值修正为与最大饱和值绝对值相同，符号相反。本发明能够提高DDC后多通道合成信号信噪比、镜像抑制比和SFDR，提高信号分辨率，增加信号传输距离，有效提高信号处理系统的性能指标。

Description

提高DDC后多通道合成信号信噪比的方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，特别涉及一种提高DDC后多通道合成信号信噪比的方法。

背景技术

近年来，随着全数字化雷达技术的迅速推广，雷达系统覆盖的频段范围不断扩大，阵元数量也不断增加，需要处理的信道数量已达10⁴量级，回波信号积累强度较大。

雷达信号处理过程中，任何一类数据的微小同向误差，都会引起输出信号信噪比的降低，导致系统性能指标下降。在以往阵元数量不大的雷达系统中，对DDC处理过程中的数据一般采用直接截位或一般四舍五入方法。直接截位处理办法分为向下取整和向上取整两种；一般四舍五入截位方法一般是直接截取所需位宽数据，然后加上后1位数据。此两种截位方法均会导致DDC处理后合成信号的噪底抬高，降低信号信噪比。由于在雷达系统阵元数量不多的情况下，信号积累强度有限，此种处理办法产生的影响不大。在雷达阵元数量达10⁴量级时，直接截位方法或一般四舍五入方法会因输入数据的非对称性和过程数据的有限字长效应引起较大误差，从而影响信号分辨率和传输距离。因此，寻找一种有效降低上述误差，提高雷达多通道合成信号信噪比的方法很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高DDC后多通道合成信号信噪比的方法，以解决在雷达阵元数量达10⁴量级时，现有技术会因输入数据的非对称性和过程数据的有限字长效应引起较大误差的问题，从而提高信号处理系统的性能指标。为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：提高DDC后多通道合成信号信噪比的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1对AD量化输出的数字信号进行对称修正，将饱和最小值修正为与饱和最大值绝对值相同；

步骤2对DDC处理中过程数据进行对称截位处理，所述对称截位处理包括对称饱和截位和对称四舍五入截位。

进一步的，所述步骤1中对AD量化输出的数字信号进行对称修正的具体方法为：模拟信号输入AD转换器，根据模拟信号幅度进行有符号数刻度标定，当模拟信号峰值达到AD量化的上限时，量化输出数字信号为(2^n-1-1)，其中n为输入数据位宽，即AD量化位宽；当模拟信号的谷值达到AD量化的上限时，将量化输出数字信号修正为(-2^n-1+1)。

进一步的，所述对称四舍五入截位具体为：对于输出数据A，输出数据A的位宽为2m，m>2，输出结果修正为：A[2m-1:m]。

进一步的，步骤2中所述对称饱和截位是针对进行四舍五入截位之前已饱和与截位后饱和的数据，对于最大正数，输出数据为(2m-1-1)，对于最小负数，输出结果修正为(-2m-1+1)，2m为输出数据位宽。

本发明采用数据对称处理方法，降低输入信号量化误差、DDC处理中的过程数据误差。步骤1中，对AD量化输出的数字信号进行对称修正。模拟信号输入AD转换器，根据模拟信号幅度进行有符号数刻度标定，当模拟信号峰值达到AD量化的上限时，量化输出数字信号为(2^n-1-1)，其中n为AD量化位宽；当模拟信号的谷值达到AD量化的上限时，量化输出数字信号为(-2^n-1)。此时，模拟信号的峰值和谷值量化输出的数字信号绝对值不同，在经过后续正交分解，降频，通道合成等处理之后，信号的噪底会被抬高。针对此种现象，需要对AD量化数据进行对称修正，具体操作方法为：将AD的谷值量化数据-(2^n-1))修正为(-2^n-1+1)。

步骤2中，对DDC处理中过程数据进行对称截位处理。对称截位分为两部分内容：对称饱和截位和对称四舍五入截位。

步骤2中，所述对称饱和截位是针对进行四舍五入截位之前已饱和与截位后饱和的数据，对于最大正数，输出数据为(2^m-1-1)，对于最小负数，输出结果修正为(-2^m-1+1)。在通用的饱和削顶截位中，对于最大正数，输出数据为：(2^m-1-1)；而对于最小负数，输出结果为：(-2^m-1)，此种截位结果会导致在一个正弦信号周期里，采样点之和不为0，经过DDC处理、通道合成等处理之后，输出信号底噪会整体抬高，影响信噪比。针对此现象，采用对称饱和削顶处理，对于最小负数，进行饱和削顶截位时，输出结果改为(-2^m-1+1)。

步骤2中，所述对称四舍五入截位是基于一般四舍五入截位进行了特殊数据修正，将尾数为-0.5的数据向下四舍五入，使得绝对值相同的数据经截位后的绝对值仍然相同。在利用FPGA或ASIC实现信号处理的过程中，对于一个2m(m>2)位宽数据A进行m位截取的方法为：B＝A[2m-1:m]+A[m-1]；此种截位对于A[2m-1]＝1,A[m-1]＝1,A[m-2:0]＝0，这类特殊数据，一般四舍五入数据结果为：A[2m-1:m]+1。采用对称四舍五入方法对此类数据进行修正，当数据满足前面所述条件时，输出结果改为：A[2m-1:m]。

本发明提供的提高DDC后多通道合成信号信噪比的方法，与现有技术相比具有以下有益效果：

1.输出信号信噪比高。通过本发明所述数据对称处理方法，在信号强度不变的情况下，修正了输入信号的谷值，保证信号在正负区间对称；同时对过程数据的对称四舍五入处理，确保处理过程中数据在周期内对称。处理之后的数据经过DDC、通道合成，可测试输出信号的噪底能量明显降低，提高信噪比。

2.提高镜像抑制比。影响镜像抑制比大小的主要因素是实部信号与虚部信号对称性，以及实部、虚部自身信号的对称性。对实部和虚部信号分别做频域变换，会发现有效频率分量基于0频对称；而对复数信号进行频域变换，理论上只有单侧频域分量，另外一侧对应频率信号淹没于噪底之中。在算法中，实际上是复数的频域输出是：一侧频率信号能量是实部与虚部相加，另外一侧频率信号能量是实部与虚部相减。本发明所述数据对称处理方法，确保了实部、虚部信号的相位一致性和幅度一致性，大幅提高信号的镜像抑制比。

3.提高无杂散动态噪声范围(SFDR)。SFDR是指信号中最高频率分量与次高频率分量的能量之比。在信号处理中，最高频率分量信号为输入有效信号，而次高分量一般为直流分量和谐波分量。提高的SFDR的主要方法是减小直流分量和谐波分量，谐波抑制可以通过配置合适中频和滤波器实现。本发明对数据的对称处理，保证了通道合成后信号之和为0或者接近0，大大降低了直流分量信号强度，提高了SFDR。

附图说明

图1是数据对称处理流程图。

图2是对称饱和截位与一般截位对比图。

图3是对称四舍五入与一般四舍五入对比图。

图4是AD输出信号波形图。

图5(a)是对称修正前AD量化输出数据频谱图。

图5(b)是对称修正后AD量化输出数据频谱图。

图6(a)是数据对称截位前频谱图。

图6(b)是数据对称截位后频谱图。

图7是未经对称处理数据频谱图。

图8是经对称处理①～⑤数据频谱图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的提高DDC后多通道合成信号信噪比的方法作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明的提高DDC后多通道合成信号信噪比的方法包括以下步骤：

步骤2对DDC处理中过程数据进行对称截位处理，所述对称截位处理包括对称饱和截位。

所述步骤1中对AD量化输出的数字信号进行对称修正的具体方法为：模拟信号输入AD转换器，根据模拟信号幅度进行有符号数刻度标定，当模拟信号峰值达到AD量化的上限时，量化输出数字信号为(2^n-1-1)，其中n为输入数据位宽，即AD量化位宽；当模拟信号的谷值达到AD量化的上限时，将量化输出数字信号修正为(-2^n-1+1)。

本实施例1采用对称饱和截位方法进行数据处理。如图2所示，待截位数据位宽5bit有符号数据，输出数据位宽为4bit，需要截去1bit。其中待截位数据14，-14超过了4bit数据的表征范围，需要进行饱和截位处理，采用一般的饱和平滑截位方法，输出结果为7，-8；而采用对称饱和截位方法，输出结果为：7，-7。确保了饱和数据经截位后绝对值相同。利用对称处理，信号经DDC处理通道合成后，输出的正交复信号可以保持较好的正交性和幅度一致性，进而实现镜像抑制比的大幅提升。

本实施例1对AD量化输出的数字信号进行对称修正(1)：

8.8MHz信号经330MHz中频调制，经滤波处理，输入120Msps采用率的ADC。数据点数12000，如图4所示，AD满幅输出，没有经过对称处理时，量化数据区间为[-32768,32767]，最小值为-32768，最大值为32767。其频率特性如图5(a)所示，直流偏置为72.14dB，SFDR为93.16dB。经过AD数据对称处理之后量化数据区间为[-32767,32767]，频率特性如图5(b)所示，直流偏置为49.52dB，SFDR为109.93dB。可以发现，经过AD数据对称处理①，直流偏置和SFDR性能均有了显著提升。

本实施例1对对DDC处理中过程数据进行对称截位处理(1)：

在DDC处理、通道合成过程等信号处理中，通常数据位宽较大，需要对输出数据进行截位处理，截位之前需要判断数据是否饱和，对于常用的饱和平滑处理方式，即待截位数据大于截位后数据位宽所能表征的最大值，输出最大值；反之，输出最小值。如图6(a)所示，为采用一般截位方法的数据频谱图，输出信号SNR为61.2086dB，直流分量为48.52dB，SFDR为89.8dB。图6(b)为采用对称饱和截位方法的数据频谱图，截位方法如图2图3所示，输出信号SNR为63.2493dB，直流分量为36.94dB，SFDR为99.9dB。采用对称饱和截位方法，确保了饱和数据经截位后绝对值相同，未饱和数据截位后数据误差相同，大幅度降低了合成信号在直流位置的积累。如图7、图8所示，经过本发明所述方法处理之后，输出数据SNR提高了2.04dB，直流分量降低了11.5dB，SFDR提高了10dB。

实施例2

本实施例采用对称四舍五入截位方法进行数据处理，其他与实施例1相同不再详述。所述对称四舍五入截位具体为：对于输出数据A，输出数据A的位宽为2m，m>2，输出结果修正为：A[2m-1:m]。所述对称饱和截位是针对进行四舍五入截位之前已饱和与截位后饱和的数据，对于最大正数，输出数据为(2m-1-1)，对于最小负数，输出结果修正为(-2m-1+1)，2m为输出数据位宽。

如图3所示，针对类似-3.5，-2.5，2.5，3.5等输入数据，经一般的verilog代码四舍五入截位方法处理，输出结果为：-3，-2，3，4。经对称四舍五入截位方法处理，输出结果为：-4，-3，3，4。可以发现，经对称处理之后的数据，绝对值相同的数据经四舍五入截位之前和截位之后的绝对值仍然相同。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.提高DDC后多通道合成信号信噪比的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1 对AD量化输出的数字信号进行对称修正，将饱和最小值修正为与饱和最大值绝对值相同；

步骤2 对DDC处理中过程数据进行对称截位处理，所述对称截位处理包括对称饱和截位和对称四舍五入截位；

所述步骤1中对AD量化输出的数字信号进行对称修正的具体方法为：模拟信号输入AD转换器，根据模拟信号幅度进行有符号数刻度标定，当模拟信号峰值达到AD量化的上限时，量化输出数字信号为（2^n-1-1），其中n为输入数据位宽，即AD量化位宽；当模拟信号的谷值达到AD量化的上限时，将量化输出数字信号修正为(-2^n-1+1 )。

2.根据权利要求1所述的提高DDC后多通道合成信号信噪比的方法，其特征在于所述对称四舍五入截位具体为：对于输出数据A，输出数据A的位宽为2m，m>2，输出结果修正为：A[2m-1:m]；

步骤2中所述对称饱和截位是针对进行四舍五入截位之前已饱和与截位后饱和的数据，对于最大正数，输出数据为（2^m-1-1），对于最小负数，输出结果修正为（-2^m-1+1），2m为输出数据位宽。