CN110068730A - 双频段频谱数据采集方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一双频段频谱数据采集方法，应用于信号处理技术领域，包括：采用模数转换器对待测模拟信号进行模数转换，得到待测数字信号，利用可编程门阵列对该待测数字信号进行频谱分析，得到该待测数字信号中的高频段频谱数据，使用有限脉冲响应滤波器对该待检测数字信号进行低通滤波，得到该待测数字信号中的低频段数据，按照预设抽取倍数对该低频段数据进行抽样，对抽取后的低频段数据进行频谱分析，并使用该有限脉冲响应滤波器的幅频响应对其幅度谱进行补偿，得到低频段频谱数据。本发明还公开了一种双频段频谱数据采集装置，仅需要一个有限脉冲响应滤波器和一个模数转换器即可同时得到高频段频谱数据和低频段频谱数据，简单可靠。

Description

双频段频谱数据采集方法及装置
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种双频段频谱数据采集方法及装置。
背景技术
低频射电频谱仪是安装在嫦娥四号着陆器平台上的空间低频射电信号观测仪器，通过对来自太阳及其行星际空间、银河系空间等的低频电场进行探测，分析电场的频谱信息，实现对太阳低频射电特征和月表低频辐射环境进行探测。
根据低频射电频谱仪的技术要求，探测仪的工作频率为0.1～40MHz，为保证接收信号的灵敏度和频率分辨率，分为两个频段进行接收，其中低频段频率范围0.1～2MHz，频率分辨率优于10kHz，高频段频率范围1～40MHz，频率分辨率优于200kHz。
传统低频射电探测仪在接收机采用两组滤波器和两个模数转换器，分别对高频段信号和低频段信号进行滤波和数字化，然后在数字域进行频谱分析，该方法硬件实现复杂，并且需要使用开关频繁在低频段接收和高频段接收间切换，可靠性低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种双频段频谱数据采集方法及装置，以使双频段频谱数据采集的过程简易、可靠。
为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供一种双频段频谱数据采集方法，包括：
采用模数转换器对待测模拟信号进行模数转换，得到待测数字信号；
利用可编程门阵列对所述待测数字信号进行频谱分析，得到所述待测数字信号中的高频段频谱数据；
使用有限脉冲响应滤波器对所述待检测数字信号进行低通滤波，得到所述待测数字信号中的低频段数据；
按照预设抽取倍数对所述低频段数据进行抽样；
对抽样后的低频段数据进行频谱分析，并使用所述有限脉冲响应滤波器的幅频响应对所述抽取后的低频段数据的幅度谱进行补偿，得到所述待测数字信号中的低频段频谱数据。
进一步地，所述使用有限脉冲响应滤波器对所述待检测数字信号进行低通滤波的过程中，令所述有限脉冲响应滤波器的冲击响应为h(n)，则：
其中，I0(.)为第一类变形零阶贝塞尔函数，M为60。
进一步地，所述采用模数转换器对待测模拟信号进行模数转换之前，包括：
使用截止频率为fc的低通滤波器对待测模拟信号进行滤波；
所述采用模数转换器对待测模拟信号进行模数转换，得到待测数字信号包括：
采用采样速率为2.5fc的模数转换器对滤波后的待测模拟信号进行模数转换，得到所述待测数字信号。
进一步地，所述利用可编程门阵列对所述待测数字信号进行频谱分析，得到所述待测数字信号中的高频段频谱数据包括：
对所述待测数字信号中2N个采样点进行快速傅里叶变换，得到频率分辨率为2.5fc/2N的0～fc兆赫兹的高频段频谱数据，N为正整数。
进一步地，所述使用有限脉冲响应滤波器对所述待检测数字信号进行低通滤波，得到所述待测数字信号中的低频段数据包括：
使用所述有限脉冲响应滤波器对待检测数字信号进行卷积处理，得到采样频率为2.5fc每秒采样百万次的低通滤波后的低频段数据。
进一步地，所述对抽取后的低频段数据进行频谱分析包括：
令预设抽取倍数为Q，对抽取后的低频段数据中的2N个采样点进行快速傅里叶变换，得到频率分辨率为2.5fc/Q/2N的0～fc/Q兆赫兹的低频段数据。
进一步地，其特征在于，所述使用所述有限脉冲响应滤波器的幅频响应对所述抽取后的低频段数据的幅度谱进行补偿包括：
使用补偿函数与低频段幅度谱相乘，消除所述有限脉冲响应滤波器对所述低通滤波器的截止频率附近的频谱的衰减影响，令补偿函数为Hc(ω)，则：
其中，h(n)表示所述有限脉冲响应滤波器的冲击响应，j表示虚数，ω为频率。
进一步地，所述预设抽取倍数为20倍。
本发明实施例第二方面提供一种双频段频谱数据采集装置，包括：
模数转换器，用于对待测模拟信号进行模数转换，得到待测数字信号；
可编程门阵列，用于对所述待测数字信号进行频谱分析，得到所述待测数字信号中的高频段频谱数据；
有限脉冲响应滤波器，用于对所述待检测数字信号进行低通滤波，得到所述待测数字信号中的低频段数据；
抽样模块，用于按照预设抽取倍数对所述低频段数据进行抽样；
频谱分析模块，用于对抽样后的低频段数据进行频谱分析；
所述有限脉冲响应滤波器，还用于对所述抽取后的低频段数据的幅度谱进行补偿，得到所述待测数字信号中的低频段频谱数据。
进一步地，所述使用有限脉冲响应滤波器对所述待检测数字信号进行低通滤波的过程中，令所述有限脉冲响应滤波器的冲击响应为h(n)，则：
其中，I0(.)为第一类变形零阶贝塞尔函数，M为60。
从上述本发明实施例可知，本发明提供的双频段频谱数据采集方法及装置，采用模数转换器对待测模拟信号进行模数转换，得到待测数字信号，利用可编程门阵列对该待测数字信号进行频谱分析，得到该待测数字信号中的高频段频谱数据，使用有限脉冲响应滤波器对该待检测数字信号进行低通滤波，得到该待测数字信号中的低频段数据，按照预设抽取倍数对该低频段数据进行抽样，对抽取后的低频段数据进行频谱分析，并使用该有限脉冲响应滤波器的幅频响应对该抽取后的低频段数据的幅度谱进行补偿，得到该待测数字信号中的低频段频谱数据，仅需要一个有限脉冲响应滤波器和一个模数转换器即可同时得到高频段频谱数据和低频段频谱数据，简单可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的双频段频谱数据采集方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的双频段频谱数据采集方法中FIR低通滤波器冲击响应h(n)的时间序列示意图；
图3为本发明一实施例提供的双频段频谱数据采集方法中FIR低通滤波器的幅频响应的示意图；
图4为本发明一实施例提供的双频段频谱数据采集方法中低频段频谱补偿函数的幅频特性的示意图；
图5为本发明一实施例提供的双频段频谱数据采集方法中低频段频谱的镜像频率抑制比的示意图；
图6为本发明一实施例提供的双频段频谱数据采集方法中采集某一温度下标准噪声源的高频段功率谱的示意图；
图7为本发明一实施例提供的双频段频谱数据采集方法中采集的某一温度下标准噪声源的低频段功率谱的示意图；
图8为本发明另一实施例提供的双频段频谱数据采集装置的结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明一实施例提供的双频段频谱数据采集方法的流程示意图，该方法主要包括以下步骤：
S101、采用模数转换器对待测模拟信号进行模数转换，得到待测数字信号；
采用采样速率为2.5fc的模数转换器(ADC，Analog-to-Digital Converter)对滤波后的待测模拟信号进行模数转换，得到该待测数字信号。
更多的，在采用模数转换器对待测模拟信号进行模数转换之前，在模拟接收机中，使用截止频率为fc的低通滤波器对待测模拟信号进行滤波。
S102、利用可编程门阵列对该待测数字信号进行频谱分析，得到该待测数字信号中的高频段频谱数据；
在可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)中，FPGA接收该待测数字信号中的2N个采样点，然后对这些采样点进行快速傅里叶变换(FFT，Fast FourierTransform)，得到频率分辨率为2.5fc/2N的0～fc兆赫兹(MHz)的高频段频谱数据。其中，N为正整数。
S103、使用有限脉冲响应滤波器对该待检测数字信号进行低通滤波，得到该待测数字信号中的低频段数据；
使用该有限脉冲响应滤波器(FIR，Finite Impulse Response Rilter)对待检测数字信号进行卷积处理，得到采样频率为2.5fc每秒采样百万次(MSPS，Million Samplesper Second)的低通滤波后的低频段数据。其中，令有限脉冲响应滤波器的冲击响应为h(n)，及窗函数为h(n)，则：
其中，I0(.)为第一类变形零阶贝塞尔函数，M为60。窗函数的时间序列和幅频响应分别如图2和图3所示。
该FIR低通滤波器，对l00kHz～2MHz低频段频谱的带外抑制比大于30分贝。
S104、按照预设抽取倍数对该低频段数据进行抽样；
令预设抽取倍数为Q，则按照抽取倍数Q对所述低频段数据进行抽样后，得到采样频率为2.5fc/Q MSPS的低频段数据，降低低频段频谱分析所需数据量。
S105、对抽样后的低频段数据进行频谱分析，并使用该有限脉冲响应滤波器的幅频响应对该抽取后的低频段数据的幅度谱进行补偿，得到该待测数字信号中的低频段频谱数据。
收集抽取后的低频段数据中的2N个采样点，然后进行快速傅里叶变换，得到频率分辨率为2.5fc/Q/2N的0～fc/Q兆赫兹的低频段数据。N为正整数。
然后，使用补偿函数与低频段幅度谱相乘，消除该有限脉冲响应滤波器对该低通滤波器的截止频率附近的频谱的衰减影响，得到信号频谱的真实幅度。令补偿函数为Hc(ω)，则：
其中，h(n)表示该FIR滤波器的冲击响应，j表示虚数，ω为频率。对应的补偿曲线如图4所示。
以下对本发明实施例进行具体举例说明：
首先，使用截止频率为40MHz的低通滤波器对待测模拟信号滤波后，采用采样速率为100MSPS的高速ADC进行模数转换。
然后，FPGA接收1024个采样点后，进行FFT处理，得到频率分辨率为97.7kHz的1MHz～40MHz高频段频谱。
然后，使用FIR滤波器对待检测数字信号进行低通滤波，得到采样频率为100MSPS的低频段数据。
然后，按照预设抽取倍数为20倍，对该低频段数据进行抽样，得到采样频率为5MSPS的低频段数据。
抽取会引入频谱混叠，造成频谱中的高频分量混叠到低频段。由于FIR滤波器的低通滤波作用，对2MHz以下低频段频谱影响最大的镜像频谱位于第二奈奎斯特区域(3～5MHz)。与低频段相比，滤波器对第二奈奎斯特区域中低频段镜像频率的抑制比如图5所示。
然后，收集1024个抽取后的低频段数据，进行FFT处理，得到频率分辨率为4.88kHz的100kHz～2MHz低频段数据。高时间-频谱分辨率探测，可用于有空间低频射电天文观测需求的其它任务。
然后，使用FIR滤波器的幅频响应对低频段数据的幅度谱进行补偿，消除FIR滤波器对截止频率附近信号频谱抑制作用的影响，得到该待测数字信号中的原始低频段频谱数据。
图6为本发明一实施例提供的双频段频谱数据采集方法中采集的某一温度下标准噪声源的高频段功率谱的示意图，图7为本发明一实施例提供的双频段频谱数据采集方法中采集的某一温度下标准噪声源的低频段功率谱的示意图。在1MHz频率以下，高频段频谱和低频段频谱功率均出现了下降，且下降趋势一致；在2MHz频率内，修正频率分辨率的差异后，高频段频谱和低频段频谱的功率相同，有效进行了双频段频谱数据的采集。
在本发明实施例中，采用模数转换器对待测模拟信号进行模数转换，得到待测数字信号，利用可编程门阵列对该待测数字信号进行频谱分析，得到该待测数字信号中的高频段频谱数据，使用有限脉冲响应滤波器对该待检测数字信号进行低通滤波，得到该待测数字信号中的低频段数据，按照预设抽取倍数对该低频段数据进行抽样，对抽取后的低频段数据进行频谱分析，并使用该有限脉冲响应滤波器的幅频响应对该抽取后的低频段数据的幅度谱进行补偿，得到该待测数字信号中的低频段频谱数据，仅需要一个有限脉冲响应滤波器和一个模数转换器即可同时得到高频段频谱数据和低频段频谱数据，简单可靠。
请参阅图8，图8是本发明又一实施例提供的双频段频谱数据采集装置的结构示意图，该装置主要包括：
模数转换器201，用于对待测模拟信号进行模数转换，得到待测数字信号；
可编程门阵列202，用于对该待测数字信号进行频谱分析，得到该待测数字信号中的高频段频谱数据；
有限脉冲响应滤波器203，用于对该待检测数字信号进行低通滤波，得到该待测数字信号中的低频段数据；
抽样模块204，用于按照预设抽取倍数对该低频段数据进行抽样；
频谱分析模块205，用于对抽取后的低频段数据进行频谱分析；
有限脉冲响应滤波器203，还用于对该抽取后的低频段数据的幅度谱进行补偿，得到该待测数字信号中的低频段频谱数据。
本发明实施例未尽细节之处，请参阅图1至图7所示实施例的相关描述。
本发明实施例中，采用模数转换器对待测模拟信号进行模数转换，得到待测数字信号，利用可编程门阵列对该待测数字信号进行频谱分析，得到该待测数字信号中的高频段频谱数据，使用有限脉冲响应滤波器对该待检测数字信号进行低通滤波，得到该待测数字信号中的低频段数据，按照预设抽取倍数对该低频段数据进行抽样，对抽取后的低频段数据进行频谱分析，并使用该有限脉冲响应滤波器的幅频响应对该抽取后的低频段数据的幅度谱进行补偿，得到该待测数字信号中的低频段频谱数据，仅需要一个有限脉冲响应滤波器和一个模数转换器即可同时得到高频段频谱数据和低频段频谱数据，简单可靠。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的双频段频谱数据采集方法及装置的描述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种双频段频谱数据采集方法，其特征在于，包括：
采用模数转换器对待测模拟信号进行模数转换，得到待测数字信号；
利用可编程门阵列对所述待测数字信号进行频谱分析，得到所述待测数字信号中的高频段频谱数据；
使用有限脉冲响应滤波器对所述待检测数字信号进行低通滤波，得到所述待测数字信号中的低频段数据；
按照预设抽取倍数对所述低频段数据进行抽样；
对抽样后的低频段数据进行频谱分析，并使用所述有限脉冲响应滤波器的幅频响应对所述抽取后的低频段数据的幅度谱进行补偿，得到所述待测数字信号中的低频段频谱数据。
2.根据权利要求1所述的双频段频谱数据采集方法，其特征在于，所述使用有限脉冲响应滤波器对所述待检测数字信号进行低通滤波的过程中，令所述有限脉冲响应滤波器的冲击响应为h(n)，则：
其中，I0(·)为第一类变形零阶贝塞尔函数，M为60。
3.根据权利要求1或2所述的双频段频谱数据采集方法，其特征在于，所述采用模数转换器对待测模拟信号进行模数转换之前，包括：
使用截止频率为fc的低通滤波器对待测模拟信号进行滤波；
所述采用模数转换器对待测模拟信号进行模数转换，得到待测数字信号包括：
采用采样速率为2.5fc的模数转换器对滤波后的待测模拟信号进行模数转换，得到所述待测数字信号。
4.根据权利要求3所述的双频段频谱数据采集方法，其特征在于，所述利用可编程门阵列对所述待测数字信号进行频谱分析，得到所述待测数字信号中的高频段频谱数据包括：
对所述待测数字信号中2N个采样点进行快速傅里叶变换，得到频率分辨率为2.5fc/2N的0～fc兆赫兹的高频段频谱数据，N为正整数。
5.根据权利要求4所述的双频段频谱数据采集方法，其特征在于，所述使用有限脉冲响应滤波器对所述待检测数字信号进行低通滤波，得到所述待测数字信号中的低频段数据包括：
使用所述有限脉冲响应滤波器对待检测数字信号进行卷积处理，得到采样频率为2.5fc每秒采样百万次的低通滤波后的低频段数据。
6.根据权利要求5所述的双频段频谱数据采集方法，其特征在于，所述对抽取后的低频段数据进行频谱分析包括：
令预设抽取倍数为Q，对抽取后的低频段数据中的2N个采样点进行快速傅里叶变换，得到频率分辨率为2.5fc/Q/2N的0～fc/Q兆赫兹的低频段数据。
7.根据权利要求2所述的双频段频谱数据采集方法，其特征在于，所述使用所述有限脉冲响应滤波器的幅频响应对所述抽取后的低频段数据的幅度谱进行补偿包括：
使用补偿函数与低频段幅度谱相乘，消除所述有限脉冲响应滤波器对所述低通滤波器的截止频率附近的频谱的衰减影响，令补偿函数为Hc(ω)，则：
其中，h(n)表示所述有限脉冲响应滤波器的冲击响应，j表示虚数，ω为频率。
8.根据权利要求1所述的双频段频谱数据采集方法，其特征在于，所述预设抽取倍数为20倍。
9.一种双频段频谱数据采集装置，其特征在于，包括：
模数转换器，用于对待测模拟信号进行模数转换，得到待测数字信号；
可编程门阵列，用于对所述待测数字信号进行频谱分析，得到所述待测数字信号中的高频段频谱数据；
有限脉冲响应滤波器，用于对所述待检测数字信号进行低通滤波，得到所述待测数字信号中的低频段数据；
抽样模块，用于按照预设抽取倍数对所述低频段数据进行抽样；
频谱分析模块，用于对抽样后的低频段数据进行频谱分析；
所述有限脉冲响应滤波器，还用于对所述抽取后的低频段数据的幅度谱进行补偿，得到所述待测数字信号中的低频段频谱数据。
10.根据权利要求9所述的双频段频谱数据采集装置，其特征在于，所述使用有限脉冲响应滤波器对所述待检测数字信号进行低通滤波的过程中，令所述有限脉冲响应滤波器的冲击响应为h(n)，则：
其中，I0(·)为第一类变形零阶贝塞尔函数，M为60。
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