CN112129983A - 一种基于等时间间隔等效取样的波形恢复数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于波形恢复数据处理技术领域，具体涉及一种基于等时间间隔等效取样的波形恢复数据处理方法，包括下列步骤：S1、采用等时间间隔脉冲信号对超高频信号进行等效取样；S2、在频域内逐次逼近超高频信号的幅值最大值所对应的频率值；S3、通过欠取样时域波形和频率值的确定，重建原始信号。所述S1中对超高频信号进行取样的方法为：采用三个相邻采样频率对被测超高频信号分别进行取样，得到采样值。本发明采用三个相邻采样频率对被测信号进行取样，可克服被测信号含有整倍频采样率成分时的漏频问题，同时也可以基于三个不同取样率的取样信号进行频谱信号的频率计算。本发明用于波形的恢复及数据处理。
Description
技术领域
本发明属于波形恢复数据处理技术领域，具体涉及一种基于等时间间隔等效取样的波形恢复数据处理方法。
背景技术
随着5G通信技术的发展，以及雷达、信息对抗等高速、超宽带信号的广泛使用，对这些信号的取样、波形恢复、频谱分析等对科学仪器提出了更高的要求。
取样示波器是基于等效采样的原理，可将超高频的宽带信号转换为中高频信号，通过数据处理方式实现超高频信号波形重现和分析的通用仪器。取样器作为取样示波器的核心部件，由其将超宽带信号变频为中高频信号进行后续处理。取样器主要采用等效取样的方式实现超宽带信号的取样，目前常用的取样方式主要有：差频式取样、顺序式取样、随机式取样等。
差频式取样只适用于频率相近或近似为整数倍的两个信号，它的取样方式就是频闪效应过程。由于其对脉冲信号观测不方便，这种方法已经不再采用；随机等效取样不仅需要记录取样值，而且需要精确测量时间值，数据量大，且处理难度大，目前使用较少；顺序等效取样符合人的逻辑思维，但每次采样都需要增加一个微小的时间延时。目前基于斜波法产生微小延时，尤其是ps级的延时较难实现；且目前通过可编程延时芯片不能实现10ps级以下的精确延时。
针对目前雷达、信息对抗、核试验、通信等信号的带宽已经达到50GHz以上、要求信号的取样周期小于10ps，以及目前取样示波器的取样方法很难满足取样要求的现状，因此，有必要研究新的取样方法以及相应的数据处理方法。
发明内容
针对上述差频式取样适用范围小、随机等效取样处理难度大、顺序式取样ps级的延时较难实现的技术问题，本发明提供了一种适用范围广、处理难度小、精度高的基于等时间间隔等效取样的波形恢复数据处理方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于等时间间隔等效取样的波形恢复数据处理方法，包括下列步骤：
S1、采用等时间间隔脉冲信号对超高频信号进行等效取样；
S2、在频域内逐次逼近超高频信号的幅值最大值所对应的频率值；
S3、通过欠取样时域波形和频率值的确定，重建原始信号。
所述S1中采用50GHz的取样器对超高频信号进行取样，所述脉冲信号的取样率为500kHz，所述脉冲信号的周期为2us，所述脉冲信号的脉冲宽度小于10ps。所述S1中对超高频信号进行取样的方法为：采用三个相邻采样频率对被测超高频信号分别进行取样，得到三组采样值。
三个相邻采样频率分别为500kHz的等效取样脉冲信号、500kHz+1Hz的正偏差信号、500kHz-1Hz的负偏差信号。
所述S3中欠取样时域波形的恢复和频率的确定方法为：包括下列步骤：
S3.1、利用三个相邻采样频率以及三个相邻采样频率的逼近频率，计算被测信号频域的偏移次数和剩余频率，分别基于三个采样频率fsi和三个相邻采样频率的逼近频率fxi建立剩余频率矩阵，剩余频率矩阵估计为：
为了方便分析，设ai＝fxi-fsi，bi＝-fxi，ci＝fxi，di＝fsi-fxi，ei＝fsi+fxi，fi＝2fsi-fxi，
得简化的剩余频率估计矩阵为：
为了判断剩余频率，同时需估计偏移次数，基于采样频率差以及剩余频率估计值，构造判断矩阵Ⅰ，通过判断矩阵Ⅰ表示偏移次数，分析其最小频率差，判断矩阵Ⅰ表示为：
为简化表示，将判断矩阵Ⅰ改写为：
通过剩余频率矩阵、判断矩阵Ⅰ构造判断矩阵Ⅱ，通过判断矩阵Ⅱ估计在不同偏移次数时的最小频率偏移差，从而选择估计出剩余频率和偏移次数；
所述判断矩阵Ⅱ表示为：
在判断矩阵Ⅱ中，首先设fx2，fs2-fx2为真实频率值，通过判断矩阵Ⅱ的第3列，寻找最小的频率偏移差，确定剩余频率和偏移次数。
S3.2、由确定被测信号的剩余频率、偏移次数、采样频率，确定测量频率为：
测量频率＝采样频率*偏移次数+剩余频率
同时由被测超高频信号的剩余频率计算被测超高频信号的周期Ts，所述Ts＝1/剩余频率；
S3.3、利用求模方法，各个采样时间值ti除以被测超高频信号的周期Ts，其余数是顺序取样值所对应的时间，也是减去整倍周期后各取样点所对应的调整离散时间，
所述采样时间：T＝[0:1/fs:(fs-1)/fs]，所述fs为采样频率；
所述调整离散时间：t’＝mod(T,Ts)；
由调整离散时间和采样频率，恢复原始信号的波形。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明采用三个相邻采样频率对被测信号进行取样，可克服被测信号含有整倍频采样率成分时的漏频问题，同时也可以基于三个不同取样率的取样信号进行频谱信号的频率计算。
附图说明
图1为本发明等时间取样原理示意图；
图2为本发明超高频信号过采样时域图；
图3为本发明超高频信号过采样频谱图；
图4为本发明超高频信号欠采样后的中低频信号时域图；
图5为本发明超高频信号欠采样后的频谱图；
图6为本发明整倍频采样的超高频信号时域图；
图7为本发明频率逐次逼近流程图；
图8为本发明恢复的超高频信号时域波形图。
具体实施方式
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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。
实施例一
结合附图1对本发明的具体实施原理和方法进行详述。图1中的信号为超高频50GHz以上的信号，为了实现对超高频信号的取样和重建。采用周期为Ts、脉冲宽度为ΔT的稳定的周期脉冲信号对周期为T1的超高频信号进行取样。取样信号的周期大于被测信号的周期，不满足奈奎斯特采样定理。
在实验测试中，选择被测信号是频率为48000400000Hz及其三倍频余弦信号叠加信号，如图2所示。图2是在采样率为1000GHz的过采样率下采集的信号。过采样信号满足奈奎斯特采样定律，可直接利用FFT完成信号的频谱变换，从频域分析信号的频率特性。图3是获取的信号频谱图，从图3中可以正确得到两个频率成分的信号，其频率分别为4.795e+10，1.439e+11，与信号原始频率误差比较小。
在同样条件下，以500001Hz的采样率对被测信号进行欠采样，其取样信号如图4所示，并基于图4获得的频谱图如图5所示。由于采用欠采样取样方式，不满足奈奎斯特采样定律，不能基于FFT获取到正确的频谱图。如图5中重建的频谱中频率为3.916e+11，不能正确反映原始信号的频率成分。
在同样条件下，若以400000Hz的采样率对被测信号进行采样，由于被测信号的频率为采样频率的整倍频，每次采样信号相位基本一致，幅值相同，如图6所示。因此在该采样状况下，不能重建原始信号的频谱。
为了实现不同频率成分信号的波形重建，本专利提出采用三个相邻取样频率值的信号对被测信号进行取样。如分别采用[499999Hz,500000Hz,500001Hz]的采样率对超高频信号进行采样。
采用三个相邻采样率对被测信号进行取样，可克服被测信号含有整倍频采样率成分时的漏频问题。同时也可以基于三个不同取样率的取样信号进行频谱信号的频率计算。
以三个相邻取样率以欠采样方式对被测超高频信号进行取样，并基于快速傅里叶变换将取样信号由时域变换到频域，获得取样信号的频谱。
实验中采用两个不同频率的正弦波叠加作为超高频被测信号，其频谱中将有两个强度与入射幅值相关的窄带谱线。
为了更精准的确定被测信号谱线的频率值，在频域通过逐次逼近的方式确定谱线强度最大点所对应的频率值。
在逐次逼近确定谱线最大值所对应的频率值过程中，首先基于快速傅里叶变换特性，确定幅强度最大值所对应的频率点，再以该频率点为中心，构建三个频率点，如：[f0-1,f0,f0+1]。再分别以三个频率值构建时域波形信号。以构建的时域信号与采样值进行点乘并求和，通过最大值的逐次比较，逼近最接近的频率值。
频率逐次逼近的算法流程如图7所示。通过九次频率逼近比较的方式估算最大幅强度所对应的频率值。
以三个不同取样率对被测信号进行欠采样，不满足奈奎斯特采样定理，因此，经快速傅里叶变换后直接测量的频率值并不是真实的频率值。因此，采用三种取样频率计算的最大幅强度谱线对应的频率值差别很大。
由抽样定理可知，时域的抽样对应在频域为频谱的重复。当采样率大于2倍以上的信号频带，即ωs≥2ωm时，频谱不会产生混叠，可在[0，ωs/2]范围内确定被测信号的频谱成分。但当采样率小于2倍以上的信号频带，即ωs＜2ωm时，频谱产生混叠，不能在[0，ωs/2]范围内确定被测信号的频谱成分。
本发明对超高频信号的等时间间隔取样，是以中高频的采样率对超高频信号进行采样，属于欠采样方式。其快速傅里叶变换后的频谱图不能直接确定信号成分的频率值。
针对欠采样抽样信号在频域的重复问题。需要计算频率偏移次数以及剩余频率，才能正确计算信号的频率值。
为了计算偏移次数和剩余周期，本发明采用三个相邻采样率的信号对被测信号进行欠采样，并进行快速傅里叶变换。确定三次不同频率采样的频域中最大谱线所对应的频率。
三次取样率不同，在频域产生的偏移次数和剩余频率也是不相同的，但是被测信号的频率是固定的。因此，可利用三次取样频率以及相应的剩余频率，计算被测信号频域的偏移次数，从而可以计算出被测信号的频率。
利用三个相邻采样频率以及三个相邻采样频率的逼近频率，计算被测信号频域的偏移次数和剩余频率，分别基于三个采样频率fsi和三个相邻采样频率的逼近频率fxi建立剩余频率矩阵，剩余频率矩阵估计为：
为了方便分析，设ai＝fxi-fsi，bi＝-fxi，ci＝fxi，di＝fsi-fxi，ei＝fsi+fxi，fi＝2fsi-fxi，
得简化的剩余频率估计矩阵为：
为了判断剩余频率，同时需估计偏移次数，基于采样频率差以及剩余频率估计值，构造判断矩阵Ⅰ，通过判断矩阵Ⅰ表示偏移次数，分析其最小频率差，判断矩阵Ⅰ表示为：
为简化表示，将判断矩阵Ⅰ改写为：
通过剩余频率矩阵、判断矩阵Ⅰ构造判断矩阵Ⅱ，通过判断矩阵Ⅱ估计在不同偏移次数时的最小频率偏移差，从而选择估计出剩余频率和偏移次数；
判断矩阵Ⅱ表示为：
在判断矩阵Ⅱ中，首先设fx2，fs2-fx2为真实频率值，通过判断矩阵Ⅱ的第3列，寻找最小的频率偏移差，确定剩余频率和偏移次数。
由确定被测信号的剩余频率、偏移次数、采样频率，确定测量频率为：
测量频率＝采样频率*偏移次数+剩余频率
同时由被测超高频信号的剩余频率计算被测超高频信号的周期Ts，所述Ts＝1/剩余频率；
利用求模方法，各个采样时间值ti除以被测超高频信号的周期Ts，其余数是顺序取样值所对应的时间，也是减去整倍周期后各取样点所对应的调整时间，
采样时间：T＝[0:1/fs:(fs-1)/fs]，所述fs为采样频率；
调整离散时间：t’＝mod(T,Ts)；
由调整离散时间和采样频率，恢复原始信号的波形。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于等时间间隔等效取样的波形恢复数据处理方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、采用等时间间隔脉冲信号对超高频信号进行等效取样；
S2、在频域内逐次逼近超高频信号的幅值最大值所对应的频率值；
S3、通过欠取样时域波形和频率值的确定，重建原始信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于等时间间隔等效取样的波形恢复数据处理方法，其特征在于：所述S1中采用50GHz的取样器对超高频信号进行取样，所述脉冲信号的取样率为500kHz，所述脉冲信号的周期为2us，所述脉冲信号的脉冲宽度小于10ps。
3.根据权利要求1所述的一种基于等时间间隔等效取样的波形恢复数据处理方法，其特征在于：所述S1中对超高频信号进行取样的方法为：采用三个相邻采样频率对被测超高频信号分别进行取样，得到三组采样值。
4.根据权利要求3所述的一种基于等时间间隔等效取样的波形恢复数据处理方法，其特征在于：三个相邻采样频率分别为500kHz的等效取样脉冲信号、500kHz+1Hz的正偏差信号、500kHz-1Hz的负偏差信号。
5.根据权利要求3所述的一种基于等时间间隔等效取样的波形恢复数据处理方法，其特征在于：所述S2中逐次逼近的方法为：通过快速傅里叶变换特性确定超高频信号的幅值最大值所对应的频率值，再以该频率值、该频率值±1Hz构建三个频率值，再分别以三个频率值构建时域波形信号，以构建的时域波形信号与三组采样值进行点乘并求和，通过与超高频信号的幅值最大值的逐次比较，逼近超高频信号的幅值最大值所对应的频率值。
6.根据权利要求1所述的一种基于等时间间隔等效取样的波形恢复数据处理方法，其特征在于：所述S3中欠取样时域波形的恢复和频率的确定方法为：包括下列步骤：
S3.1、利用三个相邻采样频率以及三个相邻采样频率的逼近频率，计算被测信号频域的偏移次数和剩余频率，分别基于三个采样频率fsi和三个相邻采样频率的逼近频率fxi建立剩余频率矩阵，剩余频率矩阵估计为：
为了方便分析，设ai＝fxi-fsi，bi＝-fxi，ci＝fxi，di＝fsi-fxi，ei＝fsi+fxi，fi＝2fsi-fxi，
得简化的剩余频率估计矩阵为：
为了判断剩余频率，同时需估计偏移次数，基于采样频率差以及剩余频率估计值，构造判断矩阵Ⅰ，通过判断矩阵Ⅰ表示偏移次数，分析其最小频率差，判断矩阵Ⅰ表示为：
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S3.2、由确定被测信号的剩余频率、偏移次数、采样频率，确定测量频率为：
测量频率＝采样频率*偏移次数+剩余频率
同时由被测超高频信号的剩余频率计算被测超高频信号的周期Ts，所述Ts＝1/剩余频率；
S3.3、利用求模方法，各个采样时间值ti除以被测超高频信号的周期Ts，其余数是顺序取样值所对应的时间，也是减去整倍周期后各取样点所对应的调整离散时间，
所述采样时间：T＝[0:1/fs:(fs-1)/fs]，所述fs为采样频率；
所述调整离散时间：t’＝mod(T,Ts)；
由调整离散时间和采样频率，恢复原始信号的波形。
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| CN113406376B (zh) * | 2021-06-22 | 2024-03-26 | 成都陆玖军通科技有限责任公司 | 一种波形通道的调整方法、数字示波器及可读存储介质 |
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| CN112129983B (zh) | 2024-05-10 |
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