CN112367287B - 一种无本振信号的iq解调方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无本振信号的IQ解调系统，包括：利用数字化模块(ADC)采样率与中频载波信号之间的特定关系来实现无本振信号的IQ解调。该调制方法包括：S1:输入模拟中频信号，利用数字化模块与前端输入信号的频率关系，即采样频率既满足奈奎斯特采样定理又是前端模拟输入中频信号载波频率的2倍；数字化模块与前端发射源的时钟同源。S2：模拟中频信号输入进数字化模块进行采样处理得到数字中频信号。S3:数据在处理模块进行二进制幅度调制处理得到I路信号，再通过Hilbert变换得Q路信号，完成无本振信号的数字解调。根据本发明，有利于采用可编程逻辑器件等实现该过程的实时处理，节省硬件资源且提高处理速度。

Description

一种无本振信号的IQ解调方法与系统

技术领域

本发明涉及使用IQ解调的领域，特别涉及需要IQ解调技术和实时处理技术实现测速、测相位和成像等系统。

背景技术

随着电子信息技术的发展，IQ解调技术应用在通信、雷达、医疗、安检、军用和无损检测等领域。它是系统中重要的组成模块，是决定系统性能的关键技术。IQ解调通常用来对接收的信号进行正交相干解调，即通过两个相位相差90°的本振信号对接收信号进行混频，使接收信号分成相互正交的IQ两路，保留了信号的幅度和相位信息。当前，基于IQ解调法的回波处理技术被广泛应用于各个领域。在传统的模拟和数字IQ解调方法中，都是依赖于高精度本振信号来保证解调的质量，然而这必然会带来一些不可避免的问题。

在传统的模拟IQ解调处理电路中存在模拟器件老化、温漂等问题，无法保证本振信号的稳定性和一致性。随着技术的发展，现在提出了基于软件无线电的数字IQ解调方法；与模拟IQ解调不同，数字IQ解调对输入的模拟中频信号进行采样后与数字振荡器(NCO)产生的数字本振信号进行混频完成数字下变频。然而，传统的数字IQ解调方法也存在着一些问题，数字解调过程中的数控振荡器通常采用查表法或CORDIC迭代算法等方法实现；但随着对信号精度的不断提高，无论采用哪种方法都占用大量的硬件资源，给系统设计带来巨大压力、同时也影响信号解调的速度。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种无本振信号的IQ解调方法与系统，并且有利于采用可编程逻辑器件实现信号的实时处理，节省硬件资源且提高处理速度。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种无本振信号的IQ解调系统，包括：

数字化模块及与所述数字化模块连接的数据处理模块，所述数字化模块用于对前端输入的模拟中频信号进行处理得到数字中频信号；

所述数据处理模块包括调制处理模块、与所述调制处理模块连接的存储模块及与所述存储模块信号连接的传输模块，所述传输模块用于数据的输出，所述调制处理模块用于对存储模块中的数据进行二进制幅度调制处理，得出I路信号，再通过Hilbert变换得出Q路正交信号；

所述数字化模块的采样率为中频信号载波的2倍且满足奈奎斯特采样定理。

一种无本振信号的IQ解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将模拟中频载波信号进行相关采样即采样频率既满足奈奎斯特采样定理又是前端模拟输入中频信号载波频率的2倍；

S2、数据存储模块将步骤1中数字化模块输出的数字中频数据实时存储到存储模块中；

S3、将数据处理模块的数据进行二进制幅度调制，对采样得到数字化信号的偶数项乘-1、奇数项乘1。

S4、数据处理模块由步骤S3得到得I路同相信号，由数据处理模块根据Hilbert变换得Q路正交信号；

S5、将步骤S3和步骤S4得到的IQ两路信号输出至PC端进行成像。

优选的，所述步骤S1中包括：

f_s＝2·f_if；

其中f_if为中频载波频率，f_s为采样频率；

当以f_s＝2f_if采样率进行采样时，

n＝0.1.2.3.........时

I(0)＝f(0),I(1)＝-f(1),I(2)＝f(2),I(3)＝-f(3)...........

优选的，所述步骤S3中，偶数项数据f(2k+1)(k取0，1，2，3……)乘-1，奇数项数据f(2k)(k取0，1，2，3……)中频信号乘1，即得到I路同相信号，完成数字混频。

优选的，所述步骤S4中，Hilbert变换公式如下：

优选的，所述步骤S3的数字混频方法包括：将数据处理模块中的数据进行二进制幅度调制即偶数项数据中频信号乘-1，奇数项数据中频信号乘1，无需数字振荡器，得到I路同相信号，完成数字混频。

7.如权利要求2所述的一种无本振信号的IQ解调方法，其特征在于，所述步骤S4得出Q路正交信号的包括：采用步骤S3中的I路同相信号通过Hilbert变换出Q路正交信号

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

实现了一种有效且快速的中频信号下变频方法，实现了一种有效可行的无本振信号下变频方法，在IQ解调系统中可不再使用数字振荡器和乘法器，简化IQ解调过程，提高了信号的处理效率。简化后，更方便使用可编程逻辑器件等(例如:FPGA,CPLD等)实时并行处理该过程，提高了系统效率。

附图说明

图1为根据本发明的无本振信号的IQ解调方法实现系统的流程框图；

图2为根据本发明的无本振信号的IQ解调方法与系统的系统示例框图；

图3为根据本发明的无本振信号的IQ解调方法与系统的实验效果图；

图4为根据本发明的无本振信号的IQ解调方法与系统的实验现场。

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。

参照图1-4，一种无本振信号的IQ解调系统，包括：数字化模块及与所述数字化模块连接的数据处理模块，所述数字化模块用于对前端输入的模拟中频信号进行处理得到数字中频信号；

所述数据处理模块包括调制处理模块、与所述调制处理模块连接的存储模块及与所述存储模块信号连接的传输模块，所述传输模块用于数据的输出，所述调制处理模块用于对存储模块中的数据进行二进制幅度调制处理，得出I路信号，再通过Hilbert变换得出Q路正交信号；

所述数字化模块的采样率为中频信号载波的2倍且满足奈奎斯特采样定理。

一种无本振信号的IQ解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将模拟中频载波信号进行相关采样即采样频率既满足奈奎斯特采样定理又是前端模拟输入中频信号载波频率的2倍；

S2、数据存储模块将步骤1中数字化模块输出的数字中频数据实时存储到存储模块中；

S3、将数据处理模块进行二进制幅度调制，对采样得到数字化信号的偶数项乘-1、奇数项乘1；

S4、数据处理模块由步骤S3得到的I路同相信号，由数据处理模块根据Hilbert变换得Q路正交信号；

S5、将步骤S3和步骤S4得到的IQ两路信号输出至PC端进行成像。

进一步的，所述步骤S1中包括：

f_s＝2·f_if；

其中f_if为中频载波频率，f_s为采样频率；

当以f_s＝2f_if采样率进行采样时，

n＝0.1.2.3.........时

I(0)＝f(0),I(1)＝-f(1),I(2)＝f(2),I(3)＝-f(3)...........

进一步的，所述步骤S3中，偶数项数据f(2k+1)(k取0，1，2，3……)数乘-1，奇数项数据f(2k)(k取0，1，2，3……)中频信号乘1，得到I路同相信号，完成数字混频。

进一步的，所述步骤S4中，Hilbert变换公式如下：

进一步的，所述步骤S3的数字混频方法包括：将数据处理模块中的进行二进制幅度调制即偶数项数字中频信号乘-1，奇数项数字中频信号乘1，无需数字振荡器，得到I路同相信号，完成数字混频。

进一步的，所述步骤S4得出Q路正交信号的包括：采用步骤S3中的I路同相信号通过Hilbert变换出Q路正交信号

参照图2，在充分考虑该方案的可行性，建立了Ka波段毫米波雷达成像系统进行验证。整个系统由毫米波信号源模块、阵列天线模块和中央控制采集模块三部分组成，其中毫米波信号源和阵列天线模块均由中央控制采集模块控制。设定场景目标为一个剪刀，其方位维分别位于阵列天线中心位置。

步骤1：当信号源接收到发送的控制指令后，会发出30-34GHz的扫频信号通过阵列天线发出；

步骤2：遇到目标后反射的回波信号与信号源的本振信号混合，输出中频信号。

步骤3：数字化模块以2倍中频载波信号采样率对信号源输出中频信号进行带通采样；

步骤4：模块对数字化模块采样后的数字中频信号进行存储；

步骤5：模块对存储后的数字中频信号偶数项f(2k)取负，完成下变频过程，在这个过程中，无需通过数字振荡器和乘法器完成混频过程，减少了硬件资源的消耗，在一定程度上提高了处理速度。

步骤6：模块对完成下变频的信号经过滤波器处理，滤除额外的杂波信号。在本实例中，中频信号的频率范围在102-140MHz，通过下变频之后的频率范围为2-40MHz，在下变频过程中由于外界的噪声影响，可能会出现在上述频带范围外的信号，故须设计低通滤波器对信号源接收到的信号进行滤波处理，滤除额外的杂波信号。

步骤7：模块将滤波后的信号通过千兆以太网传输到PC端，进行成像。千兆以太网的高速数据传输保证了成像的实时性。

步骤8：利用RMA算法对处理后的信号进行二维成像，成像反映了物体相对于雷达的方位维位置与距离维位置。

综上，通过无本振免混频设计可使本发明降低了数字下变频中占用的硬件资源，同时有效的提高了信号的处理效率，可以实现实时处理，并且完成了对中频信号进行数字下变频达到提取其中有效信号的功能。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种无本振信号的IQ解调系统，其特征在于，包括：

数字化模块及与所述数字化模块连接的数据处理模块，所述数字化模块用于对前端输入的模拟中频信号进行处理得到数字中频信号；

所述数据处理模块包括调制处理模块、与所述调制处理模块连接的存储模块及与所述存储模块信号连接的传输模块，所述传输模块用于数据的输出，所述调制处理模块用于对存储模块中的数据进行二进制幅度调制处理，得出I路信号，再通过Hilbert变换得出Q路正交信号；

所述数字化模块的采样率为模拟中频信号载波的2倍，且同时满足奈奎斯特采样定理；

建立Ka波段毫米波雷达成像系统进行验证，所述达成像系统包括毫米波信号源模块、阵列天线模块和中央控制采集模块，其中毫米波信号源和阵列天线模块均由中央控制采集模块控制，设定场景目标为一个剪刀，其方位维分别位于阵列天线中心位置，包括以下验证步骤：

步骤1：当毫米波信号源模块收到发送的控制指令后，会发出30-34GHz的扫频信号通过阵列天线发出；

步骤2：遇到目标后反射的回波信号与毫米波信号源的本振信号混合，输出中频信号；

步骤3：数字化模块以2倍中频载波信号采样率对输出中频信号进行带通采样；

步骤4：存储模块对数字化模块采样后的数字中频信号进行存储；

步骤5：数据处理模块对存储后的数字中频信号偶数项f(2K)取负，完成下变频过程，该下变频过程无需通过数字振荡器和乘法器完成混频过程，减少了硬件资源的消耗及提高处理速度；

步骤6：数据处理模块对完成下变频的信号经过滤波器处理，滤除额外的杂波信号，其中，中频信号的频率范围在102-140 MHz，通过下变频之后的频率范围为2-40MHz，通过低通滤波器对毫米波信号源接收到的信号进行滤波处理，滤除额外的杂波信号；

步骤7：传输模块将滤波后的信号通过千兆以太网传输到PC端，进行成像，千兆以太网的高速数据传输保证了成像的实时性；

步骤8：利用RMA算法对处理后的信号进行二维成像，成像反映了物体相对于雷达的方位维位置与距离维位置。

2.如权利要求1所述的一种无本振信号的IQ解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将模拟中频载波信号进行相关采样即采样频率既满足奈奎斯特采样定理又是前端模拟输入中频信号载波频率的2倍；

S2、数据存储模块将步骤1中数字化模块输出的数字中频数据实时存储到存储模块中；

S3、将数据处理模块进行二进制幅度调制，对采样得到数字化信号的偶数项乘-1、奇数项乘1;

S4、数据处理模块由步骤S3得到的I路同相信号，由数据处理模块根据Hilbert变换得Q路正交信号；

S5、将步骤S3和步骤S4得到的IQ两路信号输出至PC端进行成像。

3.如权利要求2所述的一种无本振信号的IQ解调方法，其特征在于，所述步骤S1中包括：

；

其中

为中频载波频率，

为采样频率；

当以

采样率进行采样时，

4.如权利要求2所述的一种无本振信号的IQ解调方法，其特征在于，所述步骤S3中，偶 数项数据

(k取0，1，2，3……)乘-1，奇数项数据

(k取0，1，2，3……)乘1， 即得到I路同相信号，完成数字混频。

5.如权利要求2所述的一种无本振信号的IQ解调方法，其特征在于，所述步骤S4中，Hilbert变换公式如下：

。

6.如权利要求2所述的一种无本振信号的IQ解调方法，其特征在于，所述步骤S3的数字混频方法包括：将数据处理模块的数据进行二进制幅度调制即偶数项数字中频信号乘-1，奇数项数字中频信号乘1，无需数字振荡器，得到I路同相信号，完成数字混频。

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