CN113341225A

CN113341225A - 一种全景频率高速扫描方法及装置

Info

Publication number: CN113341225A
Application number: CN202110899223.6A
Authority: CN
Inventors: 张巨; 李世鹏; 张磊; 隗松
Original assignee: Beijing Jiapu Zhiguang Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Jiapu Zhiguang Technology Co ltd
Priority date: 2021-08-06
Filing date: 2021-08-06
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2041-08-06
Also published as: CN113341225B

Abstract

本申请公开一种全景频率高速扫描方法及装置，该方法及装置在进行频谱扫描时，控制压控振荡器生成持续变频的扫频本振信号，将扫频本振信号与输入信号在混频器混频后，输出至模数转换器，由模数转换器对采样信号进行模数转换处理后输送至频扫恢复算子，并最终由频扫恢复算子将获得的信号恢复为原始输入信号对应的特定频点的内容。从而，本申请通过连续的频谱扫描和基于频扫恢复算子的频谱恢复，实现了一种具备连续时频特征保持能力的全景频率高速扫描方式，可在时频连续特征保持的前提下，实现高分辨率、超高速频谱扫描。

Description

一种全景频率高速扫描方法及装置

技术领域

本申请属于信号与信息处理和安全检查技术领域，尤其涉及一种全景频率高速扫描方法及装置。

背景技术

频率扫描指的是固定磁场，使射频或磁场调制频率缓慢变化，通过共振范围，取得所需之共振谱。

传统的频率扫描都是分时分段实施的。如果要实现1kHz的频谱分辨，扫频设备至少需要在目标频点驻留10^-3秒。假设接收设备的瞬时带宽是80MHz，则扫频设备最大扫频速度不会超过80GHz。如果考虑频段步进交叠比率、控制和稳定时间等的额外开销，其扫频速度会大打折扣，而如果要实现100Hz甚至更高精度的频谱分辨能力，扫频设备的扫频速度会进一步成比例地显著下降。从而，传统的频率扫描方式难以实现高分辨率、瞬态连续时频特征保持前提下的高速频谱扫描，难以更好的满足不同应用场景下的频谱分析应用需要。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种全景频率高速扫描方法及装置，用于在时频连续特征保持的前提下，实现高分辨率、超高速频谱扫描，以更好的满足不同应用场景下的频谱分析应用需要。

具体技术方案如下：

一种全景频率高速扫描方法，包括：

控制压控振荡器生成持续变频的扫频本振信号；

将所述扫频本振信号与输入信号在混频器混频后，输出至模数转换器，以使模数转换器得到采样信号；

所述模数转换器对采样信号进行模数转换处理后输送至频扫恢复算子；

所述频扫恢复算子将获得的信号恢复为所述输入信号对应的特定频点的内容。

可选的，所述控制压控振荡器生成持续变频的扫频本振信号，包括：

基于锯齿波电压控制所述压控振荡器生成持续变频的扫频本振信号。

可选的，所述基于锯齿波电压控制所述压控振荡器生成持续变频的扫频本振信号，包括：

利用校准算子向扫频电压生成器发出锯齿波电压生成指令；

扫频电压生成器根据所述锯齿波电压生成指令，输出相匹配的锯齿波电压，以控制所述压控振荡器输出所述持续变频的扫频本振信号。

可选的，所述输出相匹配的锯齿波电压，以控制所述压控振荡器输出所述持续变频的扫频本振信号，包括：

对所述压控振荡器中的锁相环进行开环处理；

在将锁相环开环的情况下，通过所述锯齿波电压控制所述压控振荡器输出所述持续变频的扫频本振信号。

可选的，所述频扫恢复算子和所述校准算子分别为可编程逻辑器件中的频扫恢复算子和校准算子；

基于所述可编程逻辑器件中的频扫恢复算子实现扫描时的连续时频特征保持；基于所述可编程逻辑器件中的校准算子实现扫描时的精准频扫电压控制；基于所述可编程逻辑器件中的频扫恢复算子和校准算子，对所述扫频电压生成器的频扫电压进行校准。

可选的，所述基于所述可编程逻辑器件中的频扫恢复算子和校准算子，对所述扫频电压生成器的频扫电压进行校准，包括：

通过接收和恢复公共通信信道中的导频信号实现校准；

或，通过接入信号发生器的方式进行校准。

可选的，所述可编程逻辑器件为现场可编程逻辑门阵列FPGA。

一种全景频率高速扫描装置，包括：扫频电压生成器、压控振荡器、混频器、模数转换器和可编程逻辑器件；所述可编程逻辑器件中至少实现有频扫恢复算子；

其中：

所述扫频电压生成器，用于控制所述压控振荡器生成持续变频的扫频本振信号；

所述混频器，用于将所述扫频本振信号与输入信号混频后，输出至所述模数转换器，以使所述模数转换器得到采样信号；

所述模数转换器，用于对采样信号进行模数转换处理，并将处理结果信号输送至所述可编程逻辑器件中的频扫恢复算子；

所述可编程逻辑器件中的频扫恢复算子，用于将获得的信号恢复为所述输入信号对应的特定频点的内容。

可选的，所述可编程逻辑器件中还实现有校准算子；

所述可编程逻辑器件中的校准算子，用于向扫频电压生成器发出锯齿波电压生成指令；

所述扫频电压生成器，具体用于根据所述锯齿波电压生成指令，输出相匹配的锯齿波电压，以控制压控振荡器输出所述持续变频的扫频本振信号。

可选的，所述压控振荡器包括锁相环；在控制所述压控振荡器生成持续变频的扫频本振信号时，所述锁相环处于开环状态。

根据以上方案可知，本申请提供的全景频率高速扫描方法及装置，在进行频谱扫描时，控制压控振荡器生成持续变频的扫频本振信号，将扫频本振信号与输入信号在混频器混频后，输出至模数转换器，由模数转换器对采样信号进行模数转换处理后输送至频扫恢复算子，并最终由频扫恢复算子将获得的信号恢复为原始输入信号对应的特定频点的内容。从而，本申请通过连续的频谱扫描和基于频扫恢复算子的频谱恢复，实现了一种具备连续时频特征保持能力的全景频率高速扫描方式，可在时频连续特征保持的前提下，实现高分辨率、超高速频谱扫描。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本申请提供的全景频率高速扫描方法的一流程示意图；

图2是本申请提供的全景频率高速扫描方法的另一流程示意图；

图3是本申请提供的基于各部件实现持续扫频的工作流程图；

图4是传统扫频方案的扫频基本原理图；

图5是本申请方案的持续变频式扫频的基本原理图；

图6是本申请提供的全景频率高速扫描装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请公开一种全景频率高速扫描方法及装置，该方法及装置具体为一种具备连续时频特征保持能力的全景频率高速扫描方法及装置，即，在时频连续特征保持的前提下，实现高分辨率、超高速频谱扫描。

参见图1提供的全景频率高速扫描方法的流程图，本申请公开的全景频率高速扫描方法，至少包括以下处理过程：

步骤101、控制压控振荡器生成持续变频的扫频本振信号。

本实施例首先对压控振荡器（voltage-controlled oscillator，VCO）中的锁相环（Phase Locked Loop，PLL）进行开环处理，在锁相环开环状态下，通过锯齿波电压直接控制压控振荡器扫频，使其输出持续变频的扫频本振信号。

实际应用中，具体可利用扫频电压生成器输出锯齿波电压，以此来控制压控振荡器输出持续变频的扫频本振信号。

步骤102、将上述扫频本振信号与输入信号在混频器混频后，输出至模数转换器，以使模数转换器得到采样信号。

扫频本振信号在混频器中与输入信号经相乘实现混频，并由混频器将混频信号输出至模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）。

实施中，优选的，可在将扫频本振信号在混频器中与输入信号经相乘混频，并进一步滤波后，再输出至模数转换器，模数转换器获得的信号即作为其采样信号。

步骤103、模数转换器对采样信号进行模数转换处理后输送至频扫恢复算子。

步骤104、频扫恢复算子将获得的信号恢复为输入信号对应的特定频点的内容。

其中，具体可在可编程逻辑器件中实现频扫恢复算子，如，在FPGA（FieldProgrammable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）中实现频扫恢复算子等。

并基于可编程逻辑器件如FPGA中的频扫恢复算子，实现扫描时的连续时频特征保持。

根据以上方案可知，本申请提供的全景频率高速扫描方法，在进行频谱扫描时，控制压控振荡器生成持续变频的扫频本振信号，将扫频本振信号与输入信号在混频器混频后，输出至模数转换器，由模数转换器对采样信号进行模数转换处理后输送至频扫恢复算子，并最终由频扫恢复算子将获得的信号恢复为原始输入信号对应的特定频点的内容。从而，本申请通过连续的频谱扫描和基于频扫恢复算子的频谱恢复，实现了一种具备连续时频特征保持能力的全景频率高速扫描方式，可在时频连续特征保持的前提下，实现高分辨率、超高速频谱扫描。

申请人发现，扫频的精准度会受锯齿波电压精度、VCO稳定性以及温度、气压等因素的影响，从而需要定期校准，由此，参见图2，本申请中，图1所示方法中的步骤101可进一步实现为：

步骤201、利用校准算子向扫频电压生成器发出锯齿波电压生成指令。

与扫恢复算子的实现方式相类似，同样可在可编程逻辑器件中实现校准算子，如，在FPGA中实现校准算子等。

优选的，本申请实施例中，在同一FPGA中同时实现扫恢复算子和校准算子，并具体基于FPGA中的校准算子实现扫描时的精准频扫电压控制。

步骤202、扫频电压生成器根据所述锯齿波电压生成指令，输出相匹配的锯齿波电压来控制压控振荡器输出所述持续变频的扫频本振信号。

具体的，扫频步进速度与扫频电压生成器输出的模拟电压变化率成正比，从而需要对扫频电压生成器的电压输出进行密切监视，对发生偏颇的输出要定期予以校准。针对该情况，本实施例中，通过将频扫恢复算子与校准算子相结合，来实现频扫电压的校准。

校准方式可以有两种，其一是通过接收和恢复已知的、随处可得的公共通信信道中的导频信号实现校准，其二是通过接入信号发生器的方式进行校准，两种校准方法均为离线校准，信号接收与设备校准不能同时进行。

为便于方案理解，以下举例说明。

参加图3提供的本申请方法的工作流程图，首先，校准算子向扫频电压生成器发出锯齿波电压生成指令，扫频电压生成器输出的精细模拟电压控制压控振荡器输出扫频本振信号，基于锯齿波电压控制的压控振荡器相应生成连续变化的混频载波fr，混频载波fr与承载于载波fc上的输入信号x(t)进行混频后的输出为：

。

如果FPGA频扫恢复算子的恢复频率刚好是fc-fr，则经过恢复算子后的信号即为

，实现了对原始输入信号的恢复，当然，这是在不考虑幅度变化等因素前提下的理想结果。

实际应用中，扫频的精准度受到锯齿波电压精度、VCO稳定性以及温度、气压等因素影响甚大，需要定期校准，校准曲线可结合精准信号源予以定期生成。由于频扫恢复能力受到采样带宽

的约束，其最大时频连续保持能力被约束在“采样带宽/扫频速度”范围内。如果采样带宽是80MHz，扫频速度是80GHz，则其在所有频点上都能恢复出带宽分辨率高达1Hz、时间分辨率高达1ms的瞬态时频特征。

以下进一步通过与现有技术进行比较，来说明本申请方法的技术方案。

结合参见图4提供的传统扫频方案的基本原理，传统的扫频方案通过“变频-采样-再变频-再采样”方式进行。其中，变频过程从微处理器（μC）发出变频指令开始到压控振荡器锁定新频点结束，一般需要数百微妙时间。假设某个扫频应用的采样带宽为20MHz，步进为10MHz，若想在1s内扫描1GHz带宽，则其需要变频的频次高达100次/秒，变频所耗费的时间高达上百毫秒。因为频点设置期间内的采样为无效采样，必须予以丢弃，所以其有效数据获取时间仅为900ms左右。若扫频速率要求进一步提升到10GHz/s，则所有时间几乎全被变频所占据，已经无法再获取任何有效采样，如附图4所示，设备的有效采样时间为t0-t1和t2-t3，t1-t2时间段被变频过程所占据，这相应限制了压控振荡器的扫频速率，导致传统扫频方案无法在时频连续特征保持的前提下，实现高分辨率、超高速频谱扫描。

与此相区别，参见图5中本申请所提出的扫频方案的基本原理，本申请提供的是一种持续变频方案，在本申请的持续变频方案中，首先通过对压控振荡器中的锁相环进行开环处理，然后通过锯齿波电压直接控制压控振荡器扫频，使其输出持续变频的扫频本振信号，即，本申请不再要求频点切换命令和锁相环锁频过程，所有时间都可以用于有效采样，且扫频速率可调，不会因无法有效采样产生对压控振荡器扫频速率的限制，本申请甚至可以在扫频速度达到1THz/s时仍能完成信号的有效采集和恢复处理。从而，本申请可在时频连续特征保持的前提下，实现高分辨率、超高速频谱扫描，能更好的满足不同应用场景下的频谱分析应用需要。

对应于上述的全景频率高速扫描方法，本申请实施例还公开一种全景频率高速扫描装置，如图6所示，该装置包括：扫频电压生成器601、压控振荡器602、混频器603、模数转换器604和可编程逻辑器件605；可编程逻辑器件605中至少实现有频扫恢复算子；

其中：

扫频电压生成器601，用于控制压控振荡器602生成持续变频的扫频本振信号；

混频器603，用于将扫频本振信号与输入信号混频后，输出至模数转换器604，以使模数转换器604得到采样信号；

模数转换器604，用于对采样信号进行模数转换处理，并将处理结果信号输送至可编程逻辑器件605中的频扫恢复算子；

可编程逻辑器件605中的频扫恢复算子，用于将获得的信号恢复为输入信号对应的特定频点的内容。

在一实施方式中，可编程逻辑器件605中还实现有校准算子；

可编程逻辑器件605中的校准算子，用于向扫频电压生成器601发出锯齿波电压生成指令；

扫频电压生成器601，具体用于根据输入的锯齿波电压生成指令，输出相匹配的锯齿波电压来控制压控振荡器602输出持续变频的扫频本振信号。

在一实施方式中，压控振荡器包括锁相环；在控制压控振荡器602生成持续变频的扫频本振信号时，其锁相环处于开环状态。

在一实施方式中，基于可编程逻辑器件605中的频扫恢复算子实现扫描时的连续时频特征保持；基于可编程逻辑器件605中的校准算子实现扫描时的精准频扫电压控制；基于可编程逻辑器件605中的频扫恢复算子和校准算子，对扫频电压生成器601的频扫电压进行校准。

在一实施方式中，基于可编程器件605中的频扫恢复算子和校准算子，对扫频电压生成器601的频扫电压进行校准，包括：

通过接收和恢复公共通信信道中的导频信号实现校准；

或，通过接入信号发生器的方式进行校准。

在一实施方式中，可编程逻辑器件605为现场可编程逻辑门阵列FPGA。

对于本申请实施例公开的全景频率高速扫描装置而言，由于其与上文各方法实施例公开的全景频率高速扫描方法相对应，所以描述的比较简单，相关相似之处请参见上文相应方法实施例的说明即可，此处不再详述。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

为了描述的方便，描述以上系统或装置时以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一、第二、第三和第四等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种全景频率高速扫描方法，其特征在于，包括：

控制压控振荡器生成持续变频的扫频本振信号；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制压控振荡器生成持续变频的扫频本振信号，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于锯齿波电压控制所述压控振荡器生成持续变频的扫频本振信号，包括：

利用校准算子向扫频电压生成器发出锯齿波电压生成指令；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述输出相匹配的锯齿波电压，以控制所述压控振荡器输出所述持续变频的扫频本振信号，包括：

对所述压控振荡器中的锁相环进行开环处理；

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述频扫恢复算子和所述校准算子分别为可编程逻辑器件中的频扫恢复算子和校准算子；

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述可编程逻辑器件中的频扫恢复算子和校准算子，对所述扫频电压生成器的频扫电压进行校准，包括：

通过接收和恢复公共通信信道中的导频信号实现校准；

或，通过接入信号发生器的方式进行校准。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述可编程逻辑器件为现场可编程逻辑门阵列FPGA。

8.一种全景频率高速扫描装置，其特征在于，包括：扫频电压生成器、压控振荡器、混频器、模数转换器和可编程逻辑器件；所述可编程逻辑器件中至少实现有频扫恢复算子；

其中：

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述可编程逻辑器件中还实现有校准算子；

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述压控振荡器包括锁相环；在控制所述压控振荡器生成持续变频的扫频本振信号时，所述锁相环处于开环状态。