CN114062782B - 适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化系统及方法 - Google Patents

适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及信号采样处理技术领域，具体涉及适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化系统及方法，包括功分器，用于将宽带模拟信号分为两路信号用于检波处理和转换处理；低通处理分路，连接功分器并用于接收一路信号并进行检波处理、低通滤波处理和低速率模数转换处理；2比特模数转换分路，连接功分器并用于接收另一路信号并进行2比特量化采样处理；数字信号处理模块，连接并接收低通处理分路和2比特模数转换分路的信号处理结果进行处理以得到功率谱估计结果。本发明从模拟信号中提取了完整的相位幅度信息，完整的估计了信号功率谱，降低了量化位数、硬件复杂度和成本，并且抑制了低量化位数所带来的高谐波，达到了较好的谱估计效果。

Description

适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化系统及方法
技术领域
本发明涉及谱估计技术领域，具体涉及一种适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化系统及方法。
背景技术
在民用频谱管理领域和军用电子战领域，都面临监视频谱带宽太大的问题。目前通常有三种解决方案。第一种为扫频接收机方案，该方案基于窄带接收机，结合频域搜索，实现宽带频谱监测。扫频接收机瞬时带宽窄，完成整个频谱扫描需要一定时间，因此存在一定漏警概率。该方案常用于对漏警容忍度较高的民用领域。第二种方案为全频段数字采样接收机，该方案将整个宽带频谱分割成若干子频段，对于每个频段都进行全数字采样，从而得到整个宽带频谱的采样。全频段数字采样接收机具备瞬时全频段监测的能力，无漏警，但硬件成本高，常用于对于成本不敏感的军用领域。第三种方案为频率折叠接收机，该方案在射频段将频谱中的多个频段变频叠加，使用较低采样率实现瞬时全频段监测功能。频率折叠接收机同频段折叠降低采样率，同时也使得其无法适应瞬时多信号环境。第四种方案为压缩采样接收机，该方案应用压缩采样技术，通过较低采用率，完成瞬时全频段和多信号的监测。压缩采样接收机硬件结构和信号重构算法复杂，实现难度大。
方案二中的全频段数字采样接收机功能最完备，但成本较高。降低模数转换器的量化位数能有效降低硬件复杂度与成本，但同时却引入了高谐波，使接收机失去瞬时多信号检测能力。
因此，现有的谱估计采样方法还存在诸多亟待解决的问题，需要提出更为合理的技术方案进行解决。
发明内容
针对全频段数字采样接收机硬件复杂，成本较高的问题，本发明通过降低模数转换器的量化位数(降低至2比特量化)，降低硬件复杂度与成本，并提出相应频谱估计电路结构和处理方法，抑制低量化比特数带来的高谐波分量，保证一定的双音动态范围，实现瞬时多信号检测。
为了实现上述目的，本发明具体采用的技术方案是：
适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化系统，包括：
功分器，用于将宽带模拟信号分为两路信号，并分别用于检波处理和转换处理；
低通处理分路，连接功分器并用于接收其中一路信号，且用于对信号进行检波处理、低通滤波处理和低速率模数转换处理；
2比特模数转换分路，连接功分器并用于接收另一路信号，且用于对信号进行2比特量化采样处理；
数字信号处理模块，用于连接并接收低通处理分路和2比特模数转换分路的信号处理结果，对结果处理以得到功率谱估计结果。
上述公开的2比特采样量化系统，通过功分器将宽带模拟信号分成两路后分别进行处理，其中一路进行检波、低通滤波和低速率模数转换后得到功率信息视频采样信号，另一路进行2比特量化采样后得到射频直采2比特量化信号，将这两种信号进行处理后即可得到谱估计结构。通过本发明中所公开的系统，能够快速进行信号的处理和采集，并且信号处理效果好，效率高，不会导致高谐波分量的问题，能够快速进行信号的处理。
进一步的，本发明中所采用的低通处理分路组成并不唯一限定，其可被构造成多种元件组合连通的方案，此处进行优化并举出其中一种可行的选择：所述的低通处理分路，包括依次连接的检波模块、低通滤波模块和低速率模数转换模块，检波模块的输入端连接功分器且输出端连接低通滤波模块，低速率模数转换模块的输出端连接数字信号处理模块。采用如此方案时，经功分器分出的一路信号依次通过检波模块，低通滤波模块和低速率模数转换模块，因此能够逐步进行信号的处理并得到视频采样信号。
进一步的，在本发明中，功分器所处理得到的另一路信号由2比特模数转换分路处理，该分路可以被构造成多种可行的处理结构，并不唯一限定，此处进行优化并举出如下一种可行的选择：所述的2比特模数转换路包括2比特模数转换模块，2比特模数转换模块的输入端与功分器连接且输出端与数字信号处理模块连接。采用如此方案时，直接通过2比特模数转换模块进行信号的处理，能够提高信号处理的效率，得到射频直采2比特量化信号。
上述内容公开了进行2比特量化采样的系统，本发明还公开了对应的采样方法，利用上述公开的系统实现，具体的，本发明公开采用的方法如下：
适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化方法，包括：
将宽带模拟信号进行处理并分成两路信号；
对其中一路信号进行检波处理和低通滤波处理，得到视频信号；
对视频信号进行采样量化，输出功率信息视频采样信号；
对另一路信号进行2比特量化采样并输出射频直采2比特量化信号；
对功率信息视频采样信号和射频直采2比特量化信号进行数字信号谱估计处理，最终得到宽带射频信号的功率谱估计。
进一步的，在进行谱估计处理时，按照如下方法进行：
根据输入宽带2比特数字信号及宽带射频信号幅度信息，使用最大似然估计算法，估计信号的自相关系数：
rML(τ)＝FML(x2bit(t0+t)，xamp(t0))
根据自相关系数，通过傅里叶变换，计算归一化的功率谱：
Sscaled(f)＝FourierTransform{rML(τ)}
根据归一化的功率谱及功率信息视频采样信号，计算宽带射频信号的功率谱：
S(f)＝xamp(t0)Sscaled(f)
其中，x2bit(t0+t)为射频直采2比特量化信号，xamp(t0)为功率信息视频采样信号，S(f)为功率谱估计；FML(·)表示最大似然估计算法；rML(τ)表示自相关函数的最大似然估计值；FourierTransform{·}表示傅里叶变换；Sscaled(f)表示归一化的功率谱密度函数。
进一步的，本发明中所公开的采样量化方法，与上述公开的量化采样系统契合，所述的将宽带模拟信号进行处理并分成两路信号，通过功分器对宽带模拟信号进行处理。
再进一步，所述的对其中一路信号进行检波处理和低通滤波处理，得到视频信号；其特征在于：通过检波模块对信号进行检波处理，以及通过低通滤波模块对信号进行低通滤波处理。
再进一步，通过低速率模数转换模块对视频信号进行采样量化，输出功率信息视频采样信号。
再进一步，通过2比特模数转换模块进行信号的2比特量化采样，其中2比特模数转换模块的采样率大于等于目标射频信号的两倍。
再进一步，在基于FPGA构建的数字信号处理模块内进行数字信号谱估计处理，最终得到宽带射频信号的功率谱估计。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明通过对输入的宽带射频信号进行高速2比特采样和低速幅度采样，从模拟信号中提取了完整的相位幅度信息，然后通过相应的谱估计处理，完整的估计了信号功率谱。本发明在完成宽带射频信号功率谱估计的同时，降低了量化位数，从而降低了硬件复杂度和成本，并且抑制了低量化位数所带来的高谐波，达到了较好的谱估计效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
图1为采样量化系统的组成模块示意图。
图2为谱估计处理的过程示意图。
图3为案例1中的谱估计仿真模拟结果示意图。
图4为案例2中的谱估计仿真模拟结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
实施例1
针对现有技术中存在的采样量化系统复杂、采样效率低、成本高以及存在高谐波分量干扰的情况，本实施例进行优化，采用优化后的技术方案解决现有技术中的问题。
具体的，本实施例公开了适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化系统，包括：
功分器，用于将宽带模拟信号分为两路信号，并分别用于检波处理和转换处理；
低通处理分路，连接功分器并用于接收其中一路信号，且用于对信号进行检波处理、低通滤波处理和低速率模数转换处理；
2比特模数转换分路，连接功分器并用于接收另一路信号，且用于对信号进行2比特量化采样处理；
数字信号处理模块，用于连接并接收低通处理分路和2比特模数转换分路的信号处理结果，对结果处理以得到功率谱估计结果。
上述公开的2比特采样量化系统，通过功分器将宽带模拟信号分成两路后分别进行处理，其中一路进行检波、低通滤波和低速率模数转换后得到功率信息视频采样信号，另一路进行2比特量化采样后得到射频直采2比特量化信号，将这两种信号进行处理后即可得到谱估计结构。通过本发明中所公开的系统，能够快速进行信号的处理和采集，并且信号处理效果好，效率高，不会导致高谐波分量的问题，能够快速进行信号的处理。
本实施例中所采用的低通处理分路组成并不唯一限定，其可被构造成多种元件组合连通的方案，此处进行优化并采用其中一种可行的选择：所述的低通处理分路，包括依次连接的检波模块、低通滤波模块和低速率模数转换模块，检波模块的输入端连接功分器且输出端连接低通滤波模块，低速率模数转换模块的输出端连接数字信号处理模块。采用如此方案时，经功分器分出的一路信号依次通过检波模块，低通滤波模块和低速率模数转换模块，因此能够逐步进行信号的处理并得到视频采样信号。
优选的，本实施例的检波模块采用检波器；低通滤波模块采用低通滤波器，具体采用常规商用低通滤波器，滤波器的截止频率为10MHz，时间分辨率可达0.1us，可以有效保留脉冲信号功率的时变特性；低速率模数转换模块采用常规商用模数转换器，采样率为25MHz，量化位数不低于12比特，可适应模拟信号大动态的瞬时功率变化。
在本实施例中，功分器所处理得到的另一路信号由2比特模数转换分路处理，该分路可以被构造成多种可行的处理结构，并不唯一限定，此处进行优化并采用如下一种可行的选择：所述的2比特模数转换路包括2比特模数转换模块，2比特模数转换模块的输入端与功分器连接且输出端与数字信号处理模块连接。采用如此方案时，直接通过2比特模数转换模块进行信号的处理，能够提高信号处理的效率，得到射频直采2比特量化信号。
在本实施例中，采样率不低于目标射频信号的两倍，如要监视10GHz以内的射频信号，那么采样率应不低于20GHz，量化位数为2比特。使用较低的量化位数对射频信号进行直采，以牺牲垂直分辨率为代价，提高时间分辨率。
实施例2
上述实施例的内容公开了进行2比特量化采样的系统，本实施例公开了对应的采样方法，利用上述公开的系统实现，具体的，本实施例公开采用的方法如下：
适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化方法，包括：
S1、将宽带模拟信号进行处理并分成两路信号；
S2、对其中一路信号进行检波处理和低通滤波处理，得到视频信号；
S3、对视频信号进行采样量化，输出功率信息视频采样信号；
S4、对另一路信号进行2比特量化采样并输出射频直采2比特量化信号；
S5、对功率信息视频采样信号和射频直采2比特量化信号进行数字信号谱估计处理，最终得到宽带射频信号的功率谱估计。
本实施例中，在进行谱估计处理时，按照如下方法进行：
S51：根据输入宽带2比特数字信号及宽带射频信号幅度信息，使用最大似然估计算法，估计信号的自相关系数：
rML(τ)＝FML(x2bit(t0+t)，xamp(t0))
S52：根据自相关系数，通过傅里叶变换，计算归一化的功率谱：
Sscaled(f)＝FourierTransform{rML(τ)}
S53：根据归一化的功率谱及功率信息视频采样信号，计算宽带射频信号的功率谱：
S(f)＝xamp(t0)Sscaled(f)
其中，x2bit(t0+t)为射频直采2比特量化信号，xamp(t0)为功率信息视频采样信号，S(f)为功率谱估计；FML(·)表示最大似然估计算法；rML(τ)表示自相关函数的最大似然估计值；FourierTransform{·}表示傅里叶变换；Sscaled(f)表示归一化的功率谱密度函数。
本实施例中所公开的采样量化方法，与上述公开的量化采样系统契合，所述的将宽带模拟信号进行处理并分成两路信号，通过功分器对宽带模拟信号进行处理。
优选的，所述的对其中一路信号进行检波处理和低通滤波处理，得到视频信号；通过检波模块对信号进行检波处理，以及通过低通滤波模块对信号进行低通滤波处理。
优选的，通过低速率模数转换模块对视频信号进行采样量化，输出功率信息视频采样信号。
优选的，通过2比特模数转换模块进行信号的2比特量化采样，其中2比特模数转换模块的采样率大于等于目标射频信号的两倍。
优选的，在基于FPGA构建的数字信号处理模块内进行数字信号谱估计处理，最终得到宽带射频信号的功率谱估计。
按照上述公开的实施方法，列举部分具体的实施案例。
案例1
本案例中，2比特模数转换器的采样率为20GHz，低速率数模转换器采样率为1MHz。输入宽带射频信号包含五个子信号，载频分别为6200MHz、6600MHz、7000MHz、7400MHz和7800MHz，子信号带宽均为20MHz，带内信噪比均为30dB。仿真模拟中使用了三种方法估计宽带射频信号的功率谱，包括使用无量化的理想信号进行谱估计、直接使用2比特量化信号进行谱估计和使用本发明进行谱估计。仿真模拟结果如图3所示，仿真结果中，为了方便对比，谱估计结果的最大值都归一化到0dB。结果显示，直接使用2比特量化虽然可以降低硬件复杂度和成本，但直接使用2比特量化信号进行谱估计会产生较高的谐波，严重影响谱估计质量，而本发明有效降低了2比特量所引入的谐波，谱估计结果和无量化时的理想结果接近。
案例2
本案例中，2比特模数转换器的采样率为20GHz，低速率数模转换器采样率为1MHz。输入宽带射频信号包含五个子信号，载频分别为6900MHz、7450MHz、8000MHz、8550MHz和9100MHz，子信号带宽均为20MHz，带内信噪比分别为25dB、27.5dB、30dB、32.5dB、35dB。仿真模拟中使用了三种方法估计宽带射频信号的功率谱，包括使用无量化的理想信号进行谱估计、直接使用2比特量化信号进行谱估计和使用本发明进行谱估计。仿真模拟结果如图4所示，仿真结果中，为了方便对比，谱估计结果的最大值都归一化到0dB。结果显示，直接使用2比特量化虽然可以降低硬件复杂度和成本，但直接使用2比特量化信号进行谱估计会产生较高的谐波，严重影响谱估计质量，而本发明有效降低了2比特量所引入的谐波，谱估计结果和无量化时的理想结果接近。
以上即为本实施例列举的实施方式，但本实施例不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本实施例的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本实施例的保护范围的限制，本实施例的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (9)

1.适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化系统，其特征在于，包括：
功分器，用于将宽带模拟信号分为两路信号，并分别用于检波处理和转换处理；
低通处理分路，连接功分器并用于接收其中一路信号，且用于对信号进行检波处理、低通滤波处理和低速率模数转换处理；
2比特模数转换分路，连接功分器并用于接收另一路信号，且用于对信号进行2比特量化采样处理；
数字信号处理模块，用于连接并接收低通处理分路和2比特模数转换分路的信号处理结果，对结果处理以得到功率谱估计结果；
在进行谱估计处理时，按照如下方法进行：
根据射频直采2比特量化信号及功率信息视频采样信号，使用最大似然估计算法，估计信号的自相关系数：
rML(τ)＝FML(x2bit(t0+t)，xamp(t0))
根据自相关系数，通过傅里叶变换，计算归一化的功率谱：
Sscaled(f)＝FourierTransformζrML(τ)}
根据归一化的功率谱及功率信息视频采样信号，计算宽带射频信号的功率谱：
S(f)＝xamp(t0)Sscaled(f)
其中，x2bit(t0+t)为射频直采2比特量化信号，xamp(t0)为功率信息视频采样信号，S(f)为功率谱估计；FML(·)表示最大似然估计算法；rML(τ)表示自相关函数的最大似然估计值；FourierTransform{·}表示傅里叶变换；Sscaled(f)表示归一化的功率谱密度函数。
2.根据权利要求1所述的适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化系统，其特征在于：所述的低通处理分路，包括依次连接的检波模块、低通滤波模块和低速率模数转换模块，检波模块的输入端连接功分器且输出端连接低通滤波模块，低速率模数转换模块的输出端连接数字信号处理模块。
3.根据权利要求1所述的适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化系统，其特征在于：所述的2比特模数转换分路包括2比特模数转换模块，2比特模数转换模块的输入端与功分器连接且输出端与数字信号处理模块连接。
4.适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化方法，其特征在于，包括：
将宽带模拟信号进行处理并分成两路信号；
对其中一路信号进行检波处理和低通滤波处理，得到视频信号；
对视频信号进行采样量化，输出功率信息视频采样信号；
对另一路信号进行2比特量化采样并输出射频直采2比特量化信号；
对功率信息视频采样信号和射频直采2比特量化信号进行数字信号谱估计处理，最终得到宽带射频信号的功率谱估计；
在进行谱估计处理时，按照如下方法进行：
根据射频直采2比特量化信号及功率信息视频采样信号，使用最大似然估计算法，估计信号的自相关系数：
rML(τ)＝FML(x2bit(t0+t)，xamp(t0))
根据自相关系数，通过傅里叶变换，计算归一化的功率谱：
Sscaled(f)＝FourierTransform{rML(τ)}
根据归一化的功率谱及功率信息视频采样信号，计算宽带射频信号的功率谱：
S(f)＝xamp(t0)Sscaled(f)
其中，x2bit(t0+t)为射频直采2比特量化信号，xamp(t0)为功率信息视频采样信号，S(f)为功率谱估计；FML(·)表示最大似然估计算法；rML(τ)表示自相关函数的最大似然估计值；FourierTransform{·}表示傅里叶变换；Sscaled(f)表示归一化的功率谱密度函数。
5.根据权利要求4所述的适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化方法，其特征在于：所述的将宽带模拟信号进行处理并分成两路信号，通过功分器对宽带模拟信号进行处理。
6.根据权利要求4所述的适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化方法，其特征在于：所述的对其中一路信号进行检波处理和低通滤波处理，得到视频信号；通过检波模块对信号进行检波处理，以及通过低通滤波模块对信号进行低通滤波处理。
7.根据权利要求4所述的适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化方法，其特征在于：通过低速率模数转换模块对视频信号进行采样量化，输出功率信息视频采样信号。
8.根据权利要求4所述的适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化方法，其特征在于：通过2比特模数转换模块进行信号的2比特量化采样，其中2比特模数转换模块的采样率大于等于目标射频信号频率的两倍。
9.根据权利要求4所述的适用于宽带射频信号谱估计的2比特采样量化方法，其特征在于：在基于FPGA构建的数字信号处理模块内进行数字信号谱估计处理，最终得到宽带射频信号的功率谱估计。
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