CN114488874B - 一种线性调频信号的采样同步方法及系统 - Google Patents

一种线性调频信号的采样同步方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种线性调频信号的采样同步方法及系统，包括：步骤S1，获取线性调频信号，通过调整线性调频信号的初始频率和相位步进得到多个不同的采样相位；步骤S2，针对每个采样相位，对采样相位分别进行循环位移以得到多组采样相位数据；步骤S3，针对每组采样相位数据，生成对应的两路本地信号，根据两路本地信号与外部输入的一输入信号处理得到采样相位数据对应的信号能量；步骤S4，根据各信号能量和噪声能量处理得到多个信噪比，根据各信噪比筛选得到一个采样相位作为采样同步结果。有益效果是本方法及系统通过直流分量和一次谐波分量来计算得到信号能量，有效降低计算复杂度和计算时间，处理得到最优采样相位以解决信号不同步的问题。

Description

一种线性调频信号的采样同步方法及系统
技术领域
本发明涉及信号采样同步技术领域，尤其涉及一种线性调频信号的采样同步方法及系统。
背景技术
线性调频信号是信号频率随着时间呈线性变化的信号，由于线性调频信号占用的频谱宽度远大于信息带宽，所以也可以获得很大的系统处理收益，在实际使用中，存在多种干扰信号的因素，会产生信号的不同步。
在现有的普遍的同步技术中，广为使用的是导频同步法，即在发射端的帧结构中插入一段专门的导频，接收端提取这一段导频作为同步信号，但导频同步无法实现相位的精确同步，尽管通过数字锁相环可以实现相位的精确同步，但是硬件结构复杂，实现难度大。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种线性调频信号的采样同步方法，具体包括以下步骤：
步骤S1，获取一线性调频信号，通过调整所述线性调频信号的一初始频率和一相位步进得到多个不同的采样相位；
步骤S2，针对每个所述采样相位，对所述采样相位分别进行循环位移以得到多组采样相位数据；
步骤S3，针对每组所述采样相位数据，生成对应的两路本地信号，根据两路所述本地信号与外部输入的一输入信号处理得到所述采样相位数据对应的一信号能量；
步骤S4，根据各所述信号能量和预先配置的一噪声能量处理得到各组采样相位数据对应的一信噪比，根据各所述信噪比筛选得到一个所述采样相位作为采样同步结果。
优选的，所述步骤S2中，针对每个所述采样相位，将所述采样相位向左循环移位得到一组所述采样相位数据，将所述采样相位向右循环移位得到一组所述采样相位数据，以及将未进行循环移位的所述采样相位作为一组所述采样相位数据。
优选的，所述步骤S3包括：
步骤S31，针对每组所述采样相位数据，预先生成正交的两路所述本地信号，将两路所述本地信号分别与所述输入信号进行共轭相乘得到对应的一相乘数据；
步骤S32，针对每个所述相乘数据，采用累加的方式对所述相乘数据进行处理得到对应的一直流分量，采用循环移位和累加的方式对所述相乘数据进行处理得到对应的一组一次谐波分量，对所述直流分量和所述一次谐波分量进行平方和求值得到一平方和数据，将所述平方和数据作为所述信号能量。
优选的，所述步骤S4包括：
步骤S41，根据各所述信号能量和预先配置的所述噪声能量处理得到各组采样相位数据对应的所述信噪比；
步骤S42，将各所述信噪比按数值从大到小的顺序进行排序以得到排序靠前的一极值信噪比，将所述极值信噪比对应的所述采样相位作为所述采样同步结果。
优选的，通过以下计算公式处理得到所述相乘数据：
dmixer＝din×(dlocal)*
其中，
dmixer表示所述相乘数据；
din表示所述输入信号；
dlocal表示所述本地信号。
优选的，通过以下计算公式处理得到所述直流分量：
其中，
X(0)表示所述直流分量；
dmixer表示所述相乘数据；
N和n为可变参数。
优选的，通过以下计算公式处理得到所述信噪比：
其中，
SNR表示所述信噪比；
S表示所述信号能量；
N表示所述噪声能量。
优选的，一种线性调频信号的采样同步系统，应用于上述的采样同步方法，包括：
一相位获取模块，用于获取一线性调频信号，通过调整所述线性调频信号的一初始频率和一相位步进得到多个不同的采样相位；
一数据处理模块，连接所述相位获取模块，用于针对每个所述采样相位，对所述采样相位分别进行循环位移以得到多组采样相位数据；
一信号生成模块，连接所述数据处理模块，用于针对每组所述采样相位数据，生成对应的两路本地信号，根据两路所述本地信号与外部输入的一输入信号处理得到所述采样相位数据对应的一信号能量；
一相位选择模块，连接所述信号生成模块，用于根据各所述信号能量和预先配置的一噪声能量处理得到各组采样相位数据对应的一信噪比，根据各所述信噪比筛选得到一个所述采样相位作为采样同步结果。
优选的，所述信号生成模块包括：
一第一处理单元，用于针对每组所述采样相位数据，预先生成正交的两路所述本地信号，将两路所述本地信号分别与所述输入信号进行共轭相乘得到对应的一相乘数据；
一第二处理单元，连接所述第一处理单元，用于针对每个所述相乘数据，采用累加的方式对所述相乘数据进行处理得到对应的一直流分量，采用循环移位和累加的方式对所述相乘数据进行处理得到对应的一组一次谐波分量，对所述直流分量和所述一次谐波分量进行平方和求值得到一平方和数据，将所述平方和数据作为所述信号能量。
优选的，所述相位选择模块包括：
一第三处理单元，用于根据各所述信号能量和预先配置的所述噪声能量处理得到各组采样相位数据对应的所述信噪比；
一第四处理单元，连接所述第三处理单元，用于将各所述信噪比按数值从大到小的顺序进行排序以得到排序靠前的一极值信噪比，将所述极值信噪比对应的所述采样相位作为所述采样同步结果。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：本方法及系统通过直流分量和一次谐波分量来计算得到信号能量，可以有效降低计算复杂度和计算时间，同时可以降低硬件电路面积和功耗，在大量的采样相位中处理得到最优采样相位，解决信号不同步的问题。
附图说明
图1为本发明的较佳的实施例中，本方法的步骤流程图；
图2为本发明的较佳的实施例中，步骤S3的具体流程图；
图3为本发明的较佳的实施例中，步骤S4的具体流程图；
图4为本发明的较佳的实施例中，本系统的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种线性调频信号的采样同步方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤S1，获取一线性调频信号，通过调整线性调频信号的一初始频率和一相位步进得到多个不同的采样相位；
步骤S2，针对每个采样相位，对采样相位分别进行循环位移以得到多组采样相位数据；
步骤S3，针对每组采样相位数据，生成对应的两路本地信号，根据两路本地信号与外部输入的一输入信号处理得到采样相位数据对应的一信号能量；
步骤S4，根据各信号能量和预先配置的一噪声能量处理得到各组采样相位数据对应的一信噪比，根据各信噪比筛选得到一个采样相位作为采样同步结果。
具体地，本实施例中，考虑到在输入信号存在降采样的情况，采样倍数一定，如N倍采样，那不同的采样相位也只有N种，每一种采样相位对应着不同的采样特性，如果输入信号的采样相位和本地信号的采样相位不同，就会存在一个频率偏差，这会对信号的同步解调造成干扰，影响解调性能，因此，将本地信号与输入信号的采样相位进行同步就显得尤为重要。
具体地，本实施例中，生成不同采样相位的方向是改变初始频率和相位步进，通过以下计算公式计算得到采样相位：
θn＝f0+Δθ×n
其中，
θn表示采样相位，θn＝(θ1，θ2，...θn)；
f0表示初始频率；
Δθ表示相位步进。
优选的，通过以下计算公式计算得到相位步进：
Δθ＝f0+fstep×n
其中，
Δθ表示相位步进；
f0表示初始频率；
fstep表示线性调频信号的频率步进。
优选的，通过以下计算公式计算得到线性调频信号的频率步进：
其中，
fstep表示线性调频信号的频率步进；
BW表示线性调频信号的带宽；
SF表示线性调频信号的扩频因子。
本发明的较佳的实施例中，步骤S2中，针对每个采样相位，将采样相位向左循环移位得到一组采样相位数据，将采样相位向右循环移位得到一组采样相位数据，以及将未进行循环移位的采样相位作为一组采样相位数据。
具体地，本实施例中，N个采样相位可以得到3N组采样相位数据,输入信号进行N倍降采样的时候就有N种不同的抽样方式，比如N＝4，即4倍降采样有4种不同的抽样方式，每一种抽样得到的降采样数据都是完全不同的，本来是要对这4种不同的抽样方式所得到的降采样数据进行快速傅里叶变换(FFT)，总共要做4次FFT，这样非常费时费力，然而，在算法原理上只要计算出FFT的直流分量和左右一次谐波分量即可(共3个值)，不但可以达到与FFT相同的效果(因为FFT其他分量其实是不需要计算的)，同时也可以达到降低计算时间和计算成本的目的，比如128点FFT，要计算的分量就有128个。
优选的，为了增加一般性，以N代表降采样倍数，那么采样相位数据的组数就有3N组。
本发明的较佳的实施例中，如图2所示，步骤S3包括：
步骤S31，针对每组采样相位数据，预先生成正交的两路本地信号，将两路本地信号分别与输入信号进行共轭相乘得到对应的一相乘数据；
步骤S32，针对每个相乘数据，采用累加的方式对相乘数据进行处理得到对应的一直流分量，采用循环移位和累加的方式对相乘数据进行处理得到对应的一组一次谐波分量，对直流分量和一次谐波分量进行平方和求值得到一平方和数据，将平方和数据作为信号能量。
具体地，本实施例中，通过以下计算公式计算得到本地信号：
其中，
dlocal表示本地信号；
n为可变参数。
j表示复数符号标识。
本发明的较佳的实施例中，如图3所示，步骤S4包括：
步骤S41，根据各信号能量和预先配置的噪声能量处理得到各组采样相位数据对应的信噪比；
步骤S42，将各信噪比按数值从大到小的顺序进行排序以得到排序靠前的一极值信噪比，将极值信噪比对应的采样相位作为采样同步结果。
具体地，本实施例中，对于1次FFT来说，可以由FFT的计算结果计算信噪比，如果存在信号，那么FFT的结果当中就会有一个分量的值大小远超其他分量，表示信号的频率在频谱中所占的位置，在同步计算的时候，由于信号同步，其频率基本上都在0频或者附近的位置，所以只要计算直流分量(代表0频)和左右一次谐波分量的值基本就能确定频率所处的位置。
优选的，除了信号以外的其他分量的值经过求平均计算之后可以用来代表噪声能量，可以在进行同步时，计算一次完整的FFT，这里就对计算的时间和复杂度没有要求，可以慢慢计算一次FFT，用它的结果得出噪声能量。
具体地，本实施例中，对3N个信噪比按照数值从大到小的顺序进行排序，找到其中的最大值作为极值信噪比，该极值信噪比就是最佳采样下能确定的最佳信噪比，极值信噪比对应的那个采样相位和采样方式就能确定为最佳采样相位，最佳采样相位下输入信号能与本地信号实现相位同步，从而达到最佳的接收性能。
本发明的较佳的实施例中，通过以下计算公式处理得到相乘数据：
dmixer＝din×(dlocal)*
其中，
dmixer表示相乘数据；
din表示输入信号；
dlocal表示本地信号。
具体地，本实施例中，通过以下计算公式计算得到本地信号的共轭信号：
其中，
(dlocal)*表示本地信号的共轭信号；
n为可变参数。
j表示复数符号标识。
本发明的较佳的实施例中，通过以下计算公式处理得到直流分量：
其中，
X(0)表示直流分量；
dmixer表示相乘数据；
N和n为可变参数。
本发明的较佳的实施例中，通过以下计算公式处理得到信噪比：
其中，
SNR表示信噪比；
S表示信号能量；
N表示噪声能量。
本发明的较佳的实施例中，一种线性调频信号的采样同步系统，应用于上述的采样同步方法，如图4所示，包括：
一相位获取模块1，用于获取一线性调频信号，通过调整线性调频信号的一初始频率和一相位步进得到多个不同的采样相位；
一数据处理模块2，连接相位获取模块1，用于针对每个采样相位，对采样相位分别进行循环位移以得到多组采样相位数据；
一信号生成模块3，连接数据处理模块2，用于针对每组采样相位数据，生成对应的两路本地信号，根据两路本地信号与外部输入的一输入信号处理得到采样相位数据对应的一信号能量；
一相位选择模块4，连接信号生成模块3，用于根据各信号能量和预先配置的一噪声能量处理得到各组采样相位数据对应的一信噪比，根据各信噪比筛选得到一个采样相位作为采样同步结果。
本发明的较佳的实施例中，信号生成模块3包括：
一第一处理单元31，用于针对每组采样相位数据，预先生成正交的两路本地信号，将两路本地信号分别与输入信号进行共轭相乘得到对应的一相乘数据；
一第二处理单元32，连接第一处理单元31，用于针对每个相乘数据，采用累加的方式对相乘数据进行处理得到对应的一直流分量，采用循环移位和累加的方式对相乘数据进行处理得到对应的一组一次谐波分量，对直流分量和一次谐波分量进行平方和求值得到一平方和数据，将平方和数据作为信号能量。
本发明的较佳的实施例中，相位选择模块4包括：
一第三处理单元41，用于根据各信号能量和预先配置的噪声能量处理得到各组采样相位数据对应的信噪比；
一第四处理单元42，连接第三处理单元41，用于将各信噪比按数值从大到小的顺序进行排序以得到排序靠前的一极值信噪比，将极值信噪比对应的采样相位作为采样同步结果。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种线性调频信号的采样同步方法，其特征在于，具体包括以下步骤:
步骤S1，获取一线性调频信号，通过调整所述线性调频信号的一初始频率和一相位步进得到多个不同的采样相位；
步骤S2，针对每个所述采样相位，对所述采样相位分别进行循环位移以得到多组采样相位数据；
步骤S3，针对每组所述采样相位数据，生成对应的正交的两路本地信号，根据两路所述本地信号与外部输入的一输入信号进行共轭相乘得到对应的一相乘数据，针对每个所述相乘数据处理得到对应的直流分量和一组一次谐波分量，对所述直流分量和所述一次谐波分量进行平方和求值处理得到所述采样相位数据对应的一信号能量；
步骤S4，根据各所述信号能量和预先配置的一噪声能量处理得到各组采样相位数据对应的一信噪比，根据各所述信噪比按数值从大到小的顺序进行排序以筛选得到排序靠前的一极值信噪比，将所述极值信噪比对应的一个所述采样相位作为采样同步结果。
2.根据权利要求1所述的采样同步方法，其特征在于，所述步骤S2中，针对每个所述采样相位，将所述采样相位向左循环移位得到一组所述采样相位数据，将所述采样相位向右循环移位得到一组所述采样相位数据，以及将未进行循环移位的所述采样相位作为一组所述采样相位数据。
3.根据权利要求1所述的采样同步方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S31，针对每组所述采样相位数据，预先生成正交的两路所述本地信号，将两路所述本地信号分别与所述输入信号进行共轭相乘得到对应的一相乘数据；
步骤S32，针对每个所述相乘数据，采用累加的方式对所述相乘数据进行处理得到对应的一直流分量，采用循环移位和累加的方式对所述相乘数据进行处理得到对应的一组一次谐波分量，对所述直流分量和所述一次谐波分量进行平方和求值得到一平方和数据，将所述平方和数据作为所述信号能量。
4.根据权利要求1所述的采样同步方法，其特征在于，通过以下计算公式处理得到所述相乘数据：
dmixer＝din×(dlocal)*
其中，
dmixer表示所述相乘数据；
din表示所述输入信号；
dlocal表示所述本地信号。
5.根据权利要求1所述的采样同步方法，其特征在于，通过以下计算公式处理得到所述直流分量：
其中，
X(0)表示所述直流分量；
dmixer表示所述相乘数据；
N和n为可变参数。
6.根据权利要求1所述的采样同步方法，其特征在于，通过以下计算公式处理得到所述信噪比：
其中，
SNR表示所述信噪比；
S表示所述信号能量；
N表示所述噪声能量。
7.一种线性调频信号的采样同步系统，其特征在于，应用于如权利要求1-6中任意一项所述的采样同步方法，包括：
一相位获取模块，用于获取一线性调频信号，通过调整所述线性调频信号的一初始频率和一相位步进得到多个不同的采样相位；
一数据处理模块，连接所述相位获取模块，用于针对每个所述采样相位，对所述采样相位分别进行循环位移以得到多组采样相位数据；
一信号生成模块，连接所述数据处理模块，用于针对每组所述采样相位数据，生成对应的正交的两路本地信号，根据两路所述本地信号与外部输入的一输入信号进行共轭相乘得到对应的一相乘数据，针对每个所述相乘数据处理得到对应的直流分量和一组一次谐波分量，对所述直流分量和所述一次谐波分量进行平方和求值处理得到所述采样相位数据对应的一信号能量；
一相位选择模块，连接所述信号生成模块，用于根据各所述信号能量和预先配置的一噪声能量处理得到各组采样相位数据对应的一信噪比，根据各所述信噪比按数值从大到小的顺序进行排序以筛选得到排序靠前的一极值信噪比，将所述极值信噪比对应的一个所述采样相位作为采样同步结果。
8.根据权利要求7所述的采样同步系统，其特征在于，所述信号生成模块包括：
一第一处理单元，用于针对每组所述采样相位数据，预先生成正交的两路所述本地信号，将两路所述本地信号分别与所述输入信号进行共轭相乘得到对应的一相乘数据；
一第二处理单元，连接所述第一处理单元，用于针对每个所述相乘数据，采用累加的方式对所述相乘数据进行处理得到对应的一直流分量，采用循环移位和累加的方式对所述相乘数据进行处理得到对应的一组一次谐波分量，对所述直流分量和所述一次谐波分量进行平方和求值得到一平方和数据，将所述平方和数据作为所述信号能量。
9.根据权利要求7所述的采样同步系统，其特征在于，所述相位选择模块包括：
一第三处理单元，用于根据各所述信号能量和预先配置的所述噪声能量处理得到各组采样相位数据对应的所述信噪比；
一第四处理单元，连接所述第三处理单元，用于将各所述信噪比按数值从大到小的顺序进行排序以得到排序靠前的一极值信噪比，将所述极值信噪比对应的所述采样相位作为所述采样同步结果。
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