CN114745247A - 瞬时超宽带信号合成装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种瞬时超宽带信号合成装置及方法，装置包括矢量调制信号源和梳状谱发生器，矢量调制信号源用于提供矢量调制信号，矢量调制信号的中心频率小于带宽的2M+1倍，梳状谱发生器与矢量调制信号源的输出端连接。通过合理设置矢量调制信号的中心频率和带宽，可以实现高可靠性、低功耗的瞬时超宽带信号输出，且结构简单、对器件性能要求低、数量少，有利于降低成本和实现小型化。本发明涉及雷达和无线通信技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及雷达和无线通信技术领域，特别涉及一种瞬时超宽带信号合成装置及方法。
背景技术
瞬时超宽带的信号常用做干扰源，在电磁屏蔽和电子对抗中应用广泛，如反恐排爆、反跳频通信和反无人机系统。相关技术中，主流的宽带或超宽带频率合成技术通常基于数模转换器(DAC)或直接数字频率合成器(DDS)或者它们的组合，然后用混频或者调制的方式将频谱搬移，以达到展宽射频带宽的目的。然而，这种方式存在器件多而复杂，可靠性差、成本高、功耗大和体积大的缺点。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种瞬时超宽带信号合成装置及方法，能够提高可靠性、降低成本、功耗和实现小型化。
一方面，本发明实施例提供一种瞬时超宽带信号合成装置，包括矢量调制信号源和梳状谱发生器，矢量调制信号源用于提供矢量调制信号，所述矢量调制信号的中心频率小于带宽的2M+1倍，梳状谱发生器与所述矢量调制信号源的输出端连接。
根据本发明的一些实施例，所述矢量调制信号源和所述梳状谱发生器之间还连接有驱动放大器。
根据本发明的一些实施例，所述矢量调制信号的中心频率为100MHz，所述矢量调制信号的带宽为66.67MHz。
根据本发明的一些实施例，所述矢量调制信号源采用数模转换器或直接数字频率合成器中的至少之一。
根据本发明的一些实施例，所述梳状谱发生器为基于阶跃恢复二极管或非线性传输线的梳状谱发生器。
另一方面，本发明实施例提供一种瞬时超宽带信号合成方法，包括：
提供一矢量调制信号，所述矢量调制信号的中心频率小于带宽的2M+1倍；
通过梳状谱发生器对所述矢量调制信号进行处理，以得到瞬时超宽带信号。
根据本发明的一些实施例，所述提供一矢量调制信号之后，还包括：
通过驱动放大器对所述矢量调制信号进行放大，得到第一调制信号；
所述通过梳状谱发生器对所述矢量调制信号进行处理，包括：
通过梳状谱发生器对所述第一调制信号进行处理，以得到所述瞬时超宽带信号。
根据本发明的一些实施例，所述矢量调制信号的中心频率为100MHz，所述矢量调制信号的带宽为66.67MHz。
根据本发明的一些实施例，所述提供一矢量调制信号，包括：
通过数模转换器或直接数字频率合成器中的至少之一提供所述矢量调制信号。
根据本发明的一些实施例，所述通过梳状谱发生器对所述矢量调制信号进行处理，以得到瞬时超宽带信号，包括：
通过基于阶跃恢复二极管或非线性传输线的梳状谱发生器对所述矢量调制信号进行处理，以得到瞬时超宽带信号。
本发明实施例至少具有如下有益效果：
本发明实施例通过合理设置矢量调制信号的中心频率和带宽，可以实现高可靠性、低功耗的瞬时超宽带信号输出，且结构简单、对器件性能要求低、数量少，有利于降低成本和实现小型化。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的瞬时超宽带信号合成装置的原理图之一；
图2为本发明实施例的瞬时超宽带信号合成装置的原理图之二；
图3为图2示出的瞬时超宽带信号合成装置的梳状谱发生器的电路原理图；
图4为本发明实施例的矢量调制信号的波形图；
图5为本发明实施例的超宽带信号的波形图；
图6为对1575.42MHz卫星导航频段进行测量得到的信号波形图；
图7为对2.4GHz卫星导航频段进行测量得到的信号波形图；
图8为本发明实施例的瞬时超宽带信号合成方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。如果有描述到“第一”、“第二”等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，“设置”、“连接”等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
窄带信号通常是指信号带宽远小于中心频率的的信号，宽带信号通常是指带宽能和中心频率相比拟或着是远大于中心频率的信号是，超宽带(UWB，Ultra Wide Band)技术是一种无线通信技术，通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。超宽带信号使用的带宽在1GHz以上，高达几G赫兹，并且可以和窄带通信系统同时工作而互不干扰。而瞬时超宽带的信号常用做干扰源，众所周知，瞬时宽带信号的产生受限于数模转换器或直接数字频率合成器的采样速率fs，以及相应的数字电路的接口速率。瞬时宽带信号的工作带宽在奈奎斯特区域内，即频率小于或等于1/2fs，例如，如果需要产生DC-20GHz带宽的瞬时信号，则需要大于40Gsps的采样速率的数模转换器或直接数字频率合成器。如此高性能的数模转换器或直接数字频率合成器通常具有极高的价格成本和设计难度。因此，本领域技术人员通常采用如上文背景技术中涉及的方案，即用若干个高速数模转换器(如5Gsps采样率)产生若干个瞬时带宽信号，然后使用调制器或者混频器将频谱进行逐个搬移，然后在电路上通过分路或合成，最终实现瞬时超宽带的目的，但存在较多缺陷。虽然还有人提出基于锁相环或直接数字频率合成器的快速线性调频方案以及使用多级高增益的放大器放大高斯白噪声以实现超宽带干扰的方案，然而，快速线性调频的方案不能瞬时实现超宽带信号无缝覆盖，实际干扰能力太弱；而放大高斯白噪声在理论上是个理想的方案，但是由于放大器的隔离度有限、级联增益太高，在放大200dB的高斯白噪声后放大器容易自激振荡或烧毁，导致难以实现。
针对相关技术的缺陷，本实施例提出了一种瞬时超宽带信号合成装置。请参照图1，本实施例提出的瞬时超宽带信号合成装置包括矢量调制信号源100和梳状谱发生器300，矢量调制信号源100用于提供矢量调制信号，矢量调制信号的中心频率小于带宽的2M+1倍，梳状谱发生器300与矢量调制信号源100的输出端连接。
为了更好地理解本实施例的瞬时超宽带信号合成装置，下面对其设计原理进行详细阐述。
设输入信号fin的中心频率为fi，上、下边带带宽为±BW，即瞬时信号带宽为2*BW，则输入信号fin＝fi±BW，输出的M次谐波为fout(M)＝M*(fi±BW)，则M+1次谐波为fout(M+1)＝(M+1)*(fi±BW)。fout(M)的上边带是M*(fi+*BW)，fout(M+1)的下边带是(M+1)*(fi-BW)，那么产生瞬时超宽带信号所需要满足的条件是fout(M+1)的下边带频率低于fout(M)的上边带频率，即(M+1)*(fi-BW)＜M*(fi+*BW)，亦即fi＜(2M+1)*BW。
为了更好地理解，下面以一个具体示例进行说明。
例如，矢量调制信号的中心频率fi＝100MHz，当谐波次数M＝1时，根据fi＜(2M+1)*BW，则有100MHz<3*BW，即矢量调制信号的带宽BW>33.33MHz；当谐波次数M＝60时，根据fi＜(2M+1)*BW，则有100MHz<121*BW，即矢量调制信号的带宽BW>0.83MHz.由此可见，在产生瞬时超宽带信号时，输出频率越高(如GHz级别)则所需的矢量调制信号的带宽越小，而输出频率越低(如MHz级别)则所需的矢量调制信号的带宽越大。因此，实际设计时取带宽较大者即可满足装置整体要求。通俗地说，本实施例的瞬时超宽带信号合成装置对各器件性能要求低、数量少，矢量调制信号源100只要给出中心频率100MHz，带宽66.67MHz的信号，就可以得到覆盖66.67MHz-6000MHz区间甚至更高频率(取决于梳状谱发生器300的工作频率和转换效率)的瞬时超宽带信号。
请参照图2，在一些应用示例中，矢量调制信号源100和梳状谱发生器300之间还连接有驱动放大器200。驱动放大器200用于将矢量调制信号进行信号放大以驱动梳状谱发生器300。当然，如果矢量调制信号源100采用的是功率足够大的信号源仪器设备，则可以输出功率足够大的矢量调制信号，而无需通过驱动放大器200进行功率放大。
如前文所述，在通常情况下，矢量调制信号的中心频率为100MHz，矢量调制信号的带宽为66.67MHz，可以覆盖66.67MHz-6000MHz区间甚至更高频率，从而得到超宽带的信号干扰源。
在进行具体实施时，矢量调制信号源100可以采用数模转换器，也可以采用直接数字频率合成器，还可以矢量调制信号源100采用数模转换器和直接数字频率合成器中的组合。其中，数模转换器和直接数字频率合成器的采样率通常大于矢量调制信号带宽的两倍，且奈奎斯特定律带通或者低通采样定律。与相关技术相比，本实施例提出的瞬时超宽带信号合成装置大大降低了对器件的性能要求，有利于降低器件成本。
另外，梳状谱发生器300为基于阶跃恢复二极管或非线性传输线的梳状谱发生器。例如，请参照图3，图中示出了基于阶跃恢复二极管的梳状谱发生器300的其中一种电路原理图。梳状谱发生器300包括第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2、第二电感L2、阶跃恢复二极管D1和第三电容C3。第一电感L1的第一端、第一电容C1的第一端和第二电感C2的第一端均连接于输入节点IN，第一电感L1的第二端、第一电容C1的第二端和第二电感C2的第二端均接地，第二电感L2的第一端与输入节点IN连接，第二电感L2的第二端与输出节点OUT连接，阶跃恢复二极管D1的阳极、第三电容C3的第一端与第二电感L2的第二端连接，阶跃恢复二极管D1的阴极和第三电感C3的第二端均接地。
为了更进一步了解本实施例的瞬时超宽带信号合成装置，下面结合附图来进行详细阐述。
在图2所示的原理图中，矢量调制信号源100采用数模转换器，并产生一个正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)的矢量调制信号(如图4所示)，矢量调制信号的中心频率为100MHz，瞬时带宽为30MHz，滚降系数0.22，带内积分功率约为0dBm，矢量调制信号经过型号为HMC589的驱动放大器200进行放大后输入至基于阶跃恢复二极管的梳状谱发生器300，得到如图5所示的瞬时超宽带信号，其中图示的瞬时超宽带信号覆盖了100～6000MHz的频率区间。图6为用频谱仪对1575.42MHz卫星导航频段(美国GPS工作频段)进行测量得到的波形图，根据测量结果得到约20MHz带宽(Occupied Bandwith)内的积分功率(Total Power)为-27.1dBm；图7为用频谱仪对2.4GHz的WIFI工作频率进行测量得到的波形图，根据测量结果得到297.47MHz带宽(Occupied Bandwith)内的积分功率(Total Power)为-15.5dBm。可见，这些信号在抽样测试的工作频段内是无缝覆盖的，其经过匹配滤波和射频放大后可用于压制干扰其他无线电信号，如用于反无人机和无线电遥控简易爆炸物装置(Radio-Controlled Improvised Explosive Device，简称RCIED)。类似的，实验中在使用高中心频率如500MHz，带宽55MHz去激励效率更高的基于非线性传输线的梳状谱发生器300，可以得到超过20GHz瞬时带宽的信号。
根据上文的瞬时超宽带信号合成装置的讨论，本实施例提供一种瞬时超宽带信号合成方法，希望理解的是，本实施例的瞬时超宽带信号合成方法解决了如上文所述的瞬时超宽带信号合成装置相同的技术问题，达到了相同的技术效果，并实现了相同的功能。为了避免赘述，本瞬时超宽带信号合成方法实施例未涉及的内容可参照上文的瞬时超宽带信号合成装置实施例。本实施例的瞬时超宽带信号合成方法包括步骤S100和步骤S200。需要说明的是，本实施例对方法步骤的标号仅是为了便于理解和审查，而不是对本实施例的步骤顺序的具体限制，结合各个步骤之间的逻辑关系，调整部分步骤之间的顺序并不影响本实施例的技术效果。请参照图8，各个步骤的内容如下：
S100、提供一矢量调制信号，矢量调制信号的中心频率小于带宽的2M+1倍；
S200、通过梳状谱发生器300对矢量调制信号进行处理，以得到瞬时超宽带信号。
其中，步骤S100、提供一矢量调制信号之后，还包括：
S110、通过驱动放大器200对矢量调制信号进行放大，得到第一调制信号；
相应的，步骤S200包括：
S201、通过梳状谱发生器300对第一调制信号进行处理，以得到瞬时超宽带信号。
其中，矢量调制信号的中心频率为100MHz，矢量调制信号的带宽为66.67MHz。
具体的，步骤S100、提供一矢量调制信号，包括：
S101、通过数模转换器或直接数字频率合成器中的至少之一提供矢量调制信号。
步骤S200、通过梳状谱发生器300对矢量调制信号进行处理，以得到瞬时超宽带信号，包括：
S202、通过基于阶跃恢复二极管或非线性传输线的梳状谱发生器300对矢量调制信号进行处理，以得到瞬时超宽带信号。
本发明实施例通过合理设置矢量调制信号的中心频率和带宽，可以实现高可靠性、低功耗的瞬时超宽带信号输出，且结构简单、对器件性能要求低、数量少，有利于降低成本和实现小型化。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术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。
Claims (10)
1.一种瞬时超宽带信号合成装置，其特征在于，包括：
矢量调制信号源，用于提供矢量调制信号，所述矢量调制信号的中心频率小于带宽的2M+1倍；
梳状谱发生器，与所述矢量调制信号源的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的瞬时超宽带信号合成装置，其特征在于，所述矢量调制信号源和所述梳状谱发生器之间还连接有驱动放大器。
3.根据权利要求1或2所述的瞬时超宽带信号合成装置，其特征在于，所述矢量调制信号的中心频率为100MHz，所述矢量调制信号的带宽为66.67MHz。
4.根据权利要求1或2所述的瞬时超宽带信号合成装置，其特征在于，所述矢量调制信号源采用数模转换器或直接数字频率合成器中的至少之一。
5.根据权利要求1或4所述的瞬时超宽带信号合成装置，其特征在于，所述梳状谱发生器为基于阶跃恢复二极管或非线性传输线的梳状谱发生器。
6.一种瞬时超宽带信号合成方法，其特征在于，包括：
提供一矢量调制信号，所述矢量调制信号的中心频率小于带宽的2M+1倍；
通过梳状谱发生器对所述矢量调制信号进行处理，以得到瞬时超宽带信号。
7.根据权利要求6所述的瞬时超宽带信号合成方法，其特征在于，所述提供一矢量调制信号之后，还包括：
通过驱动放大器对所述矢量调制信号进行放大，得到第一调制信号；
所述通过梳状谱发生器对所述矢量调制信号进行处理，包括：
通过梳状谱发生器对所述第一调制信号进行处理，以得到所述瞬时超宽带信号。
8.根据权利要求6或7所述的瞬时超宽带信号合成方法，其特征在于，所述矢量调制信号的中心频率为100MHz，所述矢量调制信号的带宽为66.67MHz。
9.根据权利要求6或7所述的瞬时超宽带信号合成方法，其特征在于，所述提供一矢量调制信号，包括：
通过数模转换器或直接数字频率合成器中的至少之一提供所述矢量调制信号。
10.根据权利要求6或9所述的瞬时超宽带信号合成方法，其特征在于，所述通过梳状谱发生器对所述矢量调制信号进行处理，以得到瞬时超宽带信号，包括：
通过基于阶跃恢复二极管或非线性传输线的梳状谱发生器对所述矢量调制信号进行处理，以得到瞬时超宽带信号。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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