CN115242319B - 基于mwc的射频信号频谱感知系统和方法 - Google Patents
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Abstract
基于MWC的射频信号频谱感知系统和方法，涉及信号采样领域。针对现有技术在实现MWC的硬件过程中，由于器件的非理想性、通道响应、时延效应等现实因素会使得结果偏离压缩采样理论，造成信号重构的不理想的问题，本发明提供的技术方案为：被测射频MWC信号传输系统，所述系统包括：随机序列装置、ADC模块、功能装置和射频调制通道；所述随机序列装置用于向所述功能装置发送混频信号；所述功能装置将所述混频信号输出为单端信号；所述射频调制通道用于调制所述被测射频MWC信号与所述单端信号，并将调制后的信号发送至所述ADC模块；所述ADC模块将所述调制信号进行模数转化后作为所述系统的输出信号。适用于应用在MWC硬件实现中。
Description
技术领域
涉及信号采样领域，具体涉及MWC领域。
背景技术
随着信息技术的发展，信号种类愈发丰富，信号带宽也变得越来越大，尤其是在一些高精尖的应用领域，如军事雷达侦测中，携带信息的信号的频率高达几十G甚至上百GHz。此时若仍要遵循奈奎斯特采样定律，以不小于信号最高频率两倍的速率进行采样，则需要的采样速率也十分惊人，这不仅要求高配置的模数转换器(Analog to DigitalConverter,ADC),而且大量的采样数据给后端的存储和处理带来了巨大的压力，逐渐成为信号采集系统设计的瓶颈。
制宽带转换器(Modulated Wideband Converter,MWC)系统是基于压缩感知的一种模拟信息转换架构，能够对未知载频的多频带信进行压缩采样，主要包括对被测信号混频、滤波、低速采样以及算法重构。在结构上，由多组并行调制通道组成，使用周期混频序列进行调制，仅用商业器件解决了高频信号的采样硬件设备庞大昂贵问题，物理结构简单，易于实现，在无线通讯、雷达探测等应用领域中有广泛的应用前景。
但是，MWC的硬件实现是一个复杂的系统工程，由于器件的非理想性、通道响应、时延效应等现实因素会使得结果偏离压缩采样理论，造成信号重构的不理想。压缩采样结构的理论推导是基于理想的电路模型，与真实的物理器件差异较大。例如，物理实现低通滤波器的频率响应不会是标准的矩形，其带内波动、相位响应、带外残留的干扰都会对信号造成失真。另外，对于高速伪随机序列，由于器件的响应时间以及各支路间的时延失配等问题，导致多通道伪随机序列之间的同步与触发问题也是硬件实现平台所必须面对的。
因此设计一个能够实现射频MWC系统频谱估计的系统，并能对硬件中存在的高速伪随机序列的同步和触发问题予以解决，对于验证MWC系统的实际应用具有重要意义。
发明内容
针对现有技术在实现MWC的硬件过程中，由于器件的非理想性、通道响应、时延效应等现实因素会使得结果偏离压缩采样理论，造成信号重构的不理想的问题，本发明提供的技术方案为：
射频MWC信号传输系统，所述系统包括：随机序列装置、ADC模块、功能装置和射频调制通道；
所述随机序列装置用于向所述功能装置发送差分混频信号；
所述功能装置将所述差分混频信号输出为单端混频信号；
所述射频调制通道用于调制所述被测射频MWC信号与所述单端混频信号，并将调制后的信号发送至所述ADC模块；
所述ADC模块将所述调制信号进行模数转化后作为所述系统的输出信号。
进一步，所述功能装置包括：差分转单端模块、时钟模块和电源模块；
所述差分转单端模块用于将所述差分混频信号输出为单端混频信号；
所述时钟模块用于为所述随机序列装置提供稳定参考时钟；
所述电源模块用于为所述频调制通道提供电源。
进一步，所述的差分转单端模块采用平衡-不平衡转换器实现。
进一步，所述的随机序列装置包括：伪随机序列产生模块和ADC采样模块；
所述伪随机序列产生模块用于输出8路差分混频信号；
所述ADC采样模块用于处理所述输出信号，并发送至系统的输出端。
进一步，所述单端混频信号为8路单端混频信号。
进一步，所述射频调制通道包括：功分器、放大器、混频器和低通滤波器；
所述功分器用于将所述被测射频MWC信号分成8路射频信号；
所述放大器用于放大所述8路射频信号；
所述混频器用于将所述8路射频信号分别与所述8路单端混频信号进行混频，得到混频信号；
所述低通滤波器用于将所述混频信号转换后发送至所述ADC模块。
进一步，所述低通滤波器用于将将所述混频信号转换后发送至所述ADC模块的具体方式为：
滤除所述混频信号的高频分量，得到被测信号的频域信息；通过所述领域信息将所述被测信号发送至所述ADC模块。
进一步，所述混频器还用于在将所述8路射频信号分别与所述8路单端混频信号进行混频后，将当前信号的高频信息搬移到低频段。
基于同一发明构思，本发明还提供了基于MWC的射频信号频谱感知系统，所述系统包括：上位机和所述的射频MWC信号传输系统；所述上位机用于为所述随机序列装置发送触发向所述功能装置发送差分混频信号的触发信号，还用于接收所述随机序列装置转化后的输出信号。
基于同一发明构思，本发明还提供了基于MWC的射频信号频谱感知方法，所述方法是基于所述的基于MWC的射频信号频谱感知系统实现的，所述方法包括：
向所述射频调制通道发送被测信号的步骤。
本发明的有益之处在于：
本发明提供的射频MWC信号传输系统，通过随机序列装置、ADC模块、功能装置和射频调制通道的配合，突破奈奎斯特采样频率，对频域稀疏的多频带信号实现频谱感知，解决了现有技术中，由于器件的非理想性、通道响应、时延效应等现实因素会使得结果偏离压缩采样理论，造成信号重构的不理想的技术问题，并能解决硬件中存在的高速伪随机序列的同步和触发问题；
本发明提供的射频MWC信号传输系统，采用将被测信号放大后与伪随机序列混频，再进行频谱搬移，将被测信号的高频信息搬移到低频段，配合低通滤波器，使信号传输过程中的波动减小，通过使用频域补偿法对低通滤波器进行校准，解决了现有技术中存在的低通滤波器的频率响应不会是标准的矩形，其带内波动、相位响应、带外残留的干扰都会对信号造成失真的技术问题；
本发明提供的基于MWC的射频信号频谱感知系统，通过使用移位搜索法对高速伪随机序列进行校准，解决了现有技术中由于通道时延导致的无法确定伪随机序列混频位置的技术问题；
本发明提供的基于MWC的射频信号频谱感知系统，在功能装置中加入时钟模块，系统中各部分功能装置根据时钟模块的时钟信号同步工作，解决了现有技术中通道间不匹配的问题；
本发明提供的射频MWC信号传输系统，在功能装置中加入时钟模块，系统中各部分功能装置根据时钟模块的时钟信号同步工作，解决了现有技术中由于器件的响应时间以及各支路间的时延失配等问题。
本发明提供的基于MWC的射频信号频谱感知系统，突破奈奎斯特采样频率，对频域稀疏的多频带信号实现频谱感知，并能解决硬件中存在的高速伪随机序列的同步和触发问题；
对于射频信号的频谱感知和信号恢复具有较高精度，同时对多种不同类型的频域稀疏的多频带信号进行重构，并能对硬件平台的非理想因素予以校准。
适用于应用在MWC硬件实现中。
附图说明
图1为实施方式八提供的基于MWC的射频信号频谱感知系统的系统框图；
图2为实施方式二提供的功能装置的系统框图；
图3为实施方式三提供的随机序列装置与传输控制模块的系统框；
图4为实施方式五提供的射频调制通道的系统框图；
图5为实施方式十一提到的非理想滤波器频域补偿法结构示意图；
图6-9为实施方式十一提到的频域补偿法校准结果；
图10为实施方式十一提到的对sinc信号的频谱感知结果实验过程中幅值和时间对应关系的示意图；
图11为实施方式十一提到的对sinc信号的频谱感知结果实验过程中幅值和频率对应关系的示意图；
图12为实施方式十一提到的对BPSK信号的频谱感知结果实验过程中幅值和时间对应关系的示意图；
图13为实施方式十一提到的对BPSK信号的频谱感知结果实验过程中幅值和频率对应关系的示意图；
图14为实施方式十一提到的对线性调频信号的频谱感知结果实验过程中幅值和频率对应关系的示意图；
图15为实施方式十一提到的对线性调频信号的频谱感知结果实验过程中幅值和频率对应关系的示意图。
具体实施方式
为使本发明提供的技术方案的优点和有益之处体现得更清楚，现结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步详细地说明，具体的：
实施方式一、本实施方式提供了射频MWC信号传输系统，所述系统包括：随机序列装置、ADC模块、功能装置和射频调制通道；
所述随机序列装置用于向所述功能装置发送差分混频信号；
所述功能装置将所述差分混频信号输出为单端混频信号；
所述射频调制通道用于调制所述被测射频MWC信号与所述单端混频信号，并将调制后的信号发送至所述ADC模块；
所述ADC模块将所述调制信号进行模数转化后作为所述系统的输出信号。
具体的，所述随机序列装置采用Zynq开发板实现，功能装置采用功能板实现；
基于MWC的射频信号频谱感知系统由Zynq开发板、射频调制通道、功能板、ADC等模块组成。其中，射频调制通道有八路并行，符合预设MWC的通道数量要求。射频调制通道包括功分器、混频器、滤波器以及射频放大器；Zynq开发板包括伪随机序列发生器及信号采集两大功能模块；功能板包括差分转单端、时钟电路、电源等功能模块。
首先由上位机控制任意波形发生器产生待测信号，同时Zynq中的伪随机序列发生器模块产生混频信号，经功能板上的差分转单端模块输出。其次，待测信号与混频信号通过射频通道进行调制，将调制信号通过ADC模块进行模数转换。最后将采集到的信号传给上位机进行重构恢复。
实施方式二、结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的射频MWC信号传输系统的进一步限定，所述功能装置包括：差分转单端模块、时钟模块和电源模块；
所述差分转单端模块用于将所述差分混频信号输出为单端混频信号；
所述时钟模块用于为所述随机序列装置提供稳定参考时钟；
所述电源模块用于为所述频调制通道提供电源。
随机序列装置、ADC模块和功能装置均为直接插在电源模块上。
具体的，所述功能装置采用硬件电路实现，所述硬件电路完成高速信号的差分转单端处理和放大，并传送给SMA连接器，以便将处理后的单端信号供给后端混频器使用；如图2所示，所述硬件电路中主要包括3个功能模块：差分转单端模块、时钟模块以及电源模块。其中差分转单端模块可以使用平衡-不平衡转换器将差分信号转换为单端信号。时钟模块是为Zynq的高速收发器提供稳定的参考时钟信号，可以采用由晶振芯片和时钟缓冲器组成的电路实现。电源模块将Zynq的电源通过FMC接口连接到功能板，再连接到射频调制通道为放大器提供工作电源。
实施方式三、结合图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的射频MWC信号传输系统的进一步限定，所述的随机序列装置包括：伪随机序列产生模块和ADC采样模块；
所述伪随机序列产生模块用于输出8路差分混频信号；
所述ADC采样模块用于处理所述输出信号，并发送至系统的输出端。
且随机序列装置还用于在处理所述输出信号后，将处理过的信号发送至外接上位机；
外接上位机即为传输控制模块。
具体的，射频MWC系统主要需要完成高速伪随机序列产生、信号调制以及ADC采样三个主要功能模块，同时还应能与上位机进行数据交互。其中，除了信号调制模块完全由分立式射频器件完成之外，其余模块均需要Zynq开发板进行数字模块设计。Zynq开发板通过两个FMC插槽连接功能板，与接收机其他部分实现信号交互。其主要负责高速伪随机序列产生及接受8路ADC的采样结果两个部分，包含GTH transceiver模块、ADC采样模块、时钟配置模块、触发信号生成模块、传输控制模块，各模块之间的信号交互展示在图4中。
高速伪随机序列生成模块用来产生8路速率为8Gbps的伪随机序列，选择使用Zynq中的高速收发器GTH来实现。一方面，选择GTH接口产生伪随机序列，可以通过对缓冲器的配置实现多通道之间的同步。另一方面，GTH接口支持速率最高为16.3Gbps，满足设计需求。首先将需要发送的伪随机序列储存在BRAM中，GTH接口读取BRAM中的并行数据，并按时钟送入可选的线路编码器，然后经过串行器变为差分传行串行数据输出。
ADC采样模块将滤波后的8路数据进行采集。首先，为满足时序要求，需对采样时钟进行一定量的相移。其次，再经过IDDR模块，将外部双数据速率信号接收，在时钟上下边沿分别进行采样，将8位输入数据转换为16位数据输出。最后，利用FIFO进行跨时钟域数据传输。
传输控制模块将采集到的信号从PL端发送到PS端。首先利用状态机，将8路AD采集数据同时写入8个RAM中，再分别依次读出。其次，在PL端定义一个读写控制模块，控制数据串行写入BRAM中，再利用AXI总线将BRAM中的数据读出，发送给PS端。
PS部实现数据传输与控制。一方面，PS通过AXI总线读取PL的采集数据，存入DDR当中。另一方面，PS通过TCP协议与上位机进行通信，接收上位机的控制指令，并将数据传输给上位机。
实施方式四、本实施方式是对实施方式四提供的射频MWC信号传输系统的进一步限定，所述单端混频信号为8路单端混频信号。
实施方式五、结合图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五提供的射频MWC信号传输系统的进一步限定，所述射频调制通道包括：功分器、放大器、混频器和低通滤波器；
所述功分器用于将所述被测射频MWC信号分成8路射频信号；
所述放大器用于放大所述8路射频信号；
所述混频器用于将所述8路射频信号分别与所述8路单端混频信号进行混频，得到混频信号；
所述低通滤波器用于将所述混频信号转换后输出给所述ADC模块。
ADC模块接收到转换后的混频信号后，将信号转换为信息信号作为输出信号。
具体的，射频调制通道在MWC系统中是对被测信号进行调制的关键。在射频调制通道中，首先将被测信号通过功分器分成8路，再将其与8路伪随机序列经过放大器进行放大。其次，将放大后的被测信号与伪随机序列通过混频器进行混频，实现频谱搬移，将被测信号的高频信息搬移到低频段。最后，通过低通滤波器滤除高频分量，就可以得到被测信号的频域信息，实现模拟信号到信息信号的转换。
实施方式六、本实施方式是对实施方式六提供的射频MWC信号传输系统的进一步限定，所述低通滤波器用于将将所述混频信号转换后发送至所述ADC模块的具体方式为：
滤除所述混频信号的高频分量，得到被测信号的频域信息；通过所述领域信息将所述被测信号发送至所述ADC模块。
实施方式七、本实施方式是对实施方式六提供的射频MWC信号传输系统的进一步限定，所述混频器还用于在将所述8路射频信号分别与所述8路单端混频信号进行混频后，将当前信号的高频信息搬移到低频段。
实施方式八、结合图1说明本实施方式，本实施方式提供了基于MWC的射频信号频谱感知系统，所述系统包括：上位机和实施方式一提供的射频MWC信号传输系统；所述上位机用于为所述随机序列装置发送触发向所述功能装置发送差分混频信号的触发信号，还用于接收所述随机序列装置转化后的输出信号。
实施方式九、本实施方式提供了基于MWC的射频信号频谱感知方法，所述方法是基于实施方式八提供的基于MWC的射频信号频谱感知系统实现的，所述方法包括：
向所述射频调制通道发送被测信号的步骤。
实施方式十、结合图5-9说明本实施方式，本实施方式是对实施方式九提供的基于MWC的射频信号频谱感知系统的非理想因素校准的距离实施方法，具体的：
由于MWC理论是在理想情况下推导的，其中的调制器件以及伪随机序列都假定为理想的，但是当MWC系统硬件实现后会产生很多非理想因素。本节将主要分析低通滤波器以及伪随机序列的非理想因素，并提出相应的解决方案。
1.低通滤波器校准
MWC系统需要将混频结果通过低通滤波器滤除高频分量从而保留低频信息，因此需要低通滤波器需满足以下条件：
其中，L0表示划分的频带个数，H表示低通滤波器系统响应，f表示信号频率，l表示第l个频带，fp表示低通滤波器截止频率。
而实际的滤波器与理想情况相比存在以下缺陷：首先，其过渡带下降缓慢，且通道的衰减存在波动，同时延迟具有非线性。为了使本系统满足理想低通滤波器要求，可以使用频域补偿法对其进行校准。
频域补偿法的基本思想是将采样后的结果进行傅里叶变换，在频域与一个补偿系数相乘，若补偿系数的频域特性与实际低通滤波器的频域特性的乘积为理想的低通滤波器，则信号在滤波及补偿之后相当于通过了一个理想滤波器。该方法的流程如图5所示；
其中，补偿系数的计算公式如下：
其中，f表示信号频率，fs表示采样频率。
图6和7表示滤波器频域系数补偿前后的频域响应，图6中，横坐标为0的两个端点，纵坐标值较小的一条线为滤波器的幅频响应和相频响应另一条线为频域补偿系数/>的幅频响应和相频响应，图7中，位于上面的一条线为频域补偿系数，另一条线为滤波器的幅频响应和相频响应；两者联立后得到的频率响应，幅频响应在通带为1，相频响应完全为0，此时类似于一个理想的低通滤波器。
2.高速伪随机序列校准
结合图8-9，当选择高速收发口作为产生伪随机序列的方案时，由于器件响应的时延，导致无法确定伪随机序列与待测信号混频的码元位置，根据傅里叶变换，伪随机序列如果发生时延，其傅里叶系数会发生改变，随之感知矩阵也就发生了改变，这是硬件实现的压缩感知接收机必须要面临的问题。
想要使一次测量中每次重复实验的感知矩阵是固定的，则需要保证每次实验的数据采集时刻所对应的伪随机序列的码元是固定的。因此本发明在伪随机序列的固定周期起始位置产生触发信号，控制ADC模块采集数据，从而保证采样时刻点对应固定的码元。
在确保每次实验采样窗和伪随机序列之间相对位置固定之后，也就确保了每次实验中与待测信号进行混频的8路伪随机序列是固定的，从而每次试验的感知矩阵也是固定的，关键是通过校准找出每次实验的感知矩阵，也就是在采样时刻点所对应的伪随机序列pi′(t)。
由于器件响应的时延，导致pi′(t)是理想伪随机序列pi(t)移位得到的，所以本发明提出一种移位搜索的方法实现对感知矩阵的校准。实现步骤如下：
(1)输入一个已知的多频带信号x(t)，将其作为校准信号，通过射频MWC系统后得到采样数据；
(2)对伪随机序列pi(t)循环移位，进行信号重构。对比求得的支撑集和已知信号支撑集。直到支撑集相同，此时便找到了实际进行混频的序列pi′(t)；
(3)记录实际序列pi′(t)，修正测量矩阵的值。
通过上述步骤，便可以得到实际的感知矩阵，并可用其对其余信号进行频谱感知。
实施方式十一、结合图10-15说明本实施方式，本实施方式是对实施方式八提供的基于MWC的射频信号频谱感知系统提供几个具体的实验，通过实验结果验证实施方式八提供的基于MWC的射频信号频谱感知系统的优点和有益之处，具体的：
对sinc信号的频谱感知结果，其表达式如下：
其中频带个数N＝4；原始信号各频带的最大带宽B＝20MHz；Ei为每个频带的能量，设置E＝[1 2]；τi为时间偏移量，设置τ＝[1 0.6]μs；fi为每个频带载频位置，设置fi＝[230110]MHz，信号奈奎斯特频率fNYQ＝8GHz，t表示时间。信号重构结果如图10和11所示。
计算得到其时域重构信噪比为SNR＝34.90dB，频域重构均方根误差为RMSE＝0.0023。
对BPSK信号的频谱感知结果，其表达式如下：
其中T为信号生成速率；q(t)为矩形脉冲；fi＝[230 110]MHz，a(n)为基带符号序列，设置a(n)＝[0,0,1,0,1,1,1,0,0,1,0,0,0；0,1,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,0]，θi为初始相位，设置为θi＝[0.4 0.7]。信号重构结果如图12和13所示。
计算得到其时域重构信噪比为SNR＝4.62dB，频域重构均方根误差为RMSE＝0.0039。
对线性调频信号的频谱感知结果，其表达式如下：
其中T为信号生成速率，设置为fi＝[230 110]MHz。信号重构结果如图14和15所示。
计算得到其时域重构信噪比为SNR＝3.92dB，频域重构均方根误差为RMSE＝0.0045。
通过以上三组实验，可以看出本发明对于射频信号的频谱感知和信号恢复具有较高精度，重构信噪比大于15dB，所能处理的信号最高频率为4GHz，单频带带宽最大20MHz，高于其他MWC系统。本系统可以对Sinc信号、BPSK信号以及LFM信号的频域稀疏的多频带信号进行重构，并能对硬件平台的非理想因素予以校准。
以上通过几个具体实施方式对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，是为了突出本发明提供的技术方案的优点和有益之处，并不用于作为对本发明的限制，任何基于本发明的精神和原则范围内的，对本发明的修改和改进、实施方式的组合和等同替换等，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.射频MWC信号传输系统，其特征在于，所述系统包括：随机序列装置、ADC模块、功能装置和射频调制通道；
所述随机序列装置用于向所述功能装置发送差分混频信号；
所述功能装置将所述差分混频信号输出为单端混频信号；
所述射频调制通道用于调制所述被测射频MWC信号与所述单端混频信号，并将调制后的信号发送至所述ADC模块；
所述ADC模块将所述调制信号进行模数转化后作为所述系统的输出信号；
所述的随机序列装置包括：伪随机序列产生模块和ADC采样模块；
所述伪随机序列产生模块用于输出8路差分混频信号；
所述ADC采样模块用于处理所述输出信号，并发送至系统的输出端；所述单端混频信号为8路单端混频信号；
所述射频调制通道包括：功分器、放大器、混频器和低通滤波器；
所述功分器用于将所述被测射频MWC信号分成8路射频信号；
所述放大器用于放大所述8路射频信号；
所述混频器用于将所述8路射频信号分别与所述8路单端混频信号进行混频，得到混频信号；
所述低通滤波器用于将所述混频信号转换后发送至所述ADC模块；所述混频器还用于在将所述8路射频信号分别与所述8路单端混频信号进行混频后，将当前信号的高频信息搬移到低频段。
2.根据权利要求1所述的射频MWC信号传输系统，其特征在于，所述功能装置包括：差分转单端模块、时钟模块和电源模块；
所述差分转单端模块用于将所述差分混频信号输出为单端混频信号；所述时钟模块用于为所述随机序列装置提供稳定参考时钟；
所述电源模块用于为所述频调制通道提供电源。
3.根据权利要求2所述的射频MWC信号传输系统，其特征在于，所述的差分转单端模块采用平衡-不平衡转换器实现。
4.根据权利要求1所述的射频MWC信号传输系统，其特征在于，所述低通滤波器用于将将所述混频信号转换后发送至所述ADC模块的具体方式为：
滤除所述混频信号的高频分量，得到被测信号的频域信息；通过所述频域信息将所述被测信号发送至所述ADC模块。
5.基于MWC的射频信号频谱感知系统，其特征在于，所述系统包括：上位机和权利要求1所述的射频MWC信号传输系统；所述上位机用于为所述随机序列装置发送触发向所述功能装置发送差分混频信号的触发信号，还用于接收所述随机序列装置转化后的输出信号。
6.基于MWC的射频信号频谱感知方法，其特征在于，所述方法是基于权利要求1所述的基于MWC的射频信号频谱感知系统实现的，所述方法包括：
向所述射频调制通道发送被测信号的步骤。
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