一種超寬帶信號的快速混合採樣方法
2024-02-13 21:36:15 2
一種超寬帶信號的快速混合採樣方法
【專利摘要】本發明公開了一種超寬帶信號的快速混合採樣方法，該方法包括：對周期性超寬帶信號的實時採樣頻率進行設定，使得實時採樣頻率與超寬帶信號的重複頻率形成一個非整數倍的頻率差；用實時採樣頻率對周期性超寬帶信號的多個重複周期進行採樣；對採集到的採樣點進行重新排序，獲得按照預定採樣率進行採樣的採樣序列。本發明的採樣方法解決了現有等效採樣方法存在的採樣效率低下、需要專用延時電路以及延時不準確等問題，在不需要專用延時電路的情況下，提高了採樣效率，減少了採樣誤差，同時減小了硬體系統設計的複雜度，便於系統調試。
【專利說明】一種超寬帶信號的快速混合採樣方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及超寬帶微波探測【技術領域】，尤其是一種超寬帶信號的快速混合採樣方法。
【背景技術】
[0002]超寬帶信號由於其高解析度在微波探測【技術領域】廣泛應用，在這些系統中信號帶寬往往達到IGHz甚至數GHz，對超寬帶信號的採樣越來越成為超寬帶系統需要解決的關鍵問題之一。根據奈奎斯特採樣定理，採樣頻率至少大於被採樣信號帶寬的兩倍，因此對於信號帶寬為IGHz甚至數GHz的超寬帶信號，需要的採樣頻率將高達數GHz甚至幾十GHz。如此高採樣率的採樣晶片價格非常昂貴，甚至無法獲得。
[0003]目前，一般採用等效採樣的方法來解決這個問題，等效採樣是一種變換採樣，其利用待採樣信號的周期性或者準周期性的特點，在待採樣信號出現的每一個單周期內僅進行一次採樣，經過信號的多個重複周期後，就能夠獲得重建信號一個周期內波形的所有樣本。其具體過程是:信號是周期的或準周期的，在單個周期內，僅獲取一個取樣，相鄰的兩個周期內取樣相對時刻增加一個等值的步進，最後一個周期取樣後，累積步進歸零開始下一輪信號採樣。等效取樣系統相對於實時取樣系統，需要增加精確的小步進的延時電路。
[0004]目前的等效採樣方法在應用中存在以下問題:
[0005]1、採樣效率低下。因為每個信號周期只進行一次採樣，要得到一個信號周期完整的採樣數據需要經過多個重複周期的採樣後才能獲得，採樣效率低下甚至於無法滿足工程應用，尤其對於編碼體制的超寬帶雷達，碼長越長，採樣點數越多，完成一個信號周期完整的採樣數據的時間就越長。
[0006]2、需要增加小步進的延時電路。目前的等效採樣方法需要對採樣時鐘不斷延時以實現不同的信號周期採集到不同的採樣點，因此必須增加延時電路。
[0007]3、延時不準確。延時電路延時的準確度和精度是保證信號採樣質量的一個重要因素，目前常用的延時電路採用專用延時晶片來實現，存在延時晶片延時精度不夠以及不同延時晶片的延時單元量有偏差，這將導致延時不準確，採樣誤差加大，影響信號的採樣質量，進而影響超寬帶系統的測量精度。
[0008]針對上述問題，本發明提出了一種快速混合採樣方法，在解決高速採樣晶片價格昂貴甚至難以獲取的問題的同時，解決了現有等效採樣方法存在的問題，在不增加專用延時電路的基礎上提高了採樣效率，減小了採樣誤差，同時減小了系統設計的複雜度。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是克服現有技術存在的問題，提出一種超寬帶信號的快速混合採樣方法，在不需要專用延時電路的同時，提高了採樣效率，減小了超寬帶信號的採集誤差。該方法的採用不僅可降低硬體系統研製的複雜度，提高系統的穩定度，同時使得超長編碼體制超寬帶雷達的實現成為可能。[0010]為達到上述目的，本發明提出一種超寬帶信號的快速混合採樣方法，該方法包括以下步驟:
[0011]步驟I,確定預定的採樣頻率fs ；
[0012]步驟2，根據超寬帶信號的重複周期T和預定的採樣頻率fs，確定按照預定採樣頻率fs採樣時，一個周期內採集的採樣點數N ；
[0013]步驟3，確定降採樣率M，其中，M < N，且M與N的最大公約數為I ;
[0014]步驟4，根據預定採樣頻率fs和降採樣率M，確定實時採樣頻率fr ；
[0015]步驟5，使用所述步驟4確定的實時採樣頻率fr對周期性超寬帶信號的M個重複周期進行採樣，完成一個周期的數據採集；
[0016]步驟6，對採集到的一個周期的N個採樣點按照採樣的先後順序以腳標的形式標明其序號，其中，腳標為{1，M+1，2M+1，...(N-1)M+1}，採樣序列可表示為{a1; aM+1，
a2M+l...a (N-1) M+J ;
[0017]步驟7，對所述步驟6中完成序號標註的N個採樣點的腳標，進行對N求模，使得腳標的範圍為I?N,所述採樣序列表示為{a1; aM+1,...aN_M+1}；
[0018]步驟8，按照所述步驟7中採樣點腳標從小到大的順序對所述N個採樣點重新進行排列，得到所需要的按照預定採樣頻率fs採樣後的採樣序列{a1; a2，a3...aN}。
[0019]本發明的有益效果是:通過算法設計，使實時採樣頻率與超寬帶信號的重複頻率之間形成一個非整數倍數的頻率差，從而達到一種延時效果，實現了混合採樣，降低了採樣率，減少了高速採樣晶片的使用，同時減少了延時電路的使用，在提高採樣效率和採樣精度的同時簡化了電路設計。可通過保證基準時鐘的穩定度來提高採樣精度，在實現方法上更加便利。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明超寬帶信號快速混合採樣方法的流程圖。
[0021]圖2是對周期等於10的信號，採用本發明方法實現降採樣率為3的採樣流程。
【具體實施方式】
[0022]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0023]在對本發明進行進一步地介紹之前，首先作如下設定:
[0024]信號S是一個周期m序列編碼信號，碼長為511，帶寬為B = L 6GHz，中心頻率為
1.6GHz，重複周期 T = 638.75ns。
[0025]圖1是本發明周期性超寬帶信號快速混合採樣方法的流程圖，結合具體實施例，所述方法包括以下步驟:
[0026]步驟I,確定預定的採樣頻率fs ；
[0027]圖1 (a)所示為重複周期為T，重複頻率f = I/T，帶寬為B的超寬帶信號；根據奈奎斯特採樣定理，要求採樣頻率fs至少大於被採樣信號帶寬的兩倍，在該實施例中，即要求fs > 3.2GHz，在該步驟中，預定採樣頻率選取為fs = 6.4GHz ；
[0028]步驟2，根據超寬帶信號的重複周期T和預定的採樣頻率fs，確定按照預定採樣頻率fs採樣時，一個周期內採集的採樣點數N ；
[0029]該步驟中，一個周期內應該採集的採樣點數N為:N = TXfs = 638.75X6.4 =4088，如圖1(b)所示；
[0030]步驟3，根據系統的要求確定降採樣率M，其中，M < N，且M與N的最大公約數為1，在該步驟中，選取M = 25 ；
[0031]步驟4,根據預定採樣頻率fs和降採樣率M,確定實時採樣頻率fr,其中，fr = fs/M = 6.4GHz/25 = 256MHz ；
[0032]該步驟中，若計算得出的fr在工程上難以實現，則返回到所述步驟1，對預定採樣頻率fs的數值進行微調。
[0033]所述實時採樣頻率fr與信號重複頻率f是非整數倍數關係，從而使得以實時採樣頻率fr對信號進行採樣時，每經過一個周期就會產生一個時間差值，該差值是實時採樣頻率fr經過M個信號周期以後能夠採集到按照預定採樣率fs採樣的所有N點的保證。
[0034]步驟5，使用所述步驟4確定的實時採樣頻率fr對周期性超寬帶信號的M個重複周期進行採樣，完成一個周期的數據採集；
[0035]採樣時，使用所述實時採樣頻率fr = 256MHz對周期性超寬帶信號進行採樣保持和模數轉換ADC，經過M次採樣，獲取N = 4088個採樣點後即完成一個周期的數據採集，採樣時間為MXT，採樣點數為N，如圖1(c)所示；
[0036]所述實時採樣頻率fr與所述超寬帶信號的重複頻率f為同一個基準信號源產生，並且具有很高的時鐘穩定度，以保證延時的準確度和精度。
[0037]步驟6，對採集到的一個周期的N個採樣點按照採樣的先後順序以腳標的形式標明其序號，其中，腳標為{1，M+1，2M+1，...(N-1)M+1}，採樣序列可表示為{a1; aM+1，a2M+1...a(N_1)M+1}，在一實施例中，N = 4088，M = 25，則腳標為{1，26，41，...102176}；
[0038]步驟7，對所述步驟6中完成序號標註的N個採樣點的腳標，進行對N求模，使得腳標的範圍為I?N,這樣採樣序列就可表示為...aN_M+1},在一實施例中，N = 4088,M = 25，則米樣序列為 Ia1, a26, a41，...a4(l64}；
[0039]步驟8，按照所述步驟7中採樣點腳標從小到大的順序對所述N個採樣點重新進行排列，即可以得到所需要的按照預定採樣頻率fs = 6.4GHz採樣後的採樣序列{a1; a2，a3...aN},如圖1 (d)所示,在一實施例中,N = 4088,則所述採樣序列為..a4088}。
[0040]為了更容易理解本發明所提出的快速混合採樣方法的採樣過程，下面結合圖2，對N=IO的周期信號，當降採樣率M = 3時，採用本發明的快速混合採樣方法進行採樣的流程進行說明。圖2(a)所示為一周期信號按照預定的採樣頻率fs採樣後形成的採樣序列，降採樣率μ = 3，圖中箭頭處為按照實時採樣率fr進行採樣的採樣點，即將預定的採樣率fs降低了 3倍，從圖2(a)中可以看出，該周期信號按照預定的採樣頻率fs採樣後一個周期內的採樣點數N = 10 ;圖2(b)為按照本發明提出的快速混合採樣方法採樣後得到的採樣序列；圖2((:)為對圖2(b)的採樣序列進行重新排列後的採樣序列，從圖2(c)中可以看出，經過對周期信號3個重複周期的採樣，本發明達到了該信號按照預定採樣率fs進行採樣的結果O
[0041]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種周期性超寬帶信號的快速混合採樣方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟: 步驟I，確定預定的採樣頻率fs ； 步驟2，根據超寬帶信號的重複周期T和預定的採樣頻率fs，確定按照預定採樣頻率f s採樣時，一個周期內採集的採樣點數N ； 步驟3，確定降採樣率M，其中，M < N，且M與N的最大公約數為I ; 步驟4，根據預定採樣頻率fs和降採樣率M，確定實時採樣頻率fr ； 步驟5，使用所述步驟4確定的實時採樣頻率fr對周期性超寬帶信號的M個重複周期進行採樣，完成一個周期的數據採集； 步驟6，對採集到的一個周期的N個採樣點按照採樣的先後順序以腳標的形式標明其序號，其中，腳標為U，M+l, 2M+1,…(N_1)M+1},米樣序列可表不為{a^ aM+1, a2M+1...a(N_DM+J ; 步驟7，對所述步驟6中完成序號標註的N個採樣點的腳標，進行對N求模，使得腳標的範圍為I~N,所述採樣序列表示為{a1; aM+1,...aN_M+1}； 步驟8，按照所述步驟7中採樣點腳標從小到大的順序對所述N個採樣點重新進行排列，得到所需要的按照預定採樣頻率fs採樣後的採樣序列{a1; a2，a3...aN}。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述預定的採樣頻率fs至少大於被採樣信號帶寬的兩倍。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，採樣點數N為:N= TX fs。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述實時採樣頻率fr為:fr= fs/M。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述實時採樣頻率fr與所述超寬帶信號的重複頻率f是非整數倍數關係。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，若計算得出的所述實時採樣頻率fr在工程上難以實現，則返回至所述步驟1，對所述預定的採樣頻率fs的數值進行微調。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟5中，採樣時，使用所述實時採樣頻率fr對周期性超寬帶信號進行採樣保持和模數轉換。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述實時採樣頻率fr與所述超寬帶信號的重複頻率f為同一個基準信號源產生，並且具有很高的時鐘穩定度。
【文檔編號】H03M1/12GK103634006SQ201310154204
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年4月28日 優先權日:2013年4月28日
【發明者】張群英, 王偉, 方廣有 申請人:中國科學院電子學研究所