一種射頻信號採集回放方法和裝置與流程
2023-12-11 01:54:42 1
本發明涉及射頻技術領域，尤其涉及一種射頻信號採集回放方法和裝置。
背景技術：
隨著導航系統的建成以及定位導航技術的快速發展，人們對定位導航設備的定位精度和定位可用性的要求越來越高。為了滿足科研和測試需要，導航信號模擬器應運而生。導航信號模擬器在一定程度上解決了導航相關技術開發問題以及導航設備出產測試中的一些實際問題。
但是，應用導航模擬器時會產生仿真信號，與實際信號之間存在相當大的區別。例如，在導航設備的跑車試驗中，實際路況可能相當複雜，導航模擬器不可能做出類似的場景。因此，在進行抗多徑以及抗幹擾技術攻關時，難以使用導航模擬器構造出十分真實的多徑環境和壓制幹擾環境。
鑑於上述情況，目前比較準確的做法是，將實際的導航衛星信號記錄下來，在需要時進行回放處理。但是，市面上的導航衛星信號回放設備大部分為數字中頻回放，僅適用於專業研發人員在實驗室內進行導航衛星中頻數位訊號的捕獲、跟蹤的研究，而現有的射頻回放設備體積大、功耗高、形態固定不利於擴展，難以滿足人們在通用場合對射頻信號回放處理的要求。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明實施例的目的在於提供一種射頻信號採集回放方法和裝置，通過對射頻信號進行一系列變換，提高了定位導航設備測試及研發環境使用的真實性和便利性。
第一方面，本發明實施例提供了一種射頻信號採集回放方法，包括：接收天線接收導航衛星發射的射頻信號；
第一信道處理設備對射頻信號進行處理，得到第一模擬中頻信號；
模數轉換設備對第一模擬中頻信號進行AD變換，得到中頻數位訊號；
FPGA採集中頻數位訊號，並將其在存儲器中進行存儲；當需要回放時，FPGA從存儲器中讀出中頻數位訊號，並進行DA變換，得到第二模擬中頻信號；
第二信道處理設備對第二模擬中頻信號進行處理後得到輸出信號。
結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第一種可能的實施方式，其中，第一信道處理設備對射頻信號進行處理，得到第一模擬中頻信號包括以下步驟：
第一功分器對射頻信號進行二功分，得到第一路射頻信號和第二路射頻信號，對第一路射頻信號進行四功分得到多路射頻信號；
聲表濾波器對第一路和多路射頻信號進行聲表濾波；
下變頻處理器將聲表濾波後的第一路和多路射頻信號均下變頻至中頻，得到第一路和多路中頻信號；
合路器將第一路和多路中頻信號進行合路，得到第一合路中頻信號，並將第一合路中頻信號通過中頻帶通濾波器，得到第一模擬中頻信號。
結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第二種可能的實施方式，其中，第二數據處理設備對第二模擬中頻信號進行處理後得到輸出信號包括以下步驟：
第二功分器對第二模擬中頻信號進行功分處理，得到多路模擬中頻信號；
上變頻處理器根據本振對多路模擬中頻信號進行上變頻處理，得到多路上變頻信號；
帶通濾波器，對多路上變頻信號進行帶通濾波，並將濾波後的多路上變頻信號進行合路，得到第二合路上變頻信號；
第三功分器對第二合路上變頻信號進行二功分，得到第一路上變頻信號和第二路上變頻信號，第一路上變頻信號直接輸出。
結合第一方面的第二種可能的實施方式，本發明實施例提供了第一方面的第三種可能的實施方式，其中，第二信道處理設備對第二模擬中頻信號進行處理後得到輸出信號還包括以下步驟：
第二路上變頻信號發送給參考接收機，以進行測試。
結合第一方面的第三種可能的實施方式，本發明實施例提供了第一方面的第四種可能的實施方式，其中，方法還包括：
通過陣列接收天線接收導航衛星發射的射頻信號時，引入同一個外部時鐘，將陣列接收天線的射頻信號進行同步採集回放。
第二方面，本發明實施例提供了一種射頻信號採集回放裝置，包括：射頻信號接收模塊，用於接收導航衛星發射的射頻信號；
第一信道處理模塊，用於對射頻信號進行處理，得到第一模擬中頻信號；
模數轉換模塊，用於對第一模擬中頻信號進行AD變換，得到中頻數位訊號；
FPGA處理模塊，用於採集中頻數位訊號，並將其在存儲器中進行存儲；當需要回放時，FPGA從存儲器中讀出中頻數位訊號，並進行DA變換，得到第二模擬中頻信號；
第二信道處理模塊，用於對第二模擬中頻信號進行處理後得到輸出信號。
結合第二方面，本發明實施例提供了第二方面的第一種可能的實施方式，其中，第一信道處理模塊包括：
第一功分處理單元，用於對射頻信號進行二功分，得到第一路射頻信號和第二路射頻信號，對第一路射頻信號進行四功分得到多路射頻信號；
濾波單元，用於對第一路和多路射頻信號進行聲表濾波；
下變頻處理單元，用於將濾波後的第一路和多路射頻信號均下變頻至中頻，得到第一路和多路中頻信號；
合路處理單元，用於將第一路和多路中頻信號進行合路，得到第一合路中頻信號，並將第一合路中頻信號通過中頻帶通濾波器，得到第一模擬中頻信號。
結合第二方面，本發明實施例提供了第二方面的第二種可能的實施方式，其中，第二數據處理模塊包括：
第二功分處理單元，用於對第二模擬中頻信號進行功分處理，得到多路模擬中頻信號；
上變頻處理單元，用於根據本振對多路模擬中頻信號進行上變頻處理，得到多路上變頻信號；
帶通濾波單元，用於對多路上變頻信號進行帶通濾波，並將濾波後的多路上變頻信號進行合路，得到第二合路上變頻信號；
第三功分處理單元，用於對第二合路上變頻信號進行二功分，得到第一路上變頻信號和第二路上變頻信號，第一路上變頻信號直接輸出。
結合第二方面的第二種可能的實施方式，本發明實施例提供了第二方面的第三種可能的實施方式，其中，第二信道處理模塊還包括：
測試模塊，用於將第二路上變頻信號發送給參考接收機，以進行測試。
結合第二方面的第三種可能的實施方式，本發明實施例提供了第二方面的第四種可能的實施方式，其中，還包括：
同步時鐘模塊，用於在通過陣列接收天線接收導航衛星發射的射頻信號時，引入同一個外部時鐘，將陣列接收天線的射頻信號進行同步採集回放。
本發明實施例提供的一種射頻信號採集回放方法和裝置，其中該方法包括：接收天線接收導航衛星發射的射頻信號，第一信道處理設備對射頻信號進行處理，得到第一模擬中頻信號，模數轉換設備對第一模擬中頻信號進行AD變換，得到中頻數位訊號，FPGA採集中頻數位訊號，並將其在存儲器中進行存儲，當需要回放時，FPGA從存儲器中讀出中頻數位訊號，並進行DA變換，得到第二模擬中頻信號，第二信道處理設備對第二模擬中頻信號進行處理後得到輸出信號。通過上述對射頻信號進行的變換，提高了定位導航設備測試及研發環境的真實性和便利性。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。
圖1示出了本發明實施例所提供的一種射頻信號採集回放方法的流程圖；
圖2示出了本發明實施例所提供的一種射頻信號採集回放裝置的結構框架圖；
圖3示出了本發明實施例所提供的一種射頻信號採集回放裝置的實現框圖；
圖4示出了本發明實施例所提供的一種射頻信號採集回放裝置的時鐘和功分部分的功能框圖；
圖5示出了本發明實施例所提供的一種射頻信號採集回放裝置的濾波部分的功能框圖；
圖6示出了本發明實施例所提供的一種射頻信號採集回放裝置的下變頻部分的功能框圖；
圖7示出了本發明實施例所提供的一種射頻信號採集回放裝置的第一合路中頻信號合路和濾波部分的功能框圖；
圖8示出了本發明實施例所提供的一種射頻信號採集回放裝置的中頻數位訊號採集和回放以及DA變換部分的功能框圖；
圖9示出了本發明實施例所提供的一種射頻信號採集回放裝置的功分、上變頻和上變頻後濾波及合路部分的功能框圖；
圖10示出了本發明實施例所提供的一種射頻信號採集回放裝置的第二合路部分的功能框圖；
圖11示出了4臺採集回放裝置同步採集陣列接收天線接收的射頻信號的功能框圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
在本發明的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明的簡化描述，而不是指示或暗示所指的設備或組件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。其中，術語「第一位置」和「第二位置」為兩個不同的位置。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個組件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
當前的四大衛星導航系統所包含的頻點、帶寬及調製方式如表1所示。
表1衛星導航系統信號體制
如表1所示，衛星導航系統的信號體制多樣，並且，不同衛星導航系統的頻點、頻率等特徵也不相同。因此，在實際應用中，導航信號模擬器很難使用仿真信號模擬出實際的場景。為此，本發明提供了一種射頻信號採集回放的方法和裝置，如圖1和圖2所示，以採集回放多模多頻導航衛星信號，並能推廣至AM、FM、廣播電視、衛星通信等信號的採集和回放應用，通過對射頻信號的變換和處理，來提高導航設備的定位精度。
實施例一
如圖3描述了接收天線接收的衛星信號經過第一功分器功分成5路，然後經過相應的聲表濾波器，進行聲表濾波，並進行下變頻變到中頻，得到第一路和多路中頻信號，合路器將第一路和多路中頻信號進行合路，得到第一合路中頻信號，並將第一合路中頻信號通過中頻帶通濾波器，得到第一模擬中頻信號。
對第一模擬中頻信號進行AD採樣和二進位碼流存放處理。回放時經FPGA從存儲器件中讀取二進位碼流進行DA變換，得到第二模擬中頻信號，第二功分器對第二模擬中頻信號進行功分處理，得到多路模擬中頻信號，上變頻處理器根據本振對多路模擬中頻信號進行上變頻處理，得到多路上變頻信號，帶通濾波器對多路上變頻信號進行帶通濾波，並將帶通濾波後的多路上變頻信號進行合路，得到第二合路上變頻信號，第三功分器對第二合路上變頻信號進行二功分，得到第一路上變頻信號和第二路上變頻信號，第一路上變頻信號直接輸出，第二路上變頻信號發送給參考接收機，以進行測試。
如圖4中描述的，同軸頭J1連接全頻點導航衛星信號接收天線，接收到信號後經一分二功分器S1後功分成兩路，其中一路再經一分四功分器功分成4路。至此，由接收天線接收的信號共分成5路。整個裝置默認使用內部10M參考時鐘，同軸頭J2可連接外部參考時鐘輸入，當多臺採集回放裝置需同步使用時，使用外部參考時鐘來同步各臺裝置。後級各器件參考時鐘為10M參考鍾經時鐘驅動後的輸出。
如圖5中描述的，二功分S1的輸出經濾波器F1濾波後的輸出F1_out為B3頻點的導航信號。四功分S2功分後分別輸出至四個濾波器，經濾波器F2濾波後的輸出F2_out為B1和L1頻點的導航信號，經濾波器F3濾波後的輸出F3_out為GALILEO E1頻點的導航信號，經濾波器F4濾波後的輸出F4_out為BD2B2頻點和GALILEO E5a頻點的導航信號，經濾波器F5濾波後的輸出F5_out為GLONASS R1頻點的導航信號。各聲表濾波器典型參數見表2。
表2聲表濾波器典型參數
如圖6中描述的，5路濾波後的信號經下變頻後統一變到相同的中頻，本實施例中，中頻設置為40M。具體實施如下所示：
第一路，濾波後的F1_out為B3頻點信號，頻率為1268.52MHz，本振為1268.52-40＝1228.52MHz，FPGA通過Spi_1配置ADI的帶VCO的頻率合成器ADF4360-5產生本振LO_1，F1_out和LO_1經過混頻器m1混頻後產生中心頻率為40MHz，帶寬為20.46MHz的中頻輸出信號m1_out。
第二路，濾波後的F2_out為BD2B1頻點和GPS L1頻點信號，中心頻率為1568MHz，本振為1568-40＝1528MHz，FPGA通過Spi_2配置ADI的帶VCO的頻率合成器ADF4360-4產生本振LO_2，F2_out和LO_2經過混頻器m2混頻後產生中心頻率為40MHz，帶寬為18.322MHz的中頻輸出信號m2_out。
第三路，濾波後的F3_out為GALILEO E1頻點信號，中心頻率為1575MHz，本振為1575-40＝1535MHz，FPGA通過Spi_3配置ADI的帶VCO的頻率合成器ADF4360-4產生本振LO_3，F3_out和LO_3經過混頻器m3混頻後產生中心頻率為40MHz，帶寬為20MHz的中頻輸出信號m3_out。
第四路，濾波後的F4_out為BD2B2頻點和GALILEO E5b頻點信號，中心頻率為1207MHz，本振為1207-40＝1167MHz，FPGA通過Spi_4配置ADI的帶VCO的頻率合成器ADF4360-4產生本振LO_4，F4_out和LO_4經過混頻器m4混頻後產生中心頻率為40MHz，帶寬為20MHz的中頻輸出信號m4_out。
第五路，濾波後的F5_out為GLONASS R1頻點信號，中心頻率為1602MHz，本振為1602-40＝1562MHz，FPGA通過Spi_5配置ADI的帶VCO的頻率合成器ADF4360-4產生本振LO_5，F5_out和LO_5經過混頻器m5混頻後產生中心頻率為40MHz，帶寬為18MHz的中頻輸出信號m5_out。
如圖7中描述的，5路混頻後的輸出m1_out、m2_out、m3_out、m4_out和m5_out在中頻進行合路，合路後的信號c1的中心頻率為40MHz，帶寬為混頻後各路信號的最大帶寬20.46MHz。使用中心頻率為40MHz，帶寬為25MHz的中頻濾波器F6對合路後的信號c1進行濾波，濾波輸出為F6_out。
如圖8中描述的，前級濾波後輸出的模擬中頻信號F6_out，經過AD變換後變成中頻數位訊號D1，FPGA在進行信號採集時先鎖存AD變換後的數位訊號D1，接著進行並串轉換，然後在收到採集指令後根據自定義幀結構往固態硬碟或flash陣列等存儲介質中存二進位數據流。當收到回放指令時，FPGA從固態硬碟或flash陣列等存儲介質中以自定義幀結構讀取二進位數據流，接著進行串並轉換，然後進行DA變換變換至模擬中頻。
如圖9中描述的，模擬中頻功分後的各路信號分別與對應的下變頻時的本振進行混頻，獲得上變頻後的射頻信號，然後經過相應的濾波處理。其具體實施如下所示：
第一路，功分器S3的輸出S3_out與本振LO_1混頻，上變頻後的信號m6_out經過聲表濾波器F7後輸出的信號F7_out的頻率為40+1228.52＝1268.52MHz，帶寬為20MHz，對應BD2B3頻點的信號。
第二路，功分器S3的輸出S3_out與本振LO_2混頻，上變頻後的信號m7_out經過聲表濾波器F8後輸出的信號F8_out的頻率為40+1528＝1568MHz，帶寬為18.322MHz，涵蓋了BD B1頻點和GPS L1頻點的信號。
第三路，功分器S3的輸出S3_out與本振LO_3混頻，上變頻後的信號m8_out經過聲表濾波器F9後輸出的信號F9_out的頻率為40+1535＝1575MHz，帶寬為20MHz，基本涵蓋了GALILEO E1頻點信號的主瓣。
第四路，功分器S3的輸出S3_out與本振LO_4混頻，上變頻後的信號m9_out經過聲表濾波器F10後輸出的信號F10_out的頻率為40+1167＝1207MHz，帶寬為20MHz，涵蓋了GALILEO E5b頻點和BD2 B2頻點的信號。
第五路，功分器S3的輸出S3_out與本振LO_5混頻，上變頻後的信號m10_out經過聲表濾波器F11後輸出的信號F11_out的頻率為40+1562＝1602MHz，帶寬為18MHz，涵蓋了GLONASS R1頻點的信號。
如圖10中描述的，上變頻並濾波後的信號F7_out、F8_out、F9_out、F10_out和F11_out進行合路處理生成合路後的信號RF_OUT_1，然後經過二功分S4，其中一路信號RF_OUT直接作為最終回放的射頻信號，另一路輸出至該發明裝置的內置參考接收機UBLOX LEA-6S，用於閉環驗證採集回放裝置的功能和性能。
本實施例提供的一種射頻信號採集回放方法和裝置，該實施例的技術效果是：當接收天線接收導航衛星發射的射頻信號後，對射頻信號進行處理，以及AD變換，得到中頻數位訊號，FPGA採集中頻數位訊號，並將其在存儲器中進行存儲；當需要回放時，FPGA從存儲器中讀出中頻數位訊號，並進行DA變換，最後得到第二模擬中頻信號進行處理後得到輸出信號。通過以上變換，提高了定位導航設備的定位精度。並且，可擴展性強，本振頻率可配置，需更改應用需求時只要更換濾波器就能便捷的實現，相較目前的方案，實現成本低、功耗低、體積小。中頻配置至同一頻率和帶寬，合路存儲，能大幅節省存儲空間，顯著提升裝置的信號存儲時長，內置參考接收機，能閉環測試整個裝置的功能和性能。
實施例二
在多射頻源採集和回放的場合需要多臺裝置同步採集和回放，本實施例中使用外部時鐘源作為整個裝置的參考時鐘。如圖11中描述的，為4臺採集回放裝置同步採集四陣元抗幹擾接收天線接收的導航衛星信號，可以用於抗幹擾算法研究和抗幹擾設備的測試，需要注意的是，本技術領域的研發人員在進行多射頻源採集回放時，需根據實際輸入射頻信號的功率電平對整個鏈路的增益進行相應的調整。
本實施例提供的一種射頻信號採集回放方法和裝置，該實施例的技術效果是：幹擾環境下使用多臺該裝置，並使用該裝置的外部時鐘輸入口輸入時鐘保證多臺裝置同源，可實現幹擾環境下的多陣元信號同步採集回放，應用於陣列抗幹擾產品的研發和性能檢測。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。