一种基于chirp变换架构及快速数字脉压算法的频谱分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于chirp变换架构及快速数字脉压算法的频谱分析方法，产生的已知参数Chirp信号作为本振信号与被测信号混频，得到经被测信号调制的线性调频信号——调制chirp信号，然后输入带通滤波得到中频chirp信号输出，对中频chirp信号进行A/D变换，输出数字信号。数字信号由一系列初始频率、终止频率以及chirp率相同但初始时刻不同的中频chirp信号组成，各chirp信号分量的初始时刻与被测信号所含频率相对应，计算满足中频chirp信号其二次相位特性的线性相位离散采样点时间分布函数，按照时间分布函数对中频chirp信号进行抽取，得到两组线性相位正交采样点，进行叠加计算便可获得信号频谱信息。发明专利技术将硬件电路信号处理系统与软件算法有机结合，实现了快速、高分辨率的频谱分析测量。高分辨率的频谱分析测量。高分辨率的频谱分析测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于chirp变换架构及快速数字脉压算法的频谱分析方法
[0001]技术邻域
[0002]本专利技术属于信号处理
，更为具体地讲，涉及一种基于线性调频变换频谱分析仪(chirp transform spectrometer
‑
CTS)架构的快速数字脉压算法的频谱分析方法。

技术介绍

[0003]频谱分析仪作为信号频谱检测的主要仪器，其原理有多种。最早出现的是经典外差扫频频谱分析仪，系统具有一定的扫频时间，在测量宽带信号时扫描时间比较长，不能做到实时频谱分析。随着高速ADC的出现、芯片计算能力的提升以及高速总线技术的发展，基于数字信号处理技术的傅里叶变换频谱仪得到了发展。傅里叶变换频谱仪主要基于FFT(Fast Fourier Transfer)算法，即被测信号模数转换后经FFT算法求得其频谱特性。傅里叶变换频谱仪可实现宽带、高分辨率信号实时分析，同时其过程为全数字化处理，易于远程控制和频谱重构，系统集成度较高。但是FFT架构也存在一些不足，其热功耗较大，分辨率的提升会导致FFT运算量大幅增加。
[0004]近年来，基于雷达脉冲压缩技术的线性调频变换频谱分析仪(CTS)在航天及深空探测领域应用广泛。CTS的基本原理是将被测信号与已知特性的线性调频信号
‑
chirp信号混频，混频输出的中频信号经过带通滤波形成一特定chirp率、固定频带的中频chirp信号，利用声表面波滤波器对该中频chirp信号进行脉冲压缩，根据输出脉压信号的时域分布及包络信息即可获得被测信号的频谱信息。该方法能实现宽带高分辨率实时频谱分析，且具有体积小、质量轻、功耗低等优点。但基于声表面波滤波器的物理脉冲压缩方式存在衰减大和非理想色散特性等问题，影响系统频谱分辨率与测量动态范围。此外，声表面波滤波器的带宽有限，在处理宽带信号时往往需要多路结构并行处理。
[0005]本专利技术利用数字脉冲压缩技术替代表面波滤波器，解决CTS频谱分析技术中存在的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决CTS系统中声表面波滤波器工作带宽限制、信号衰减严重以及自身的非理想色散特性等问题，提供一种基于数字脉冲压缩技术的实时频谱分析方法。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术设计了一种快速数字脉冲压缩算法，既能实现中频chirp信号的快速脉冲压缩，又解决了声表面波滤波器的衰减及非理想色散等问题，具体包括以下步骤：
[0008](1)、被测信号频谱调制
[0009]设输入信号含有m个频谱分量，其时域数学模型如下：
[0010][0011]其中，a
i
、f
i
和分别表示第i个频谱分量的幅度、频率以及初相；
[0012]chirp信号s
ec
(t)为一线性调频信号，可表示为：
[0013][0014]下标“ec”表示chirp信号，a
ec
、f
ec0
和分别表示chirp信号的幅度、初始频率以及初始相位，k表示chirp信号的chirp率，T0表示一个周期持续时长，chirp信号的带宽可为B＝kT0；
[0015]输入信号与chirp信号混频得到调制chirp信号：
[0016][0017]下标“mc”表示调制chirp，l
m
表示混频器的混频系数，在后续的推导中l
m
取理想值1；
[0018]当输入信号和chirp信号满足混频器线性工作范围时，混频器中频端输出的调制chirp信号的幅度与射频端输入信号的幅度呈线性关系；调制chirp信号通过低通滤波器后输出差频信号为：
[0019][0020]下标“mcdf”表示调制chirp信号中的差频分量；
[0021](2)、调制chirp信号带通滤波
[0022]由式(4)知，调制chirp信号的初始及终止频率随被测信号频率变化而变化；将调制chirp信号输入中频滤波器，得到初始、终止频率相同而初始时刻不同的中频chirp输出信号，实现从频率到时间的转换；
[0023]调制chirp信号经过中频带通滤波器滤波，输出的中频chirp信号表示如下：
[0024][0025][0026]式(5)中下标“ifc”表示中频chirp信号，式(6)中f
bpfstart
与f
bpfstop
分别表示中频带通滤波器的起始及终止频率；从式(5)、(6)可以看到，中频chirp信号包含有m个chirp分量，每个chirp分量的起始频率、终止频率以及持续时长都相同，但是每个chirp分量的起始及终止时间不同；根据式(6)知，中频chirp信号起始及终止时间与输入信号的频率相关；令B
bpf
表示带通滤波器的通带范围，令t
i
为第i个中频chirp分量的初始时刻：
[0027][0028]式(5)可进一步表述为：
[0029][0030][0031]式(8)的中频chirp信号包含了各个输入信号分量的幅度及频率信息；
[0032](3)、正交抽取时间序列
[0033]对中频chirp信号进行数字脉冲压缩的第一步是确定两组正交采样点；针对式(8)表示的中频chirp信号的相位、chirp率、初始终止频率等特性，设计两组离散采样时间序列和(上标1和2表示两组相互正交采样点序列)，两组采样点的相位及对应的时间分布满足如下关系：
[0034][0035][0036]其中，为任意常数，设为为0；针对第i个中频chirp信号分量，两组正交采样点时间序列和的取值范围为t
i
～t
i
+B
bpf
/k，n为从1到N的正整数；由于离散采样时间不能保证得到完全理想的两组正交采样点，故式(11)中引入了一个相位偏差小量N表示两组时间序列的采样点数，由中频chirp信号带宽、频率范围以及chirp率决定；理想情况下N的值为：
[0037][0038]由式(10)和式(11)可以推导出时间序列和的取值为：
[0039][0040][0041]根据式(13)和式(14)，两组时间序列和中的相邻元素值之差随n变化；
[0042](4)、数字脉冲压缩
[0043]在得到两组正交采样点时间序列之后，分别对式(13)和式(14)从t
j
时刻对中频chirp信号进行抽取，将抽取到的两组正交采样点序列值进行累加求和，再平方相加，得到与输入信号的第i个频率分量功率相关的信息；不同初始时刻的正交采样点序列经过上述计算后改变t
j
得到不同频率分量的功率信息；
[0044]将式(8)的中频chirp信号按照时间序列和从t
j
时刻开始抽取累加，得到的结果可表示：
[0045][0046][0047]其中，采样时间序列和满足如下条件：
[0048][0049]令Δt...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于chirp变换架构及快速数字脉压算法的频谱分析方法，其特征在于硬件信号调制与数字脉冲压缩算法相结合的信号频谱分析，包括以下步骤：(1)、用被测信号线性调制本振chirp信号；(2)、对调制chirp信号进行带通滤波；(3)、滤波器输出中频chirp信号经ADC变换成数字信号；(4)、对数字信号进行相位正交抽取，并按数字脉冲压缩算法进行数值运算，实现数字脉冲压缩，完成信号频谱检测；(5)、时域平移采样点数组求取整个频段频谱信息。2.根据权利要求1所述的频谱分析方法，其特征在于，步骤(4)所述的线性相位正交抽取的具体方法为：根据中频chirp信号的初始频率、终止频率以及chirp率，计算出两组相位相互正交的数字信号时间序列，作为中频chirp信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：童玲，赵权，高鑫宜，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：