CN103684469A - 一种基于静态周期序列调制的多通道数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静态周期序列调制的多通道数据采集方法，用于实现高速信号的并行低速采集，具体步骤如下：从信号接收及通道预处理设备获取输入信号；采用调制序列预调制输入信号，生成各通道相异的已预调信号；分别对各通道已预调信号进行低通滤波，获得低通信号；分别对各通道低通信号使用模数转换器并行采样，获得各通道基带采样信号；计算重建矩阵，将各通道基带采样信号组成基带采样信号矩阵，使用重建矩阵对基带采样信号矩阵进行重建，获得输入信号各频带的基带数字信号；调制各基带数字信号并合成，从而获得输入信号的数字采样信号。

Description

一种基于静态周期序列调制的多通道数据采集方法

技术领域

本发明涉及数字信号采集及处理技术领域，特别是一种基于静态周期序列调制的多通道数据采集方法。

背景技术

数字通信***需要对模拟信号进行数字化后再利用数字器件进行处理。随着现代通信技术的发展，信号频率、带宽越来越高，已逐渐逼近目前单一模数转换器（ADC）能够实现的最高采样速率。若想对宽带信号进行直接采样，要求ADC具有很高的采样速率，然而ADC速率的增加将导致其量化精度的下降，从而导致动态范围的下降；而采样时钟的稳定性也将随着采样速率的提高而下降，这将加剧孔径抖动，从而降低信噪比；并且，随着ADC速率的增加，其成本也将急剧增加，这也将极大提高这类数字信号处理***的成本。

目前，采用多通道并行采样是解决单一模数转换器（ADC）采样频率瓶颈的主流思路。现行的多通道并行采样***主要有三类，一类是使用模拟滤波器将接收宽带划分为若干个子带，再利用变频技术将各子带变至基频，最后采用多通道ADC采样，该类方法滤波器及变频器件设计复杂，实现难度很高且误差难以控制；另一类方法利用多个采样速率互质的低速ADC对信号分别采样，最后通过差值来恢复完整带宽的信号，该类方法要求各通道的采样速率严格满足互质性质，而这将给其实现带来巨大困难；第三类方法采用多通道延时采样的思路，各通道分别对信号做不同的延时，后使用ADC采样从而组合成原信号，这类方法要求对信号做非常准确的延时，否则将导致信号失真，而对于高频信号，这类精确延迟是非常难以做到的。

由此可见，现有技术存在的问题是：如何才能低复杂度、低成本、稳定且易实现地实现宽带多通道数据采集。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于静态周期序列调制的多通道数据采集方法，实现简单、成本低、稳定性好。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于静态周期序列调制的多通道数据采集方法，包括以下步骤：

10）输入信号获取：从信号接收及通道预处理设备获取输入信号；

20）输入信号预调制：采用调制序列预调制输入信号，生成各通道相异的已预调信号；

30）已预调信号低通滤波：分别对各通道已预调信号进行低通滤波，获得低通信号；

40）低通信号采样：分别对各通道低通信号使用模数转换器并行采样，获得各通道基带采样信号；

50）基带数字信号重建：根据调制序列及傅里叶变换矩阵计算重建矩阵，将各通道基带采样信号组成基带采样信号矩阵，使用重建矩阵对基带采样信号矩阵进行重建，获得输入信号各频带的基带数字信号；

60）数字信号合成：调制各基带数字信号并合成，从而获得输入信号的数字采样信号。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、实现简单：采用常规器件、调制序列，生成简单，且ADC采样同时钟，***复杂度较现有***降低、可实现性提高；

2、成本低：无需高速ADC等昂贵器件，***实现成本低；

3、计算复杂度低：本发明重建、恢复计算量低，无需如迭代等高复杂度计算，能够实现实时或准实时采集；

4、采集稳定性好：相较现有基于压缩感知的数据采集方法，本发明对采集信号稀疏性无要求，重建过程中无需求解欠定方程，没有求解失败的风险，能够稳定的重建出采样信号；

5、适用范围广：本发明能够适用于各种数据采集场合，能够对如语音、通信等此类带限信号进行无失真采集。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，

附图说明

图1是本发明基于静态周期序列调制的多通道数据采集方法流程图。

图2是本发明基于静态周期序列调制的多通道数据采集方法原理图。

图3是输入信号经调制序列调制的频域示意图。

图4是已预调信号经低通滤波后得到低通信号的频域示意图。

图5是基带数字信号搬移组成数字采样信号的示意图。

图6是本发明的一组设计结构参数举例。

图7、图8是本发明仿真结果图。

图9是实现本发明基于静态周期序列调制的多通道数据采集方法的装置结构框图。

图中，1输入信号获取单元，2输入信号预调制单元，3已预调信号低通滤波单元，4低通信号采样单元，5基带数字信号重建单元，6数字信号合成单元，601信号调制模块，602信号累加模块。

具体实施方式

如图1所示为本发明基于静态周期序列调制的多通道数据采集方法的流程图，图2所示为本发明的原理图。

如图1、图2所示，本发明的多通道数据采集方法包括以下步骤：

10）输入信号获取：从信号接收及通道预处理设备获取输入信号；

20）输入信号预调制：采用调制序列预调制输入信号，生成各通道相异的已预调信号；

所述各调制序列分别由各自码元组成，周期相同、码元固定、码元组成不同、码元速率相同且各序列码元同步的序列。

设采样***共m个通道，被采样信号柰奎斯特频率为f_NYQ，各通道使用的调制序列分别由各自码元组成，各序列周期相同，码元固定，码元组成不同，码元速率相同且各序列码元同步。在此以取值为±1的调制序列为例，第i通道的调制序列p_i(t)定义为：

$p_i\left(t\right)={\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}},k\frac{T_p}{M}\≤t\≤(k+1)\frac{T_p}{M},0\≤k\≤M-1---\left(1\right).$

其中f_p为调制序列频率，T_p为调制序列周期，M为调制序列每周期±1变动次数，M满足M＝m。α_ik取值为+1或-1。当m为奇数时，调制序列频率

当m为偶数时，调制序列频率

令矩阵P=[p₁ ^T，...p_m ^T]为调制序列矩阵，其中

p₁ ^T为p₁的转至，矩阵P应为可逆矩阵。从调制序列出发在频域分析预调制的数学过程，p_i(t)的傅里叶级数为：

$p_i\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=-\∞}^{\∞}{c}_{\mathrm{il}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{T_p}\mathrm{lt}}---\left(2\right),$

其中

$c_{\mathrm{il}}=\frac{1}{T_p}{\∫}_0^{T_p}{p}_i\left(t\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{T_p}\mathrm{lt}}\mathrm{dt}---\left(3\right).$

调制序列p_i(t)对输入信号x(t)的调制公式为：

x′(t)＝p_i(t)×x(t)                   (4),

其傅里叶变换为：

${X_i}^{\′}\left(f\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=-\∞}^{i=\∞}{c}_{\mathrm{il}}X(f-{\mathrm{lf}}_p)---\left(5\right).$

由(5)可以看出，公式(5)将信号频谱移位lf_p并叠加。如图3所示。

30）已预调信号低通滤波：分别对各通道已预调信号进行低通滤波，获得低通信号；

所述已预调信号低通滤波（30）步骤中，各通道使用的低通滤波器为模拟低通滤波器，各滤波器拥有相同或相近幅频、相频响应特性。

40）低通信号采样：分别对各通道低通信号使用模数转换器并行采样，获得各通道基带采样信号；

所述低通信号采样（40）步骤中，各通道使用的模数转换器拥有相同的采样频率及采样时钟。

各通道使用的ADC拥有相同的采样频率及采样时钟，各通道对低通信号进行采样后生成基带采样信号y_i[n]。为防止采样混叠，ADC的采样频率f_s满足：f_s≥f_p。

50）重建矩阵计算：根据调制序列及傅里叶变换矩阵计算重建矩阵；

所述重建矩阵计算（50）步骤具体为：

重建矩阵

C＝A^-1＝(S×F×D)^-1                (6)

计算方法如下，第通道的调制序列p_i(t)为：

$p_i\left(t\right)={\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}},k\frac{T_p}{M}\≤t\≤(k+1)\frac{T_p}{M},0\≤k\≤M-1---\left(7\right),$

p_i(t)的傅里叶级数为：

$p_i\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=-\∞}^{\∞}{c}_{\mathrm{il}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{T_p}\mathrm{lt}}---\left(8\right),$

$c_{\mathrm{il}}=\frac{1}{T_p}{\∫}_0^{T_p}{p}_i\left(t\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{T_p}\mathrm{lt}}\mathrm{dt}---\left(9\right),$

调制序列p_i(t)对输入信号x(t)的调制公式为：

x′(t)＝p_i(t)×x(t)                           (10),

其傅里叶变换为：

${X_i}^{\′}\left(f\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=-\∞}^{i=\∞}{c}_{\mathrm{il}}X(f-{\mathrm{lf}}_p)---\left(11\right),$

通道的低通信号频谱为：

将(12)简写成：

y(f)＝Az(f)                    (13),

$A_{\mathrm{il}}=c_{\mathrm{il}}=\frac{1}{T_p}{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{k=M-1}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{M}\mathrm{ik}}{\∫}_0^{\frac{T_p}{M}}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{T_p}\mathrm{lt}}\mathrm{dt}=d_i{\mathrm{\Σ}}_0^{k=M-1}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\θ}}^{\mathrm{lk}}---\left(14\right),$

$d_l=\frac{1}{T_p}{\∫}_0^{\frac{T_p}{N}}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{T_p}\mathrm{lt}}\mathrm{dt}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{M}& l=0\\ \frac{1-{\mathrm{\θ}}^l}{2\mathrm{j\πl}}& l\≠0\end{array}\right.---\left(15\right),$

其中θ_＝e^-j2π/M，

令

D＝diag(d_-[m/2]，...，d_[m/2])，S_ik＝α_ik，

则公式(13)可以写成：

y(f)＝SFDz(f)               (16),

则z(f)＝(SFD)^-1y(f)。

60）基带数字信号重建：将各通道基带采样信号组成基带采样信号矩阵，使用重建矩阵对基带采样信号矩阵进行重建，获得输入信号各频带的基带数字信号；

所述基带数字信号重建（60）步骤包括：

61）根据基带采样信号y_i[n]组成基带采样信号矩阵Y

62）使用重建矩阵C左乘基带采样信号矩阵Y,从而获得输入信号各频带的基带数字信号r′_i[n]。

由公式(6)、(7)知，信号矩阵Y＝[y₁[n]^T，...，y_m[n]^T]^T，则基带数字信号矩阵

R′＝CY                  (17)

r′_i[n]即为矩阵R′的第i行。

70）输入采样信号获取：调制各基带数字信号并合成，从而获得输入信号的数字采样信号。

所述输入采样信号获取（70）步骤包括：

71）调制搬移各基带数字信号r′_i[n];

72）将搬移后的信号累加得到数字采样信号r[n]。

r[n]即为原信号的无失真采样信号，调制的作用是将各频谱基带信号搬移回其频谱相应位置，其示意图如图5所示。

图6给出了本发明的数据采集***的一组设计参数示例，图7、图8给出了采用该组参数进行仿真的两组结果。仿真数据为多个信号的叠加，信号带宽随机、中心频率随机、信噪比随机且处于5-20dB之间，信号最高柰奎斯特频率为4G。为方便观察重建与输入信号，图7、图8给出了原信号及采集信号的频谱，由结果可以看出，在有噪声的情况下，本***能够准确采集并恢复所有原信号，验证了该方法的可行性及该***的稳定性及可靠性。

如图9所示，实现本发明基于静态周期序列调制的多通道数据采集方法的装置，包括：

一输入信号获取单元1，用于从信号接收及通道预处理设备获取输入信号；

多个输入信号预调制单元2，用于采用调制序列预调制输入信号，生成各通道相异的已预调信号；

多个已预调信号低通滤波单元3，用于分别对各通道已预调信号进行低通滤波，获得低通信号；

多个低通信号采样单元4，用于分别对各通道低通信号使用模数转换器并行采样，获得各通道基带采样信号；

一基带数字信号重建单元5，用于计算重建矩阵，将各通道基带采样信号组成基带采样信号矩阵，使用重建矩阵对基带采样信号矩阵进行重建，获得输入信号各频带的基带数字信号；

一数字信号合成单元6，用于调制各基带数字信号并合成，从而获得输入信号的数字采样信号；

每个通道由1个输入信号预调制单元2、1个已预调信号低通滤波单元3和1个低通信号采样单元4依次串联组成，多个通道关联后，前端接输入信号获取单元1的输出端，后端接基带数字信号重建单元5，基带数字信号重建单元5的输出端接数字信号合成单元6的输入端。

所述数字信号合成单元6包括多个并联的信号调制模块601和1个信号累加模块602，所述信号调制模块601并联后，前端接基带数字信号重建单元5，后端接信号累加模块602。

Claims (9)

1.一种基于静态周期序列调制的多通道数据采集方法，其特征在于：包括以下步骤：

10）输入信号获取：从信号接收及通道预处理设备获取输入信号；

20）输入信号预调制：采用调制序列预调制输入信号，生成各通道相异的已预调信号；

30）已预调信号低通滤波：分别对各通道已预调信号进行低通滤波，获得低通信号；

40）低通信号采样：分别对各通道低通信号使用模数转换器并行采样，获得各通道基带采样信号；

50）基带数字信号重建：计算重建矩阵，将各通道基带采样信号组成基带采样信号矩阵，使用重建矩阵对基带采样信号矩阵进行重建，获得输入信号各频带的基带数字信号；

60）数字信号合成：调制各基带数字信号并合成，从而获得输入信号的数字采样信号。

2.根据权利要求1所述的多通道数据采集方法，其特征在于：所述输入信号预调制（20）步骤中：所述各调制序列分别由各自码元组成，周期相同、码元固定、码元组成不同、码元速率相同且各序列码元同步的序列。

3.根据权利要求1所述的多通道数据采集方法，其特征在于：所述已预调信号低通滤波（30）步骤中，各通道使用的低通滤波器为模拟低通滤波器，各滤波器拥有相同或相近幅频、相频响应特性。

4.根据权利要求1所述的多通道数据采集方法，其特征在于：所述低通信号采样（40）步骤中，各通道使用的模数转换器拥有相同的采样频率及采样时钟。

5.根据权利要求1所述的多通道数据采集方法，其特征在于：所述基带数字信号重建（50）步骤包括：

51）根据调制序列及傅里叶变换矩阵计算重建矩阵；

52）根据基带采样信号y_i[n]组成基带采样信号矩阵Y；

53）使用重建矩阵C左乘基带采样信号矩阵Y，从而获得输入信号各频带的基带数字信号r′_i[n]。

6.根据权利要求5所述的多通道数据采集方法，其特征在于：所述根据调制序列及傅里叶变换矩阵计算重建矩阵（51）步骤具体为：

重建矩阵

C＝A^-1＝(S×F×D)^-1              (1)

的计算方法如下，设第i通道的调制序列p_i(t)为：

$p_i\left(t\right)={\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}},k\frac{T_p}{M}\≤t\≤(k+1)\frac{T_p}{M},0\≤k\≤M-1---\left(2\right),$

其中输入信号柰奎斯特频率为f_NYQ，***通道数为m，f_p为调制序列频率，T_p为调制序列周期，M为调制序列每周期±1变动次数，M满足M=m。α_ik取值为+1或-1。当m为奇数时，调制序列频率

当m为偶数时，调制序列频率p_i(t)的傅里叶级数为：

$p_i\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=-\∞}^{\∞}{c}_{\mathrm{il}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{T_p}\mathrm{lt}}---\left(3\right),$

其中

$c_{\mathrm{il}}=\frac{1}{T_p}{\∫}_0^{T_p}{p}_i\left(t\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{T_p}\mathrm{lt}}\mathrm{dt}---\left(4\right).$

调制序列p_i(d)对输入信号x(t)的调制公式为：

x′(t)＝p_i(t)×x(t)                       (5)，

其傅里叶变换为：

${X_i}^{\′}\left(f\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=-\∞}^{i=\∞}{c}_{\mathrm{il}}X(f-{\mathrm{lf}}_p)---\left(6\right),$

通道i的低通信号频谱为：

将(7)简写成：

y(f)＝Az(f)                   (8)，

其中：

$A_{\mathrm{il}}=c_{\mathrm{il}}=\frac{1}{T_p}{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{k=M-1}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{M}\mathrm{ik}}{\∫}_0^{\frac{T_p}{M}}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{T_p}\mathrm{lt}}\mathrm{dt}=d_i{\mathrm{\Σ}}_0^{k=M-1}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\θ}}^{\mathrm{lk}}---\left(9\right),$

$d_l=\frac{1}{T_p}{\∫}_0^{\frac{T_p}{N}}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{T_p}\mathrm{lt}}\mathrm{dt}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{M}& l=0\\ \frac{1-{\mathrm{\θ}}^l}{2\mathrm{j\πl}}& l\≠0\end{array}\right.---\left(10\right),$

其中θ＝e^-j2π/M令D＝diag(d_-[m/2]，...，d_[m/2])，S_ik＝α_ik，则公式(8)可以写成：

(f)＝SFDz(f)                (11)，

则z(f)＝(SFD)^-1y(f)。

7.根据权利要求1所述的多通道数据采集方法，其特征在于：所述输入采样信号获取（60）步骤包括：

61）调制搬移各基带数字信号r′_i[n];

62）将搬移后的信号累加得到数字采样信号r[n]。

8.根据权利要求1所述的基于静态周期序列调制的多通道数据采集方法，其特征在于，其通过如下装置实现，该装置包括：

一输入信号获取单元（1），用于从信号接收及通道预处理设备获取输入信号；

多个输入信号预调制单元（2），用于采用调制序列预调制输入信号，生成各通道相异的已预调信号；

多个已预调信号低通滤波单元（3），用于分别对各通道已预调信号进行低通滤波，获得低通信号；

多个低通信号采样单元（4），用于分别对各通道低通信号使用模数转换器并行采样，获得各通道基带采样信号；

一基带数字信号重建单元（5），用于计算重建矩阵，将各通道基带采样信号组成基带采样信号矩阵，使用重建矩阵对基带采样信号矩阵进行重建，获得输入信号各频带的基带数字信号；

一数字信号合成单元（6），用于调制各基带数字信号并合成，从而获得输入信号的数字采样信号；

每个通道由1个输入信号预调制单元（2）、1个已预调信号低通滤波单元（3）和1个低通信号采样单元（4）依次串联组成，多个通道关联后，前端接输入信号获取单元（1）的输出端，后端接基带数字信号重建单元（5），基带数字信号重建单元（5）的输出端接数字信号合成单元（6）的输入端。

9.根据权利要求8所述的多通道数据采集方法，其特征在于：所述数字信号合成单元（6）包括多个并联的信号调制模块（601）和1个信号累加模块（602），所述信号调制模块（601）并联后，前端接基带数字信号重建单元（5），后端接信号累加模块（602）。

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