CN107026722A - 傅里叶变换*** - Google Patents

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郭同锋
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Abstract

本发明涉及一种傅里叶变换***，包括：第一信号处理器，用于接收输入信号，并将所述输入信号的各频率分量按频率关系在时域上展开后输出；以及模拟信号处理单元，与所述第一信号处理器的输出端连接，以接收所述第一信号处理器输出的展开信号并对所述展开信号进行检波和滤波处理以获得第一傅里叶变换结果。上述傅里叶变换***，通过第一信号处理器将输入信号的各频率分量展开在时域上，从而将输入信号变换为窄带信号，使得模拟信号处理单元可以对该窄带信号进行处理以完成傅里叶变换。上述傅里叶变换***，克服了传统的数字信号处理工作带宽窄的缺点。

Description

傅里叶变换***
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种傅里叶变换***。
背景技术
随着计算机和信息科学的飞速发展，数字信号处理(Digital SignalProcessing，DSP)技术应运而生，形成一门独立的学科系。简单地说，数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值与识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的。
在工程领域，工程信号是由多种频率信号叠加成的复杂成分。时域信号的分析都含有同等的信息量，而频域分析某些关心的量会更加直观，并且便于运算和处理。傅里叶变换是把时域信号变换为频域信号最根本的工具。不管是数字信号处理还是模拟信号处理，都需要通过傅里叶变换把信号变换到频域进行处理。在自然界中存在的大多数信号都是模拟信号，而在数字信号处理过程中，处理对象是数字信号。因此，必然需要进行模拟信号到数字信号的转换。通过传统的数字处理技术(DSP)进行傅里叶变换，其工作带宽较窄，不能对超高速，超宽带信号进行傅里叶变换。
发明内容
基于此，有必要提供一种工作带宽较宽的傅里叶变换***。
一种傅里叶变换***，包括：第一信号处理器，用于接收输入信号，并将所述输入信号的各频率分量按频率关系在时域上展开后输出；以及模拟信号处理单元，与所述第一信号处理器的输出端连接，以接收所述第一信号处理器输出的展开信号并对所述展开信号进行检波和滤波处理以获得第一傅里叶变换结果。
在其中一个实施例中，还包括数字信号处理单元；所述数字信号处理单元与所述第一信号处理器的输出端连接，用于接收所述第一信号处理器输出的展开信号并将所述展开信号从时域转换至频域信号以完成傅里叶变换，并输出第二傅里叶变换结果。
在其中一个实施例中，还包括示波器；所述示波器分别与所述模拟信号处理单元、所述数字信号处理单元的输出端连接，以接收所述第一傅里叶变换结果和所述第二傅里叶变换结果并显示。
在其中一个实施例中，还包括调制器；所述调制器的输出端与所述第一信号处理器的输入端连接；所述调制器用于利用中心频率为目标中心频率的混频信号对所述输入信号进行调制，以使得所述输入信号被变频到中心频率为目标中心频率的带通范围。
在其中一个实施例中，所述目标中心频率与所述第一信号处理器的中心频率相同，均为微波频段。
在其中一个实施例中，所述第一信号处理器为色散群时延器件且所述色散群时延器件的群时延与频率之间关系为线性关系。
在其中一个实施例中，所述色散群时延器件为全通结构。
在其中一个实施例中，所述模拟信号处理单元包括相互串联的二极管和低通滤波器；所述二极管用于对展开信号进行检波以获取展开信号的包络信息；所述低通滤波器用于对展开信号进行滤波处理。
一种傅里叶变换***，包括：第一信号处理器，用于接收输入信号，并将所述输入信号的各频率分量按频率关系在时域上展开后输出；以及数字信号处理单元，与所述第一信号处理器的输出端连接，用于接收所述第一信号处理器输出的展开信号并将所述展开信号从时域转换至频域信号以完成傅里叶变换，并输出傅里叶变换结果。
在其中一个实施例中，所述第一信号处理器为色散群时延器件且所述色散群时延器件的群时延与频率之间关系为线性关系。
上述傅里叶变换***，通过第一信号处理器将输入信号的各频率分量展开在时域上，从而将输入信号变换为窄带信号，使得模拟信号处理单元或者数字信号处理单元可以对该窄带信号进行处理以完成傅里叶变换。上述傅里叶变换***，克服了传统的数字信号处理工作带宽窄的缺点。
附图说明
图1为一实施例中的傅里叶变换***的结构框图；
图2为另一实施例中的傅里叶变换***的结构框图；
图3为又一实施例中的傅里叶变换***的结构框图；
图4为图3中的输入信号的示意图；
图5为图3中经过色散群时延器件进行处理后得到的展开信号的示意图；
图6为图3中第一傅里叶变换结果和第二傅里叶变换结果的示意图；
图7为再一实施例中的傅里叶变换***的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为一实施例中的傅里叶变换***的结构框图。该傅里叶变换***包括第一信号处理器110和模拟信号处理单元120。第一信号处理器110的输出端与模拟信号处理单元120的输入端连接。
第一信号处理器110用于接收信号，并将输入信号的各频率分量按频率关系在时域上展开，形成展开信号。输入信号可以为任意波形信号，既可以为模拟信号也可以为数字信号。第一信号处理器110形成的展开信号为窄带信号，从而使得傅里叶变换***可以对任意输入信号如超高速、超宽带信号等进行处理，而不受工作带宽的影响。第一信号处理器110具有色散群时延特性，且其群时延与频率呈线性关系，从而方便模拟信号处理单元120对各频率分量进行处理。群时延是用来描述相位变化随着频率变化的快慢程度的量。在本实施例中，第一信号处理器110为色散群时延器件，其群时延和频率呈正线性关系(即群时延响应斜率为正)。因此，输入信号中的各不同频率分量中，低频分量时延小，在输出信号中出现的较早，高频分量时延大，在输出信号中出现的晚，从而可以将各频率分量在时域上展开。色散群时延器件的群时延和频率的线性斜率越大，各频率分量对应的时延越大，从而确保各频率分量能够在时域上彻底分开，有利于提高模拟信号处理的变换精度。在其他的实施例中，第一信号处理器110也可以采用群时延响应斜率为负线性斜率的色散群时延器件或者仅在其工作频段范围内为线性关系，只要能够将输入信号中的各频率分量在时域上展开形成展开信号即可。同时，通过第一信号处理器110将输入信号在时域上展开后形成的展开信号的信号带宽变窄，从而使得后续信号处理过程较为简单。
第一信号处理器110处理得到的展开信号送入到模拟信号处理单元120中进行处理。模拟信号处理单元120用于对展开信号进行检波和滤波处理以完成傅里叶变换，得到第一傅里叶变换结果。第一傅里叶变换结果是通过模拟信号处理技术得到的，处理速度较快，从而可以实现实时傅里叶变换。
上述傅里叶变换***，通过第一信号处理器110将输入信号的各频率分量展开在时域上，从而将输入信号转换为窄带信号，使得模拟信号处理单元120可以对该窄带信号进行处理以完成傅里叶变换过程。上述傅里叶变换***，通过第一信号处理器110的作用，可以对任意的波形信号进行处理，克服了传统的数字信号处理工作带宽窄的缺点，并且利用模拟信号处理技术提高了信号处理的速度，实现实时傅里叶变换(RTFT)。
图2为另一实施例中的傅里叶变换***的结构框图。该傅里叶变换***包括第一信号处理器210、模拟信号处理单元220和数字信号处理单元230。其中，第一信号处理器210的输出端分别与模拟信号处理单元220、数字信号处理单元230的输入端连接。在前述实施例中已经介绍的部分此处不赘述。
数字信号处理单元230通过数字处理技术对展开信号进行傅里叶变换，并得到第二傅里叶变换结果。数字信号处理单元230采用传统的快速傅里叶变换方法进行处理，以将输入信号从时域变换到频域。通过数字信号处理单元230处理得到的第二傅里叶变换结果相对于模拟信号处理单元220处理得到的第一傅里叶变换结果而言较慢，但是精准度较高。因此，将模拟信号处理单元220处理得到的第一傅里叶变换结果与通过数字信号处理单元230处理得到第二傅里叶变换结果作为对比，能够确保傅里叶变换结果的准确性。并且，本实施例中，通过第一信号处理器210的处理，可以将输入信号转换为窄带信号，从而可以克服传统的数字信号处理过程中带宽较窄的缺点，且利用简单的数字信号处理单元230即可实现输入信号从时域转换至频域，完成傅里叶变换。
上述傅里叶变换***，通过第一信号处理器210将输入信号的各频率分量展开在时域上，从而将输入信号变换为窄带信号，使得模拟信号处理单元220和数字信号处理单元230可以对该窄带信号进行处理以完成傅里叶变换过程。上述傅里叶变换***，克服了传统的数字信号处理工作带宽窄的缺点。并且，用模拟信号处理技术提高了信号处理的速度，并进一步克服了数字信号处理工作带宽窄的缺点，采用数字信号处理则提高了变换精度。
图3为另一实施例中的傅里叶变换***的结构框图。参见图3，该傅里叶变换***包括调制器310、色散群时延器件320、模拟信号处理单元330以及数字信号处理单元340。
调制器310的输出端与色散群时延器件320的输入端连接。调制器310用于对输入信号ψin(t)进行调制。在本实施例中，输入信号ψin(t)以矩形波为例进行说明，如图4所示。调制器310利用中心频率为目标中心频率ωo的混频信号对输入信号ψin(t)进行调制，从而使得输入信号ψin(t)被上变频到中心频率为ωo的带通范围，得到经过调制器310调制后的输入信号的中心频率与色散群时延器件320的中心频率相同，均选自微波频段。
经过调制器310调制后的信号通过中心频率为ωo的色散群时延器件320进行处理。色散群时延器件320的群时延与频率呈正线性关系，如图3所示。色散群时延器件320对调制后的信号进行处理，将各频率分量按频率的大小关系在时域上依次展开，从而得到时域频率展开信号ψh(t)。色散群时延器件320处理得到的时域频率展开信号ψh(t)如图5所示。图5中，横坐标为时间，纵坐标为幅值。从图5中也可以看出，各频率分量在时域上依次展开。色散群时延器件320的群时延和频率的线性斜率越大，各频率分量对应的时延越大，从而确保各频率分量能够在时域上彻底分开，有利于提高傅里叶变换过程的变换精度。
得到的时域频率展开信号ψh(t)被分成两条路径，其一送入至模拟信号处理单元330，另一则送入至数字信号处理单元340。在本实施例中，模拟信号处理单元330包括二极管D1和低通滤波器332。二极管D1与低通滤波器332相互串联。二极管D1用于对输入的展开信号ψh(t)进行检波，以获取展开信号ψh(t)的包络信息。低通滤波器332则用于对展开信号ψh(t)进行滤波，以去除展开信号ψh(t)中的杂波。即，展开信号ψh(t)经过二极管D1和低通滤波器332的检波和滤波作用后得到第一傅里叶变换结果ψout1(t)。通过模拟信号处理单元330来实现傅里叶变化时速度较快，属于实时的傅里叶变换(RTFT)。第一傅里叶变换结果ψout1(t)得到的速度较快，但是不够准确。在本实施例中，傅里叶变换***还包括示波器(图中未示)。示波器用于显示第一傅里叶变换结果ψout1(t)，即显示获取到的展开信号ψh(t)的包络形状。送入数字信号处理单元340的展开信号ψh(t)在数字信号处理单元340中进行傅里叶变换得到第二傅里叶变换结果ψout2(f)。数字处理单元340可以通过软件实现，在通用的计算机上通过MATLAB等软件来实现。通过软件来实现的傅里叶变换需要一定的时间，并非实时变换，其通过传统的快速傅里叶变换(FFT)技术即可实现。第二傅里叶变换结果ψout2(f)是数字处理的结果，相对于第一傅里叶变换结果ψout1(t)而言处理的慢一些，但是结果精确。示波器会对第二傅里叶变换结果ψout2(f)与第一傅里叶变换结果ψout1(t)进行叠加显示，从而使得得到的两个结果可以直观的进行对比，以获得较为准确的傅里叶变换结果，如图6所示。图6中，底部横坐标表示时间，顶部横坐标表示频率，纵坐标表示幅值。图6中，实线表示第一傅里叶变换结果ψout1(t)，虚线表示第二傅里叶变换结果ψout2(f)。可以看出，第一傅里叶变换结果ψout1(t)和第二傅里叶变换结果ψout2(f)是一致的，只是在某些点有微小的偏差。这是和色散群时延器件320的性能相关。色散群时延器件320的群时延响应的线性斜率越大，就能得到较好的实时傅里叶变换效果。
上述傅里叶变换***，采用模拟信号处理技术实现实时傅里叶变换，同时又采用数字信号处理技术。用模拟信号处理技术提高了信号处理的速度，同时采用第一信号处理器310将输入信号变换为窄带信号，克服了数字处理技术工作带宽窄的缺点，从而可以对超高速，超宽带信号进行傅里叶变换，也即是ψin(t)可以是带宽很宽的信号。上述傅里叶变换***不需要复杂的数字信号处理技术，因为ψh(t)是一个窄带信号，在实际中很容易对该信号进行数字处理。
图7为另一实施例中的傅里叶变换***的结构框图，该傅里叶变换***包括第一信号处理器710和数字信号处理单元720。
第一信号处理器710用于接收输入信号，并将输入信号的各频率分量按频率关系在时域上展开后输出。数字信号处理单元720与第一信号处理器710的输出端连接，用于接收第一信号处理器710输出的展开信号并将展开信号从时域转换至频域信号以完成傅里叶变换后输出傅里叶变换结果。第一信号处理器710和数字信号处理单元720的功能在前述实施例中已详细说明，此处不赘述。
上述傅里叶变换***，通过第一信号处理器710将输入信号的各频率分量展开在时域上，从而将输入信号变换为窄带信号，使得数字信号处理单元720可以对该窄带信号进行处理以完成傅里叶变换过程，从而克服了传统的数字信号处理工作带宽窄的缺点。并且，上述傅里叶变换***通过数字信号处理技术来进行傅里叶变换，具有较高的变换精度，可以实现快速傅里叶变换。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种傅里叶变换***，其特征在于，包括：
第一信号处理器，用于接收输入信号，并将所述输入信号的各频率分量按频率关系在时域上展开后输出；以及
模拟信号处理单元，与所述第一信号处理器的输出端连接，以接收所述第一信号处理器输出的展开信号并对所述展开信号进行检波和滤波处理以获得第一傅里叶变换结果。
2.根据权利要求1所述的傅里叶变换***，其特征在于，还包括数字信号处理单元；所述数字信号处理单元与所述第一信号处理器的输出端连接，用于接收所述第一信号处理器输出的展开信号并将所述展开信号从时域转换至频域信号以完成傅里叶变换，并输出第二傅里叶变换结果。
3.根据权利要求2所述的傅里叶变换***，其特征在于，还包括示波器；所述示波器分别与所述模拟信号处理单元、所述数字信号处理单元的输出端连接，以接收所述第一傅里叶变换结果和所述第二傅里叶变换结果并显示。
4.根据权利要求1所述的傅里叶变换***，其特征在于，还包括调制器；所述调制器的输出端与所述第一信号处理器的输入端连接；所述调制器用于利用中心频率为目标中心频率的混频信号对所述输入信号进行调制，以使得所述输入信号被变频到中心频率为目标中心频率的带通范围。
5.根据权利要求4所述的傅里叶变换***，其特征在于，所述目标中心频率与所述第一信号处理器的中心频率相同，均为微波频段。
6.根据权利要求1所述的傅里叶变换***，其特征在于，所述第一信号处理器为色散群时延器件且所述色散群时延器件的群时延与频率之间关系为线性关系。
7.根据权利要求6所述的傅里叶变换***，其特征在于，所述色散群时延器件为全通结构。
8.根据权利要求1所述的傅里叶变换***，其特征在于，所述模拟信号处理单元包括相互串联的二极管和低通滤波器；所述二极管用于对展开信号进行检波以获取展开信号的包络信息；所述低通滤波器用于对展开信号进行滤波处理。
9.一种傅里叶变换***，其特征在于，包括：
第一信号处理器，用于接收输入信号，并将所述输入信号的各频率分量按频率关系在时域上展开后输出；以及
数字信号处理单元，与所述第一信号处理器的输出端连接，用于接收所述第一信号处理器输出的展开信号并将所述展开信号从时域转换至频域信号以完成傅里叶变换，并输出傅里叶变换结果。
10.根据权利要求9所述的傅里叶变换***，其特征在于，所述第一信号处理器为色散群时延器件且所述色散群时延器件的群时延与频率之间关系为线性关系。
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