CN107749764A - 多通道大动态信号的采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种多通道大动态信号的采样方法，旨在提供一种能够减少模拟电路处理环节、体积重量的大动态信号采样方法，本发明通过下述技术方案予以实现：首先将滤波器、自动增益控制AGC放大器、高速模数转换器AD转换器依次串联，然后将1‑n个滤波器、AGC放大器、高速AD串联电路并联在可编程器件FPGA与功分器之间，再通过功分器串联AGC放大器组成多通道大动态信号采样电路；功分器把接收到的信号分成n路后输出，分别送入并联的n个滤波器把各个信号进行分离，AGC放大器根据接收到的各个信号功率大小分别对接收到的信号进行放大，采用高速AD转换器进行带通采样和基带化处理，FPGA对各个信号进行下变频和基带滤波，输出基带化后的数字信号。

Description

多通道大动态信号的采样方法

技术领域

本发明涉及一种能够同时处理大于8个通道数，单个信号动态变化范围大于80dB，不同通道信号的功率相差80dB以上的多通道大动态信号的采样方法。

背景技术

在数字信号处理过程中，采样作为重要的一步，将直接影响到后续数字信号处理的结果。高精度采样和信号的实时重构作为影响几乎所有数字信号处理方法性能的重要因素，越来越多的引起了人们的广泛关注，并逐渐成为了研究的热点之一。随着数字信号处理技术应用范围的扩大，所需要处理的信号的频带宽度范围也越来越大。随着被采样的模拟信号带宽的增大，保持高精度采样就愈加困难。由采样定理可知：信号的最低无失真采样频率与被采样信号的带宽有关，被采样信号的带宽越宽，所需要的最低无失真采样频率越高，即要求模/数转换器件(ADC)的转换速率越高。宽带信号的采样精度取决于所选用的ADC的转换速度和量化精度，即要求ADC同时具有高速和高精度的特点。然而，由于受到半导体工艺的影响，ADC的速度和精度总是一对矛盾。一般说来，具有较高转换速度的ADC都不具有高转换精度，同样，精度高的ADC都不具有高转换速度，同时兼顾采样速度和精度的ADC尚未出现。近几年来，单片ADC的采样速率有了一定的提高，但采集到的数据在存储和传输时仍然会受到存储器速度和其它所用器件速度的限制。另外，在高速数据采集***中，按ADC所给出的速度指标全速进行采样也是不可取的。全速采样下的ADC的有些指标会有所降低，而且功耗很大，这些都会给电路的实际工作带来许多问题，因此，通常应该给ADC留有一定的裕量，这也使得ADC的采样速率受到了相当大的限制。宽带信号的高精度采样及其重构问题是现代通信***、雷达***中的“宽带数字接收机”和高性能仪器仪表(如数字滤波器、频谱分析仪等)***中的关键技术。

近年来大规模集成电路与计算机的迅速发展，有力地推动了信号处理技术的发展，使信号处理的理论和方法日趋完善，并被广泛地应用于通信、物理、医学、天文等诸多技术领域。由于信号处理应用领域的不断扩大，也促使人们对信号进行细分，以便于向更深的层次探索。从信号带宽考虑，信号可以分为窄带信号、宽带信号和超宽带信号三类。这三类信号没有严格的带宽界定标准，一般传统观点认为包括单频的余弦信号在内，频带宽度小于10MHz的信号为窄带信号，频带宽度在十几兆至几百兆的信号为宽带信号，频带宽度接近和高于1000MHz的信号为超宽带信号。窄带信号在大多数情况下只要用单个的ADC进行采样就可以达到高精度的目的；在满足采样定理的前提下，宽带信号一般也可用单个的高速ADC进行采样，但一般精度较低，不能进行高精度采样，无法满足大动态范围的要求，且电路的硬件成本较高；对于超宽带信号，在满足采样定理的前提下，现有条件一般很难用单个ADC进行采样。

目前在无线通信中常用的信号过程是将射频输入信号与本地振荡器产生的信号相乘或差拍，由混频器后的中频滤波器选出射频信号与本振信号两者的和频或差频，然后对选择出的中频信号进行放大后通过模数转换器AD进行采样，通常把这种处理结构称为超外差结构。对于超外差结构，对于单个信号的处理效果非常好，具有动态适应性好，对处理器件要求低的特点。对于类似航空电子设备等复杂电子***，由于需要处理的信号数量多、信号分布在不同的频段、带宽各不相同、功率有大有小，如果仍然按照传统的超外差结构单独对每路信号进行混频、滤波、放大、采样等处理，每个通道的信号都需要前置滤波、放大、产生本帧、混频、中频滤波、放大、采样等处理，为了防止处理过程中各种信号的相互干扰，每个处理通道都需要单独进行屏蔽和封装，这些复杂的处理过程会导致***结构复杂，体积、重量难以降低。

虽然多通道动态数据采集***有着广泛的应用市场和发展空间，但是由于该***涉及多通道实时同步数据采集、多级抗混频滤波器、多种信号源控制、大量复杂数字信号处理等诸多领域的知识，使得动态测试与分析***的开发变得十分复杂。随着大规模集成电路和数字信号处理技术的发展，以及大量算法和理论的涌现出现，现在，数字技术已经在各种信号处理***中得到广泛应用，数字芯片的性能获得了快速发展，处理精度、速度、规模都达到了很高的水平。高速模数转换器AD的采样率已经可以达到5GSPS以上，能够处理的信号带宽达到了1GHz以上；高性能现场可编程门阵列FPGA芯片的规模达到了千万门级以上，能够完成对超大规模计算过程的实时处理。因此对以往需要处理多通道信号的复杂电子***的处理结构采用高性能数字处理芯片进行优化便成为可能。

发明内容

本发明的目的是针对现有复杂电子***中对同时存在的多个带宽、频段、功率相差很大的信号进行接收时存在的处理结构复杂、设备体积大、重量高的问题，提供一种能够减少模拟电路处理环节、体积重量能够降低60％以上的高集成度多通道大动态信号的采样方法，以解决类似航空电子设备等复杂电子***中由于需要处理的信号数量多导致的***结构复杂，体积、重量难以降低的问题。

本发明解决现有技术问题所采用的方案是：一种多通道大动态信号的采样方法，其特征在于包括如下步骤：首先将滤波器、自动增益控制AGC放大器、高速模数转换器AD依次串联，然后将1-n个滤波器、自动增益控制AGC放大器、高速模数转换器AD串联电路并联在可编程器件FPGA与功分器之间，再通过功分器串联AGC放大器组成多通道大动态信号采样电路；当开始工作时，输入信号首先通过自动增益控制AGC放大器进行放大，然后把经过AGC放大器放大后的信号送给功分器进行分路，功分器把接收到的信号分成n路后输出，分别送给与之并联的n个滤波器把各个信号进行分离，n个滤波器输出的信号分别送给与之相连的n个AGC放大器，AGC放大器根据接收到的各个信号功率大小分别对接收到的信号进行放大，高速模数转换器AD根据带通采样定理，针对接收到的多个通道信号各自的带宽和中心频率选择适合的采样率进行采样，高速模数转换器AD把得到的采样结果送给后续的可编程器件FPGA，FPGA根据采样后各个信号的中心频率和带宽对各个信号进行下变频和基带滤波，得到基带化后的1-n个基带数字信号输出。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

减少了模拟电路的处理环节。本发明根据需要同时处理的信号数量、各个信号的中心频率和带宽已知的特点，先把各个信号通过滤波器进行分离，然后再根据各个信号的功率大小分别进行放大，最后采用高速AD转换器进行带通采样和基带化处理，把通常在模拟电路上实现的下变频处理用高集成度的数字电路进行代替，减少了模拟电路的处理环节。

体积重量能够降低60％以上。本发明将滤波器、AGC放大器、高速模数转换器AD依次串联，然后将1-n个滤波器、自动增益控制AGC放大器、高速模数转换器AD串联电路并联在的可编程器件FPGA与功分器之间，再通过功分器串联AGC放大器组成多通道大动态采样电路；通过高速模数转换器AD根据带通采样定理，针对接收到的多个通道信号各自的带宽和中心频率选择适合的采样率进行采样，高速模数转换器AD转换器将得到的采样结果送给后续的可编程器件FPGA，FPGA根据采样后各个信号的中心频率和带宽对各个信号进行下变频和基带滤波，得到基带化后的1-n个基带数字信号输出。与传统的单独对每个信号进行下变频、滤波、AD采样的处理方法相比，在动态范围达到80dB的前提下体积重量能够降低60％以上。

本发明适合于对宽频段范围内功率相差很大的多个通道的信号进行采样处理，特别适合于对信号动态范围要求大，对设备体积、重量要求高的场合。

附图说明

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。

图1是多通道大动态信号采样的实现电路框图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，首先将滤波器、AGC放大器、高速模数转换器AD依次串联，然后将1-n个滤波器、自动增益控制AGC放大器、高速模数转换器AD串联电路并联在的可编程器件FPGA与功分器之间，再通过功分器串联AGC放大器组成多通道大动态信号采样电路；当开始工作时，输入的2GHz内的信号首先通过自动增益控制AGC放大器进行放大，然后把经过AGC放大器放大后的信号送给功分器进行分路，功分器把接收到的信号分成n路后输出，分别送给之并联的n个滤波器把各个信号进行分离，n个滤波器输出的信号分别送给与之相连的n个AGC放大器，AGC放大器根据接收到的各个信号功率大小分别对接收到的信号进行放大，高速模数转换器AD根据带通采样定理，针对接收到的多个通道信号各自的带宽和中心频率选择适合的采样率进行采样，高速模数转换器AD得到的采样结果送给后续的可编程器件FPGA，FPGA根据采样后各个信号的中心频率和带宽对各个信号进行下变频和基带滤波，得到基带化后的1-n个基带数字信号输出。

在以下描述的本发明最佳实施例中，多通道大动态信号采样电路依次由串联的AGC放大器、功分器、并联的滤波器1、滤波器2、…、滤波器n、AGC放大器1、AGC放大器2、…、AGC放大器n、高速模数转换器AD1、高速模数转换器AD2、…、高速模数转换器ADn、FPGA组成。

1)当开始工作时，输入信号频率在2GHz内，通过AGC进行放大后输出的信号功率保持在8dBm-12dBm之间。

2)然后把经过AGC放大器放大后的信号送给功分器进行分路，功分器把接收到的信号分成n路后输出，分别送给之并联的n个滤波器。

3)n个滤波器输出的信号分别送给与之相连的n个AGC放大器，AGC放大器根据接收到的信号功率对接收到的信号进行放大。

4)高速模数转换器AD转换器根据带通采样定理，针对接收到的多个通道信号各自的带宽和中心频率选择适合的采样率进行采样。

5)高速模数转换器AD转换器的采样结果送给后续的可编程器件FPGA。FPGA根据采用后各个信号的中心频率和带宽对各个信号进行下变频和基带滤波，得到基带化后的基带数字信号1到n，并把n个基带数字信号输出。

上述电路的特点：

在上述多通道大动态信号采样过程中，用具有宽输入带宽的高速模数转换器AD结合带通采样取代了超外差结构中的混频器，避免了使用混频器容易引入的互调、交调等干扰信号。

在在上述多通道大动态信号采样过程中，用具有宽输入带宽高速模数转换器AD结合带通采样取代了超外差结构中的混频器，减少了大量分离的模拟器件，降低了电路体积和重量。

在上述多通道大动态信号采样过程中，所选择的高速模数转换器AD具有2GHz的模拟输入带宽，采样率不小于1GSPS，利用带通采样原理实现模拟信号的数字化处理。

在上述多通道大动态信号采样过程中，高速模数转换器AD选择合适的采样率进行带通采样，能够使采样后的中心频率控制在80MHz以下，避免了高采样率下复杂的并行计算，使计算效率、复杂度、计算资源需求量、功耗等方面都有显著的改善。

在上述多通道大动态信号采样过程中，通过对各信号分别滤波和放大，对各信号采用高速模数转换器AD单独采样，能够大幅提升瞬时动态范围。瞬时动态范围是由AGC放大器的动态范围、高精度AD的动态范围、以及过采样所提供的动态范围三个因素共同决定的。

在上述多通道大动态信号采样过程中，n个滤波器是分别按照已知对应接收信号的中心频率和带宽进行设计的，并且具有100dB以上的带外抑制，以消除后续AD采样过程中带外信号对采样结果的影响。

在上述多通道大动态信号采样过程中，具有100dB以上带外抑制的滤波器一般不易直接实现，可以通过多个滤波器进行串联来实现。

Claims (10)

1.一种多通道大动态信号的采样方法，其特征在于包括如下步骤：首先将滤波器、自动增益控制AGC放大器、高速模数转换器AD依次串联，然后将1-n个滤波器、自动增益控制AGC放大器、高速模数转换器AD串联电路并联在可编程器件FPGA与功分器之间，再通过功分器串联AGC放大器组成多通道大动态信号采样电路；当开始工作时，输入信号首先通过自动增益控制AGC放大器进行放大，然后把经过AGC放大器放大后的信号送给功分器进行分路，功分器把接收到的信号分成n路后输出，分别送给与之并联的n个滤波器把各个信号进行分离，n个滤波器输出的信号分别送给与之相连的n个AGC放大器，AGC放大器根据接收到的各个信号功率大小分别对接收到的信号进行放大，高速模数转换器AD根据带通采样定理，针对接收到的多个通道信号各自的带宽和中心频率选择适合的采样率进行采样，高速模数转换器AD把得到的采样结果送给后续的可编程器件FPGA，FPGA根据采样后各个信号的中心频率和带宽对各个信号进行下变频和基带滤波，得到基带化后的1-n个基带数字信号输出。

2.如权利要求1所述的多通道大动态信号的采样方法，其特征在于：多通道大动态信号采样电路依次由串联的AGC放大器、功分器、并联的滤波器1、滤波器2、…、滤波器n、AGC放大器1、AGC放大器2、…、AGC放大器n、高速模数转换器AD1、高速模数转换器AD2、…、高速模数转换器ADn、FPGA组成。

3.如权利要求1所述的多通道大动态信号的采样方法，其特征在于：开始工作时，输入信号频率在2GHz内，通过AGC进行放大后输出的信号功率保持在8dBm-12dBm之间。

4.如权利要求1所述的多通道大动态信号的采样方法，其特征在于：在多通道大动态信号采样过程中，用具有宽输入带宽的高速模数转换器AD结合带通采样取代了超外差结构中的混频器。

5.如权利要求1所述的多通道大动态信号的采样方法，其特征在于：在多通道大动态信号采样过程中，选择采样率不低于1GSPS，具有2GHz以上模拟输入带宽的高速AD转换器，利用带通采样原理实现模拟信号的数字化处理。

6.如权利要求1所述的多通道大动态信号的采样方法，其特征在于：在多通道大动态信号采样过程中，高速模数转换器AD根据接收到的多个通道信号各自的带宽和中心频率，选择合适的采样率进行带通采样，采样后的中心频率控制在80MHz以下。

7.如权利要求1所述的多通道大动态信号的采样方法，其特征在于：在多通道大动态信号采样过程中，通过对各信号分别滤波和放大，对各信号采用高速AD单独采样，瞬时动态范围是由AGC放大器的动态范围、高速AD的动态范围、以及过采样所提供的动态范围三个因素共同决定的。

8.如权利要求1所述的多通道大动态信号的采样方法，其特征在于：在多通道大动态信号采样过程中，n个滤波器是分别按照已知对应接收信号的中心频率和带宽进行设计的，并且具有100dB以上的带外抑制。

9.如权利要求1所述的多通道大动态信号的采样方法，其特征在于：在上述多通道大动态信号采样过程中，通过多个滤波器进行串联来实现具有100dB以上带外抑制。

10.如权利要求1所述的多通道大动态信号的采样方法，其特征在于：先把各个信号通过滤波器进行分离，然后再根据各个信号的功率大小分别进行放大，最后采用高速AD转换器进行带通采样和基带化处理，把通常在模拟电路上实现的下变频处理用高集成度的数字电路进行代替。