CN111308224B - 射电天文接收机的信号平坦度补偿方法及射电天文接收机 - Google Patents

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Abstract

本公开公开了射电天文接收机的信号平坦度补偿方法及射电天文接收机，包括：射电天文接收机接收信号源产生的射频信号；对射频信号依次进行放大滤波处理和数字化处理，得到处理后的信号；对数字化处理后的信号消除稳定不平坦影响，减少随机不平坦影响，进而实现射电天文接收机对信号平坦度的补偿。针对太阳射电观测***对于相同功率不同频率的信号响应差别较大，提出一种基于后端软件实时补偿的信号平坦度补偿方法，专门解决太阳射电观测***的信号不平坦问题。

Description

射电天文接收机的信号平坦度补偿方法及射电天文接收机
技术领域
本公开涉及信号平坦度补偿技术领域，特别是涉及射电天文接收机的信号平坦度补偿方法及射电天文接收机。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
太阳射电观测***是研究太阳射电必不可少的仪器设备，其中宽频带太阳射电观测***是太阳射电观测***的重要组成部分，随着科学技术的进步，宽频带太阳射电观测***观测的带宽已经可达几GHz，宽带宽的太阳射电观测***能够观测射电现象在不同频率内的变化规律，但不可避免的由于模拟前端对于接收到的信号响应不一致，就会导致即便是相同功率大小的信号，因频率不同经***处理后表现出的功率却不同，导致***测量结果失真，也不利于后续数据处理。这就需要通过一定方法来补偿信号的平坦度。
目前的数字接收机的平坦度补偿在通讯技术领域研究广泛，但还存在着平坦度补偿带宽较窄，平坦度补偿方式较复杂，平坦度补偿方法不适用于射电望远镜***应用的缺点。目前信号平坦度补偿方法有数字域设计复系数的FIR滤波器和拟合***增益再数字滤波器补偿的方法。
一种收发信机的增益平坦度补偿方法(CN 105591656 B)本公开公开了一种收发信机的增益平坦度补偿方法。所述接收机的增益平坦度补偿方法，包括以下步骤，a.首先将ADC接收到的信号转换为零中频的IQ信号；b.信号发生器以fs/N的频率间隔发送单音信号，在数字域计算出每个频率点的功率Pn；其中fs为数字信号的采样频率，N取值为2的整数次方；c.以中心频率点的功率为基准，计算整个fs带宽内的增益平坦度，得到序列Pn′；d.对Pn′增加相位信息构造一个N点的复数序列Xn；e.对Xn进行N点的IFFT运算，得到结果Yn；f.在数字域构造一个N阶复数FIR滤波器，以Yn作为FIR滤波器的系数，对IQ信号进行滤波运算，其结果就是增益平坦度补偿后的接收数据。与现有技术相比，该方法能准确地补偿收发信机的增益平坦度，通过软件控制信号发生器和频谱分析仪，仅需一次测试即可自动完成增益平坦度的补偿，简单方便。
一种接收通道宽带补偿校准方法(CN 103841066 B)本公开公开了一种接收通道宽带补偿校准方法，通过信号源端产生满足要求的信号，送入需要补偿校准的接收机，接收机接收到该信号后，得到幅度失真和相位线性失真数据，从而进行反向补偿。本公开通过补偿算法，在基带内的FIR滤波器进行通道失真补偿修正，确保了通道内的幅度平坦度在0.05dB以内，相位线性度失真在0.1度以内。相对于现有技术，本公开校准精度高，对接收的群延时不要求、不敏感。
在实现本公开的过程中，发明人发现现有技术中存在以下技术问题：
当前的接收机信号平坦度的补偿都围绕于设计特定的FIR滤波器来补偿幅值和相位信息，但没有解决在宽带宽，特别是带宽在GHz范围内的接收机方便快速的补偿幅值不平坦的问题。目前通过设计FIR滤波器的方法需要测试每个频率点的功率，然后还要进行IFFT变换，在频率点非常多也就是带宽较宽时，计算量也会随之增多。另外，根据射电天文的特殊应用背景，目前平坦度补偿方法不能满足实时观测处理的高要求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了射电天文接收机的信号平坦度补偿方法及射电天文接收机；针对太阳射电观测***对于相同功率不同频率的信号响应差别较大，提出一种基于后端软件实时补偿的信号平坦度补偿方法，专门解决太阳射电观测***的信号不平坦问题。
第一方面，本公开提供了射电天文接收机的信号平坦度补偿方法；
射电天文接收机的信号平坦度补偿方法，包括：
射电天文接收机接收信号源产生的射频信号；
对射频信号依次进行放大滤波处理和数字化处理，得到处理后的信号；
对数字化处理后的信号消除稳定不平坦影响，减少随机不平坦影响，进而实现射电天文接收机对信号平坦度的补偿。
第二方面，本公开还提供了射电天文接收机。
射电天文接收机，包括：
模拟前端，接收信号源产生的射频信号；对射频信号依次进行放大滤波处理；
模数转换器ADC，对放大滤波处理后的信号进行数字化处理；
数字信号处理模块，其被配置为：对数字化处理后的信号消除稳定不平坦影响，减少随机不平坦影响，进而实现射电天文接收机对信号平坦度的补偿。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开主要体现适应性，针对射电天文观测中接收机器件导致信号不平坦，提出一种信号平坦度补偿的方法；经过该方法消除稳定不平坦影响，减少随机不平坦影响，补偿信号平坦度，在不改变接收机***下在以后应用中无需再用信号源标校，只需要通过上位机软件来控制积分数即可保证信号平坦度在所需范围。
2、本公开中信号源应满足在产生的单频点信号幅度足够稳定，在不同频点进行切换时稳定速度足够快，本身在所产生射频信号带宽内信号是平坦的。
3、本公开能针对性的解决问题，节约资源，成本低，技术简单。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为第一个实施例的射电天文接收机的信号平坦度补偿***架构图；
图2为第一个实施例的经过接收机后得到的幅值响应模型示意图；
图3为第一个实施例的去除接收机***中随时间改变的随机不平坦影响的流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一，本实施例提供了射电天文接收机的信号平坦度补偿方法；
射电天文接收机的信号平坦度补偿方法，包括：
S1：射电天文接收机接收信号源产生的射频信号；
S2：对射频信号依次进行放大滤波处理和数字化处理，得到处理后的信号；
S3：对数字化处理后的信号消除稳定不平坦影响，减少随机不平坦影响，进而实现射电天文接收机对信号平坦度的补偿。
作为一个或多个实施例，所述S1中，射电天文接收机接收信号源产生的射频信号，是指：
射电天文接收机接收信号源产生的幅值相等频率变化的射频信号；假设射频信号的射频功率为Pin，频率以fs/N步进；其中fs为模数转换器ADC采样频率，N为2的整数次方。
作为一个或多个实施例，所述S2中，对射频信号依次进行放大滤波处理和数字化处理，得到处理后的信号，对于任一频点的响应功率与射频功率都存在关系式：
Pin＝Pout+S+Δ(t)； (1)
其中，Pin为射频信号的射频功率，Pout为射频信号的经接收机放大滤波处理和数字化处理后得到每个频点对应的响应功率；S为接收机经过放大滤波处理带来的稳定不平坦影响，Δ(t)表示接收机经过放大滤波处理带来的随时间改变的随机不平坦影响。
根据公式(1)，对于每个频率点都得到一个粗补偿值S+Δ(t)，频带内得到一条粗补偿曲线。
作为一个或多个实施例，所述S3中，对数字化处理后的信号消除稳定不平坦影响；具体步骤包括：
S301：对任一的频率点均进行n次积分；得到：
nPin＝nPout+nS+(Δ(t1)+Δ(t2)+......+Δ(tn))； (1)
其中，n表示积分的次数，n为正整数。
S302：判断nS+(Δ(t1)+Δ(t2)+......+Δ(tn))是否大于设定阈值；
如果大于设定阈值，则n进行加1后，返回S301；
如果小于等于设定阈值，则将nS+(Δ(t1)+Δ(t2)+......+Δ(tn))称为精补偿值；
S303：对所有的频率点均利用S301～S302的步骤进行处理，得到每个频率点的精补偿值和每个频率点得到精补偿值所进行的积分次数；
S304：基于满足每个频率点得到精补偿值时所进行的积分次数，对每个频率点的精补偿值还原，得到射电天文接收机经过放大滤波处理带来的稳定不平坦影响S；
S305：对每个频率点的射频信号减去对应的稳定不平坦影响S，即实现稳定不平坦影响S的消除。
作为一个或多个实施例，所述S3中，减少随机不平坦影响；具体步骤包括：
S311：通过在消除射电天文接收机经过放大滤波处理带来的稳定不平坦影响S后，射电天文接收机正常运行，再次接收信号源产生的fs/N步进的幅值相等频率变化的新射频信号；
S312：射电天文接收机对新射频信号依次进行放大滤波处理和数字化处理，得到补偿S后的幅度响应；
在设定范围内得到幅度响应的最大波动，通过最大波动评估接收机经过放大滤波处理带来的随时间改变的随机不平坦影响的范围；
根据误差分析理论，随机不平坦度满足高斯分布，通过再次增大每个频率点得到精补偿值所进行的积分次数，减小随机不平坦影响的范围，使接收机最终反映输入信号的真实幅值，补偿接收机信号平坦度。
应理解的，所述幅度响应是指输出信号的幅度与频率的关系，通过输入一个信号经过接收机处理，会在输出端得到一个输出信号，此信号由于有一定的带宽即很多个频率，每个频率又会有一个幅度大小，就会得到输出信号的幅度与频率的关系即幅度响应。
该信号平坦度补偿方法具体实施方式如下：
如图1所示，射电天文接收机包括模拟前端，模数转换器ADC和数字信号处理部分。接收机要先对模拟信号进行放大滤波处理再送入ADC数字化，由于模拟前端很难做到对每个频率点放大效果一样，这就导致了信号的不平坦，另外由于整个***受外界温度环境改变等影响，各个器件还会引入一小部分随机干扰影响信号平坦度。
本公开主要是在数字处理部分通过测试算法来对信号平坦度进行补偿。信号源产生一个幅值不变的射频信号Pin，以接收机数字化后所量化的最小频率fs/N步进，输入到接收机后就得到各频点响应功率Pout，其中fs为ADC采样频率，N为2的整数次方。
图2为经过接收机后得到的幅值响应模型示意图。对于任何一个频点的响应功率与射频功率都存在关系式：
Pin＝Pout+S+Δ(t)
其中，S为接收机***模拟前端带来的稳定不平坦影响，Δ(t)表示接收机***中随时间改变的随机不平坦影响。
对于每个频率点都可以一个粗补偿值S+Δ(t)，由于存在Δ(t)，导致补偿值随时间不可预测的变化，所以需要设计测试算法去除Δ(t)的影响，该算法的逻辑框图如图3所示：
对接收机***进行一段时间的积分，得到：
nPin＝nPout+nS+(Δ(t1)+Δ(t2)+......+Δ(tn))；
其中n为积分次数。
将多次积分得到的粗补偿值经过阈值判断，阈值由期望性能决定且由软件可调，判断方法采用第n+1次累加后均值与第n次累加后均值的差与设定的阈值对比，若满足阈值则将此补偿值称为精补偿值，若不满足阈值条件则继续加大积分次数。
对于频带内所有频点都进行积分-阈值处理，得到各个频点精补偿值，再根据积分次数，还原得到接收机***模拟前端带来的稳定不平坦影响S。
通过补偿该值消除接收机***模拟前端带来的稳定不平坦影响以后，再使用信号源产生fs/N步进的幅值相等频率变化的射频信号，经过接收机处理得到补偿S后的幅值响应，通过此幅值响应评估接收机***中随时间改变的随机不平坦影响的程度，根据应用需求，调整积分次数的设定减小随机不平坦的影响，使接收机***能够很好的反映输入信号的真实幅值，有效补偿了接收机信号平坦度。
实施例二，本实施例还提供了射电天文接收机；
射电天文接收机，包括：
模拟前端，接收信号源产生的射频信号；对射频信号依次进行放大滤波处理；
模数转换器ADC，对放大滤波处理后的信号进行数字化处理；
数字信号处理模块，其被配置为：对数字化处理后的信号消除稳定不平坦影响，减少随机不平坦影响，进而实现射电天文接收机对信号平坦度的补偿。
作为一个或多个实施例，所述数字信号处理模块；包括：
积分单元，其被配置为：对任一的频率点均进行n次积分；得到：
nPin＝nPout+nS+(Δ(t1)+Δ(t2)+......+Δ(tn))； (1)
其中，n表示积分的次数，n为正整数。
判断单元，其被配置为：判断nS+(Δ(t1)+Δ(t2)+......+Δ(tn))是否大于设定阈值；
如果大于设定阈值，则n进行加1后，返回积分单元；
如果小于等于设定阈值，则将nS+(Δ(t1)+Δ(t2)+......+Δ(tn))称为精补偿值；
频率点处理单元，其被配置为：对所有的频率点均利用积分单元和判断单元进行处理，得到每个频率点的精补偿值和每个频率点得到精补偿值所进行的积分次数；
还原单元，其被配置为：满足每个频率点得到精补偿值时所进行的积分次数，对每个频率点的精补偿值还原，得到射电天文接收机经过放大滤波处理带来的稳定不平坦影响S；
消除单元，其被配置为：对每个频率点的射频信号减去对应的稳定不平坦影响S，即实现稳定不平坦影响S的消除。
作为一个或多个实施例，所述数字信号处理模块；还包括：
接收单元，其被配置为：通过在消除射电天文接收机经过放大滤波处理带来的稳定不平坦影响S后，射电天文接收机正常运行，再次接收信号源产生的fs/N步进的幅值相等频率变化的新射频信号；
处理单元，其被配置为：射电天文接收机对新射频信号依次进行放大滤波处理和数字化处理，得到补偿S后的幅度响应；
在设定范围内得到幅度响应的最大波动，通过最大波动评估接收机经过放大滤波处理带来的随时间改变的随机不平坦影响的范围；
根据误差分析理论，随机不平坦度满足高斯分布，通过再次增大每个频率点得到精补偿值所进行的积分次数，减小随机不平坦影响的范围，使接收机最终反映输入信号的真实幅值，补偿接收机信号平坦度。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.射电天文接收机的信号平坦度补偿方法，其特征是，包括：
射电天文接收机接收信号源产生的射频信号；
对射频信号依次进行放大滤波处理和数字化处理，得到处理后的信号；
对数字化处理后的信号消除稳定不平坦影响，减少随机不平坦影响，进而实现射电天文接收机对信号平坦度的补偿；
对数字化处理后的信号消除稳定不平坦影响；具体步骤包括：
S301：对任一的频率点均进行n次积分；得到：
nPin＝nPout+nS+(Δ(t1)+Δ(t2)+......+Δ(tn))； (1)
其中，n表示积分的次数，n为正整数；Pin表示射频信号的射频功率，Pout表示各频点响应功率，S为接收机***中稳定不平坦，Δ(t)为接收机***中随时间改变的随机不平坦影响；
S302：判断nS+(Δ(t1)+Δ(t2)+......+Δ(tn))是否大于设定阈值；
如果大于设定阈值，则n进行加1后，返回S301；
如果小于等于设定阈值，则将nS+(Δ(t1)+Δ(t2)+......+Δ(tn))称为精补偿值；
S303：对所有的频率点均利用S301～S302的步骤进行处理，得到每个频率点的精补偿值和满足每个频率点精补偿值时的积分次数；
S304：基于满足每个频率点精补偿值时的积分次数，对每个频率点的精补偿值还原，得到射电天文接收机经过放大滤波处理带来的稳定不平坦影响S；
S305：对每个频率点的射频信号减去对应的稳定不平坦影响S，即实现稳定不平坦影响S的消除；
减少随机不平坦影响；具体步骤包括：
S311：通过在消除射电天文接收机经过放大滤波处理带来的稳定不平坦影响S后，射电天文接收机正常运行，再次接收信号源产生的fs/N步进的幅值相等频率变化的新射频信号；其中fs为ADC采样频率，N为2的整数次方；
S312：射电天文接收机对新射频信号依次进行放大滤波处理和数字化处理，得到补偿S后的幅度响应；
在设定范围内得到幅度响应的最大波动，通过最大波动评估接收机经过放大滤波处理带来的随时间改变的随机不平坦影响的范围；
根据误差分析理论，随机不平坦度满足高斯分布，通过再次增大每个频率点得到精补偿值所进行的积分次数，减小随机不平坦影响的范围，使接收机最终反映输入信号的真实幅值，补偿接收机信号平坦度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，射电天文接收机接收信号源产生的射频信号，是指：
射电天文接收机接收信号源产生的幅值相等频率变化的射频信号；假设射频信号的射频功率为Pin，频率以fs/N步进；其中fs为模数转换器ADC采样频率，N为2的整数次方。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是，对射频信号依次进行放大滤波处理和数字化处理，得到处理后的信号，对于任一频点的响应功率与射频功率都存在关系式：
Pin＝Pout+S+Δ(t)； (1)
其中，Pin为射频信号的射频功率，Pout为射频信号的经接收机放大滤波处理和数字化处理后得到每个频点对应的响应功率；S为接收机经过放大滤波处理带来的稳定不平坦影响，Δ(t)表示接收机经过放大滤波处理带来的随时间改变的随机不平坦影响。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是，根据公式(1)，对于每个频率点都得到一个粗补偿值S+Δ(t)，频带内得到一条粗补偿曲线。
5.射电天文接收机，其特征是，包括：
模拟前端，接收信号源产生的射频信号；对射频信号依次进行放大滤波处理；
模数转换器ADC，对放大滤波处理后的信号进行数字化处理；
数字信号处理模块，其被配置为：对数字化处理后的信号消除稳定不平坦影响，减少随机不平坦影响，进而实现射电天文接收机对信号平坦度的补偿；
所述数字信号处理模块；包括：
积分单元，其被配置为：对任一的频率点均进行n次积分；
判断单元，其被配置为：判断积分结果是否大于设定阈值；
如果大于设定阈值，则n进行加1后，返回积分单元；
如果小于等于设定阈值，则将积分结果称为精补偿值；
频率点处理单元，其被配置为：对所有的频率点均利用积分单元和判断单元进行处理，得到每个频率点的精补偿值和每个频率点得到精补偿值所进行的积分次数；
还原单元，其被配置为：基于满足每个频率点得到精补偿值时的积分次数，对每个频率点的精补偿值还原，得到射电天文接收机经过放大滤波处理带来的稳定不平坦影响S；
消除单元，其被配置为：对每个频率点的射频信号减去对应的稳定不平坦影响S，即实现稳定不平坦影响S的消除；
所述数字信号处理模块；还包括：
接收单元，其被配置为：通过在消除射电天文接收机经过放大滤波处理带来的稳定不平坦影响S后，射电天文接收机正常运行，再次接收信号源产生的fs/N步进的幅值相等频率变化的新射频信号；其中fs为ADC采样频率，N为2的整数次方；
处理单元，其被配置为：射电天文接收机对新射频信号依次进行放大滤波处理和数字化处理，得到补偿S后的幅度响应；
在设定范围内得到幅度响应的最大波动，通过最大波动评估接收机经过放大滤波处理带来的随时间改变的随机不平坦影响的范围；
根据误差分析理论，随机不平坦度满足高斯分布，通过再次增大每个频率点得到精补偿值所进行的积分次数，减小随机不平坦影响的范围，使接收机最终反映输入信号的真实幅值，补偿接收机信号平坦度。
6.如权利要求5所述的射电天文接收机，其特征是，
对任一的频率点均进行n次积分；得到：
nPin＝nPout+nS+(Δ(t1)+Δ(t2)+......+Δ(tn))； (1)
其中，n表示积分的次数，n为正整数；Pin表示射频信号的射频功率，Pout表示各频点响应功率，S为接收机***中稳定不平坦，Δ(t)为接收机***中随时间改变的随机不平坦影响。
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