專利名稱：調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)采集技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于調(diào)頻信號調(diào)頻斜率反轉(zhuǎn)的調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
編碼輻射定標(biāo)技術(shù)是合成孔徑雷達(SAR)輻射定標(biāo)技術(shù)的發(fā)展方向之一，其關(guān)鍵技術(shù)在于有源編碼轉(zhuǎn)發(fā)器的研制。在有源編碼轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計中需要完成輸入調(diào)頻信號調(diào)頻斜率的反轉(zhuǎn)。
目前，欠采樣方法被廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集，無線電信號分析等高速，超高速數(shù)字處理領(lǐng)域。雖然欠采樣之后的數(shù)字頻譜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是欠采樣能夠保留完整的信號特征，且具有頻譜搬移的能力。也就是說欠采樣方法具有信號頻譜結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)的能力。
若某一帶通信號S(t)的上截止頻率為fh，下截止頻率為fl，考慮采樣后的頻譜無混疊，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，最小的采樣頻率為fs＝2fh。然而根據(jù)欠采樣定理，允許無誤地重建帶通信號S(t)的最小采樣頻率為Fs=2(fh-fl)(1+MN)=2B(1+MN)≈2B---(1)]]>其中，B＝fh-fl，M＝[fh/(fh-fl)]-N，N為不超過fh/(fh-fl)的最大正整數(shù)。
當(dāng)信號S(t)的帶寬B＜＜fh時，欠采樣定理確定的最小采樣頻率fs將遠小于奈奎斯特采樣定理確定的最小采樣頻率fs。除了采樣頻率的降低外，欠采樣還能實現(xiàn)信號頻譜結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)，下面給出證明。
利用滿足式(1)的欠采樣頻率Fs對信號S(t)進行等間隔采樣，其頻譜將位于[kB，(k+1)B]，k＝0，1，2，...的不同頻帶上，其中基帶頻譜位于
。
設(shè)位于
基帶中偏離其中心頻率f00分別為±Δf的兩個余弦信號為s10(t)=Acos[2π(f00-Δf)t]---(2)]]>
S20(t)=Acos[2π(f00+Δf)t]]]>(3)式中f00=B2]]>，其采樣信號為S10(n)=Acos[2π(B2-Δf)nfs]]]>(4)S20(n)=Acos[2π(B2+Δf)nfs]]]>(5)取fs＝mB，將其帶入式(4)和式(5)其中fs滿足式(1)的最小要求。
S10(n)=Acos(1mnπ-2nπΔfmB)---(6)]]>S20(n)=Acos(1mnπ+2nπΔfmB)---(7)]]>同理可得位于第k個頻帶[kB，(k+1)B]，k＝1，2，...上偏離其中心頻率f0k=(2k+1)B2]]>分別為±Δf的兩個采樣信號為S1k(n)=Acos(2mknπ+1mnπ-2nπΔfmB)---(8)]]>S2k(n)=Acos(2mknπ+1mnπ+2nπΔfmB)---(9)]]>取m＝2的情況，容易得出當(dāng)k為偶數(shù)時S10(n)=S1k(n),S20(n)=S2k(n)---(10)]]>而當(dāng)k為奇數(shù)時S1k(n)=Acos(32nπ-nπΔfB)---(11)]]>S2k(n)=Acos(32nπ+nπΔfB)---(12)]]>根據(jù)三角公式，以上二式可以化簡為S1k(n)=Acos(12nπ+nπΔfB)---(13)]]>S2k(n)=Acos(12nπ-nπΔfB)---(14)]]>參照式(6)和式(7)則S10(n)=S2k(n),S20(n)=S1k(n)---(15)]]>對位于
基帶中偏離其中心頻率f00分別為±Δf的兩個正弦信號，結(jié)果如下S10(n)=-S2k(n),S20(n)=-S1k(n)---(16)]]>根據(jù)式(15)和式(16)的結(jié)果，我們可以得到下面結(jié)論·在k為奇數(shù)時，基帶
中余弦信號的頻譜與其在[kB，(k+1)B]，k＝1，3，...中的頻譜是關(guān)于中心頻率反轉(zhuǎn)的。
·在k為奇數(shù)時，基帶
中正弦信號的頻譜與其在[kB，(k+1)B]，k＝1，3，...中的頻譜是關(guān)于中心頻率反轉(zhuǎn)的，同時幅度乘以-1。
·在k為偶數(shù)時，基帶
中的頻譜與[kB，(k+1)B]，k＝2，4，...中的頻譜是相同的。
根據(jù)上述理論分析，選擇合適的欠采樣頻率，可以在基帶中實現(xiàn)帶通信號的頻譜結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)，然后利用低通濾波器提取出基帶信號，最后經(jīng)過混頻得到所需要的中心頻率，即完成了信號頻譜結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)該功能，本發(fā)明提出了基于欠采樣方法的調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計方案和原理框圖。該方案通過正交解調(diào)、欠采樣和正交調(diào)制方法有效實現(xiàn)了轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)頻信號頻譜結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)，使得轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)頻信號具有與輸入調(diào)頻信號相反的調(diào)頻斜率。
本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種簡單、實用的輸入調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)要點在于首先通過正交解調(diào)方法獲得位于奇次頻帶的輸入調(diào)頻信號，然后使用欠采樣方法得到位于基帶的調(diào)頻信號?；鶐д{(diào)頻信號的頻譜結(jié)構(gòu)與奇次頻帶調(diào)頻信號的頻譜結(jié)構(gòu)相反，提取基帶調(diào)頻信號并經(jīng)過正交調(diào)制獲得輸出調(diào)頻信號，該輸出調(diào)頻信號與輸入調(diào)頻信號具有相反的調(diào)頻斜率。
上面通過理論推導(dǎo)和仿真實驗證明了欠采樣方法能夠?qū)崿F(xiàn)輸入調(diào)頻信號頻譜的反轉(zhuǎn)。下面研究欠采樣方法在有源編碼轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計中的具體應(yīng)用。由于合成孔徑雷達發(fā)射的是線性調(diào)頻信號，所以地面有源編碼轉(zhuǎn)發(fā)器需要通過頻譜結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)實現(xiàn)輸入線性調(diào)頻信號調(diào)頻斜率的反轉(zhuǎn)。
為了有效實現(xiàn)輸入線性調(diào)頻信號調(diào)頻斜率的反轉(zhuǎn)，我們提出了基于欠采樣方法的設(shè)計方案。為了證明本欠采樣方案的正確性，我們采用加拿大Radarsat-1合成孔徑雷達的參數(shù)進行仿真實驗，具體參數(shù)如下發(fā)射信號載波頻率fc＝5.3GHz。發(fā)射線性調(diào)頻信號脈沖寬度為T＝20μs，調(diào)頻帶寬為B＝30MHz，調(diào)頻斜率為K=BT]]>。有源編碼轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入調(diào)頻信號為S(t)＝cos(2πfct+πKt2)。有源編碼轉(zhuǎn)發(fā)器中的本振頻率fos＝5.03GHz。有源編碼轉(zhuǎn)發(fā)器中欠采樣前的奇次跟蹤濾波器的中心頻率為f0=(2k+1)2B=285MHz,k=9]]>一種調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的方法，通過欠采樣方法實現(xiàn)輸入調(diào)頻信號基帶頻譜的搬移，獲得偶次頻帶頻譜和奇次頻帶頻譜，其中輸入調(diào)頻信號偶次頻帶中的頻譜與其基帶中的頻譜關(guān)系一致，輸入調(diào)頻信號奇次頻帶中的頻譜與其基帶中的頻譜關(guān)于中心頻率反轉(zhuǎn)。
所述的調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的方法，采用正交解調(diào)方法獲得兩路帶通信號，通過欠采樣方法，在基帶中分別實現(xiàn)兩路信號頻譜結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)。
所述的調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的方法，采用正交調(diào)制方法獲得輸出調(diào)頻信號，通過正交調(diào)制方法能夠獲得與輸入調(diào)頻信號相同的中心頻率和帶寬，但調(diào)頻斜率相反的輸出調(diào)頻信號。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1.欠采樣方法降低了輸入調(diào)頻信號的采樣速率，同時也降低了硬件實現(xiàn)的難度。
2.欠采樣方法使寬帶高速信號的低速處理成為可能。
3.正交解調(diào)方法能夠保留完整的輸入調(diào)頻信號頻譜。
4.正交調(diào)制方法能夠保證輸出調(diào)頻信號與輸入調(diào)頻信號具有相同的中心頻率。
5.基于欠采樣的調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)系統(tǒng)簡單、實用。
6.調(diào)頻信號調(diào)頻斜率反轉(zhuǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、精度高。


圖1是調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的欠采樣系統(tǒng)圖。
圖2是輸基于欠采樣方法的有源編碼轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)圖。
圖3是輸入線性調(diào)頻信號頻譜圖。
圖4輸入線性調(diào)頻信號的頻譜圖。
圖5是輸出線性調(diào)頻信號頻譜圖。
圖6是輸出調(diào)頻信號的頻譜圖。
具體實施例方式
圖1的調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的欠采樣系統(tǒng)，由兩條通道組成，每條通道包括調(diào)頻信號輸入的乘法器、奇次跟蹤濾波器、欠采樣電路、低通濾波器、D/A轉(zhuǎn)換器、加法器，其中，調(diào)頻信號輸入的乘法器、奇次跟蹤濾波器、欠采樣電路、低通濾波器、D/A轉(zhuǎn)換器依次順序連接，D/A轉(zhuǎn)換器通過一D/A轉(zhuǎn)換器連接到加法器，加法器連接到帶通濾波器，再由帶通濾波器輸出調(diào)頻信號。
圖2是具體的設(shè)計方案。是圖1的具體實施電路，首先接收天線收到的射頻信號S(t)(見觀測點1)與本振信號fos＝5.03GHz進行正交解調(diào)獲得兩路位于奇次頻帶的中頻帶通信號Si(t)＝cos(2πf0kt+πKt2)(17)Sq(t)＝sin(2πf0kt+πKt2)式(17)中，f0k＝kB是中頻帶通信號的起始頻率，因為k＝9，所以式(17)可以進一步簡化為Si(t)＝cos(2πBt+πKt2)(18)Sq(t)＝sin(2πBt+πKt2)然后利用采樣頻率fs＝2B進行奇次頻帶中頻帶通信號的欠采樣，在基帶獲得反轉(zhuǎn)的調(diào)頻信號波形為Sis(t)＝cos(2πBt-πKt2)(19)Sqs(t)＝-sin(2πBt-πKt2)上面的兩路正交信號與中心頻率為f0k的中頻參考信號cos(2πf0kt)正交調(diào)制獲得輸出中頻帶通信號(見觀測點2)So(t)＝Sis(t)cos(2πf0kt)+Sqs(t)sin(2πf0kt)＝cos(2πBt-πKt2)cos(2πf0kt)-sin(2πBt-πKt2)sin(2πf0kt) (20)＝cos(2πf0kt+2πBt-πKt2)最后該中頻帶通信號與本振信號fos＝5.03GHz上變頻得到轉(zhuǎn)發(fā)的射頻信號St(t)＝cos(2πfct+2πBt-πKt2)(21)此時轉(zhuǎn)發(fā)射頻調(diào)頻信號與輸入有源編碼轉(zhuǎn)發(fā)器的調(diào)頻信號的調(diào)頻斜率正好相反，這樣就實現(xiàn)了輸入調(diào)頻信號調(diào)頻斜率的反轉(zhuǎn)。
圖3是輸入線性調(diào)頻信號的波形，該信號的調(diào)頻斜率為正，信號頻率由慢到快。
圖4是輸入線性調(diào)頻信號的頻譜結(jié)構(gòu)。
圖5是輸出線性調(diào)頻信號，比較圖3和圖5可以看到該輸出信號頻率由快到慢，其調(diào)頻斜率為負(fù)與輸入調(diào)頻斜率相反。
圖6是輸出調(diào)頻信號的頻譜結(jié)構(gòu)，比較圖6和圖4可以看到它們是關(guān)于中心頻率反轉(zhuǎn)的。
權(quán)利要求
1.一種調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的方法，通過欠采樣方法實現(xiàn)輸入調(diào)頻信號基帶頻譜的搬移，獲得偶次頻帶頻譜和奇次頻帶頻譜，其中輸入調(diào)頻信號偶次頻帶中的頻譜與其基帶中的頻譜關(guān)系一致，輸入調(diào)頻信號奇次頻帶中的頻譜與其基帶中的頻譜關(guān)于中心頻率反轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的方法，其特征在于，采用正交解調(diào)方法獲得兩路帶通信號，通過欠采樣方法，在基帶中分別實現(xiàn)兩路信號頻譜結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的方法，其特征在于，采用正交調(diào)制方法獲得輸出調(diào)頻信號，通過正交調(diào)制方法能夠獲得與輸入調(diào)頻信號相同的中心頻率和帶寬，但調(diào)頻斜率相反的輸出調(diào)頻信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的方法，正交解調(diào)的過程是，首先接收天線收到的射頻信號S(t)與本振信號fos進行正交解調(diào)獲得兩路位于奇次頻帶的中頻帶通信號Si(t)＝cos(2πf0kt+πKt2) (17)Sq(t)＝sin(2πf0kt+πKt2)式(17)中，f0k＝kB是中頻帶通信號的起始頻率，因為k＝9，所以式(17)可以進一步簡化為Si(t)＝cos(2πBt+πKt2) (18)Sq(t)＝sin(2πBt+πKt2)然后利用采樣頻率fs＝2B進行奇次頻帶中頻帶通信號的欠采樣，在基帶獲得反轉(zhuǎn)的調(diào)頻信號波形為Sis(t)＝cos(2πBt-πKt2)(19)Sqs(t)＝sin(2πBt-πKt2)上面的兩路正交信號與中心頻率為f0k的中頻參考信號cos(2πf0kt)正交調(diào)制獲得輸出中頻帶通信號So(t)＝Sis(t)cos(2πf0kt)+Sqs(t)sin(2πf0kt)＝cos(2πBt-πKt2)cos(2πf0kt)-sin(2πBt-πKt2)sin(2πf0kt) (20)＝cos(2πf0kt+2πBt-πKt2)最后該中頻帶通信號與本振信號fos上變頻得到轉(zhuǎn)發(fā)的射頻信號St(t)＝cos(2πfct+2πBt-πKt2) (21)此時轉(zhuǎn)發(fā)射頻調(diào)頻信號與輸入有源編碼轉(zhuǎn)發(fā)器的調(diào)頻信號的調(diào)頻斜率正好相反，這樣就實現(xiàn)了輸入調(diào)頻信號調(diào)頻斜率的反轉(zhuǎn)。
5.一種調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，由兩條通道組成，每條通道包括調(diào)頻信號輸入的乘法器、奇次跟蹤濾波器、欠采樣電路、低通濾波器、D/A轉(zhuǎn)換器、加法器，其中，調(diào)頻信號輸入的乘法器、奇次跟蹤濾波器、欠采樣電路、低通濾波器、D/A轉(zhuǎn)換器依次順序連接，D/A轉(zhuǎn)換器通過一D/A轉(zhuǎn)換器連接到加法器，加法器連接到帶通濾波器，再由帶通濾波器輸出調(diào)頻信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)采集技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于調(diào)頻信號調(diào)頻斜率反轉(zhuǎn)的調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)及方法。調(diào)頻信號頻譜反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)使用了欠采樣的系統(tǒng)設(shè)計方法。當(dāng)一路調(diào)頻信號輸入該系統(tǒng)后，通過正交解調(diào)方法獲得兩路位于奇次頻帶中的帶通信號，然后進行帶通信號的欠采樣獲得兩路基帶信號，最后通過正交調(diào)制方法獲得一路輸出調(diào)頻信號，輸出調(diào)頻信號具有與輸入調(diào)頻信號相反的調(diào)頻斜率。
文檔編號G01S7/28GK1971306SQ200510086970
公開日2007年5月30日 申請日期2005年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月24日
發(fā)明者王一丁, 楊虹, 趙實 申請人:中國科學(xué)院研究生院