一种超宽带信号的快速混合采样方法
【专利摘要】本发明公开了一种超宽带信号的快速混合采样方法，该方法包括：对周期性超宽带信号的实时采样频率进行设定，使得实时采样频率与超宽带信号的重复频率形成一个非整数倍的频率差；用实时采样频率对周期性超宽带信号的多个重复周期进行采样；对采集到的采样点进行重新排序，获得按照预定采样率进行采样的采样序列。本发明的采样方法解决了现有等效采样方法存在的采样效率低下、需要专用延时电路以及延时不准确等问题，在不需要专用延时电路的情况下，提高了采样效率，减少了采样误差，同时减小了硬件系统设计的复杂度，便于系统调试。
【专利说明】一种超宽带信号的快速混合采样方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超宽带微波探测【技术领域】，尤其是一种超宽带信号的快速混合采样方法。
【背景技术】
[0002]超宽带信号由于其高分辨率在微波探测【技术领域】广泛应用，在这些系统中信号带宽往往达到IGHz甚至数GHz，对超宽带信号的采样越来越成为超宽带系统需要解决的关键问题之一。根据奈奎斯特采样定理，采样频率至少大于被采样信号带宽的两倍，因此对于信号带宽为IGHz甚至数GHz的超宽带信号，需要的采样频率将高达数GHz甚至几十GHz。如此高采样率的采样芯片价格非常昂贵，甚至无法获得。
[0003]目前，一般采用等效采样的方法来解决这个问题，等效采样是一种变换采样，其利用待采样信号的周期性或者准周期性的特点，在待采样信号出现的每一个单周期内仅进行一次采样，经过信号的多个重复周期后，就能够获得重建信号一个周期内波形的所有样本。其具体过程是:信号是周期的或准周期的，在单个周期内，仅获取一个取样，相邻的两个周期内取样相对时刻增加一个等值的步进，最后一个周期取样后，累积步进归零开始下一轮信号采样。等效取样系统相对于实时取样系统，需要增加精确的小步进的延时电路。
[0004]目前的等效采样方法在应用中存在以下问题:
[0005]1、采样效率低下。因为每个信号周期只进行一次采样，要得到一个信号周期完整的采样数据需要经过多个重复周期的采样后才能获得，采样效率低下甚至于无法满足工程应用，尤其对于编码体制的超宽带雷达，码长越长，采样点数越多，完成一个信号周期完整的采样数据的时间就越长。
[0006]2、需要增加小步进的延时电路。目前的等效采样方法需要对采样时钟不断延时以实现不同的信号周期采集到不同的采样点，因此必须增加延时电路。
[0007]3、延时不准确。延时电路延时的准确度和精度是保证信号采样质量的一个重要因素，目前常用的延时电路采用专用延时芯片来实现，存在延时芯片延时精度不够以及不同延时芯片的延时单元量有偏差，这将导致延时不准确，采样误差加大，影响信号的采样质量，进而影响超宽带系统的测量精度。
[0008]针对上述问题，本发明提出了一种快速混合采样方法，在解决高速采样芯片价格昂贵甚至难以获取的问题的同时，解决了现有等效采样方法存在的问题，在不增加专用延时电路的基础上提高了采样效率，减小了采样误差，同时减小了系统设计的复杂度。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是克服现有技术存在的问题，提出一种超宽带信号的快速混合采样方法，在不需要专用延时电路的同时，提高了采样效率，减小了超宽带信号的采集误差。该方法的采用不仅可降低硬件系统研制的复杂度，提高系统的稳定度，同时使得超长编码体制超宽带雷达的实现成为可能。[0010]为达到上述目的，本发明提出一种超宽带信号的快速混合采样方法，该方法包括以下步骤:
[0011]步骤I,确定预定的采样频率fs ；
[0012]步骤2，根据超宽带信号的重复周期T和预定的采样频率fs，确定按照预定采样频率fs采样时，一个周期内采集的采样点数N ；
[0013]步骤3，确定降采样率M，其中，M < N，且M与N的最大公约数为I ;
[0014]步骤4，根据预定采样频率fs和降采样率M，确定实时采样频率fr ；
[0015]步骤5，使用所述步骤4确定的实时采样频率fr对周期性超宽带信号的M个重复周期进行采样，完成一个周期的数据采集；
[0016]步骤6，对采集到的一个周期的N个采样点按照采样的先后顺序以脚标的形式标明其序号，其中，脚标为{1，M+1，2M+1，...(N-1)M+1}，采样序列可表示为{a1; aM+1，
a2M+l...a (N-1) M+J ;
[0017]步骤7，对所述步骤6中完成序号标注的N个采样点的脚标，进行对N求模，使得脚标的范围为I?N,所述采样序列表示为{a1; aM+1,...aN_M+1}；
[0018]步骤8，按照所述步骤7中采样点脚标从小到大的顺序对所述N个采样点重新进行排列，得到所需要的按照预定采样频率fs采样后的采样序列{a1; a2，a3...aN}。
[0019]本发明的有益效果是:通过算法设计，使实时采样频率与超宽带信号的重复频率之间形成一个非整数倍数的频率差，从而达到一种延时效果，实现了混合采样，降低了采样率，减少了高速采样芯片的使用，同时减少了延时电路的使用，在提高采样效率和采样精度的同时简化了电路设计。可通过保证基准时钟的稳定度来提高采样精度，在实现方法上更加便利。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明超宽带信号快速混合采样方法的流程图。
[0021]图2是对周期等于10的信号，采用本发明方法实现降采样率为3的采样流程。
【具体实施方式】
[0022]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0023]在对本发明进行进一步地介绍之前，首先作如下设定:
[0024]信号S是一个周期m序列编码信号，码长为511，带宽为B = L 6GHz，中心频率为
1.6GHz，重复周期 T = 638.75ns。
[0025]图1是本发明周期性超宽带信号快速混合采样方法的流程图，结合具体实施例，所述方法包括以下步骤:
[0026]步骤I,确定预定的采样频率fs ；
[0027]图1 (a)所示为重复周期为T，重复频率f = I/T，带宽为B的超宽带信号；根据奈奎斯特采样定理，要求采样频率fs至少大于被采样信号带宽的两倍，在该实施例中，即要求fs > 3.2GHz，在该步骤中，预定采样频率选取为fs = 6.4GHz ；
[0028]步骤2，根据超宽带信号的重复周期T和预定的采样频率fs，确定按照预定采样频率fs采样时，一个周期内采集的采样点数N ；
[0029]该步骤中，一个周期内应该采集的采样点数N为:N = TXfs = 638.75X6.4 =4088，如图1(b)所示；
[0030]步骤3，根据系统的要求确定降采样率M，其中，M < N，且M与N的最大公约数为1，在该步骤中，选取M = 25 ；
[0031]步骤4,根据预定采样频率fs和降采样率M,确定实时采样频率fr,其中，fr = fs/M = 6.4GHz/25 = 256MHz ；
[0032]该步骤中，若计算得出的fr在工程上难以实现，则返回到所述步骤1，对预定采样频率fs的数值进行微调。
[0033]所述实时采样频率fr与信号重复频率f是非整数倍数关系，从而使得以实时采样频率fr对信号进行采样时，每经过一个周期就会产生一个时间差值，该差值是实时采样频率fr经过M个信号周期以后能够采集到按照预定采样率fs采样的所有N点的保证。
[0034]步骤5，使用所述步骤4确定的实时采样频率fr对周期性超宽带信号的M个重复周期进行采样，完成一个周期的数据采集；
[0035]采样时，使用所述实时采样频率fr = 256MHz对周期性超宽带信号进行采样保持和模数转换ADC，经过M次采样，获取N = 4088个采样点后即完成一个周期的数据采集，采样时间为MXT，采样点数为N，如图1(c)所示；
[0036]所述实时采样频率fr与所述超宽带信号的重复频率f为同一个基准信号源产生，并且具有很高的时钟稳定度，以保证延时的准确度和精度。
[0037]步骤6，对采集到的一个周期的N个采样点按照采样的先后顺序以脚标的形式标明其序号，其中，脚标为{1，M+1，2M+1，...(N-1)M+1}，采样序列可表示为{a1; aM+1，a2M+1...a(N_1)M+1}，在一实施例中，N = 4088，M = 25，则脚标为{1，26，41，...102176}；
[0038]步骤7，对所述步骤6中完成序号标注的N个采样点的脚标，进行对N求模，使得脚标的范围为I?N,这样采样序列就可表示为...aN_M+1},在一实施例中，N = 4088,M = 25，则米样序列为 Ia1, a26, a41，...a4(l64}；
[0039]步骤8，按照所述步骤7中采样点脚标从小到大的顺序对所述N个采样点重新进行排列，即可以得到所需要的按照预定采样频率fs = 6.4GHz采样后的采样序列{a1; a2，a3...aN},如图1 (d)所示,在一实施例中,N = 4088,则所述采样序列为..a4088}。
[0040]为了更容易理解本发明所提出的快速混合采样方法的采样过程，下面结合图2，对N=IO的周期信号，当降采样率M = 3时，采用本发明的快速混合采样方法进行采样的流程进行说明。图2(a)所示为一周期信号按照预定的采样频率fs采样后形成的采样序列，降采样率μ = 3，图中箭头处为按照实时采样率fr进行采样的采样点，即将预定的采样率fs降低了 3倍，从图2(a)中可以看出，该周期信号按照预定的采样频率fs采样后一个周期内的采样点数N = 10 ;图2(b)为按照本发明提出的快速混合采样方法采样后得到的采样序列；图2((:)为对图2(b)的采样序列进行重新排列后的采样序列，从图2(c)中可以看出，经过对周期信号3个重复周期的采样，本发明达到了该信号按照预定采样率fs进行采样的结果O
[0041]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种周期性超宽带信号的快速混合采样方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤I，确定预定的采样频率fs ； 步骤2，根据超宽带信号的重复周期T和预定的采样频率fs，确定按照预定采样频率f s采样时，一个周期内采集的采样点数N ； 步骤3，确定降采样率M，其中，M < N，且M与N的最大公约数为I ; 步骤4，根据预定采样频率fs和降采样率M，确定实时采样频率fr ； 步骤5，使用所述步骤4确定的实时采样频率fr对周期性超宽带信号的M个重复周期进行采样，完成一个周期的数据采集； 步骤6，对采集到的一个周期的N个采样点按照采样的先后顺序以脚标的形式标明其序号，其中，脚标为U，M+l, 2M+1,…(N_1)M+1},米样序列可表不为{a^ aM+1, a2M+1...a(N_DM+J ; 步骤7，对所述步骤6中完成序号标注的N个采样点的脚标，进行对N求模，使得脚标的范围为I~N,所述采样序列表示为{a1; aM+1,...aN_M+1}； 步骤8，按照所述步骤7中采样点脚标从小到大的顺序对所述N个采样点重新进行排列，得到所需要的按照预定采样频率fs采样后的采样序列{a1; a2，a3...aN}。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定的采样频率fs至少大于被采样信号带宽的两倍。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采样点数N为:N= TX fs。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实时采样频率fr为:fr= fs/M。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实时采样频率fr与所述超宽带信号的重复频率f是非整数倍数关系。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若计算得出的所述实时采样频率fr在工程上难以实现，则返回至所述步骤1，对所述预定的采样频率fs的数值进行微调。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，采样时，使用所述实时采样频率fr对周期性超宽带信号进行采样保持和模数转换。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实时采样频率fr与所述超宽带信号的重复频率f为同一个基准信号源产生，并且具有很高的时钟稳定度。
【文档编号】H03M1/12GK103634006SQ201310154204
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年4月28日 优先权日:2013年4月28日
【发明者】张群英, 王伟, 方广有 申请人:中国科学院电子学研究所