一种变焦式全景微波频谱监测方法与流程

本发明属于射频微波通信技术领域，是一种变焦式全频段微波频谱监测系统。

背景技术：

dc-6ghz频谱资源消耗殆尽，5g及5gbeyond等通信系统必然往毫米波频段迁移。通信、雷达、导航等多种系统会使得无线电环境变得无比复杂，对毫米波频谱资源的规范，干扰信号的监测、定位等需求逐渐提上日程。由于传统接收机均为窄带接收机的模式，要完成全波段的扫描，需要消耗大量时间，对实时动态频谱捕获、检测和跟踪带来严重挑战。如果采用微波信号直接数字采样的宽带接收机模式，则需要使用极高采样率的adc器件，一方面成本高昂且处于禁运清单，即使能够实现也需要等待较长时间的时域采样以满足频谱分辨率的技术要求。压缩感知接收机则是一种近年出现的一种较好折中方案，在牺牲一定灵敏度的情况下，采用该方案可以有效降低adc器件的速率要求，并且满足超宽带实时接收的需求。但是，毫米波通信频段会延伸至60ghz附近，并且单载波频带宽度可以超过1ghz，这对经典压缩感知接收机的实现仍然是严峻挑战。因为，其经典结构仍然要求信号满足稀疏性要求，同时处理的有效信号带宽有限，例如200mhz总带宽。并且经典压缩感知接收机的信号灵敏度与窄带接收机相比有大幅下降，并且下降幅度在全频段是一致的。例如dc-3ghz压缩感知接收机的信号灵敏度理论极限在-75dbm左右，这会极大影响微弱信号的检测和解调。在毫米波通信的技术特征要求下，既能实现超宽带频谱监测，又能实现大带宽信号解调接收的能力，将是突破当前微波频谱监测难题的重要标志。

mwc(modulatedwidebandconverter)压缩感知接收机是一种在2010年提出的亚奈奎斯特采样接收机，其能运用于多频带信号。mwc接收机在系统前端利用伪随机周期序列对输入信号进行频谱混叠，将信号的高频信息搬移到基带频率处，然后对混频信号进行低通滤波和采样。由于采用了多个采样通道，每个采样通道都对信号进行不同的混频，因此能在后面的数字信号处理中从较多的混频信号采样值中恢复出相对稀疏的信号。

经典的mwc压缩感知接收机会将接收频段的所有信号基本均匀的混频至低频，并进行线性叠加，最后通过信号恢复算法进行信号还原。其采用的本振信号是随机序列，从统计上看本振信号在各离散频点上的功率水平应当比较均匀，能感知到整个频段上所有信号的分布，有利于所有频段信号的均匀接收与处理。但均匀接收的方案却不利于提高接收机灵敏度，并且高速随机本振实现困难，毫米波频段信号混频增益较低，且信号灵敏度极差，受噪声和干扰影响较大。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于mwc压缩感知接收机的dc-60ghz频率范围内的快速频谱监测系统，能够感知在此频段中的各个信号的频谱分布并且进行变焦式观测。

本发明一种变焦式全景微波频谱监测方法,该方法包括:

步骤1：将采集信号x(t)同时输入m条通道,且与每条通道中的本振pi(t)相混频，每个通道的本振信号pi(t)为周期相同时域波形不同的伪随机序列信号；

步骤2：将步骤1各通道中混频后的信号进入低通滤波器，然后对经过低通滤波的信号进行采样，获得数字信号yi[n]；

步骤3：根据获得数字信号进行数字信号处理，完成频谱感知，获得期望信号所在的频段；

步骤4根据当前信号的频谱分布，将原各通道中的本振信号pi(t)替换为自适应本振；所述自适应本振的生成方法为：

方法一：事先建立自适应本振库,该自适应本振库包括多个不同的本振信号,每个组的本振信号具有明显的选频特性,且各组本振信号选频的兴趣频段不同,根据步骤3频谱感知到的期望信号所在频段,选择对应的一组本振信号在所有通道中与采集信号x(t)进行混频，与传统的mwc压缩感知接收一样；

方法二：根据步骤3频谱感知到的期望信号所在频段,采用多个锁相环在对应频段产生多个单音信号，将产生的多个单音信号混合，根据采集信号的功率对混合后的单音信号进行功率调制，生成一组本振信号，使用此组本振信号在所有通道中与采集信号x(t)进行混频；

方法三：使用fpga直接即时生成，通过步骤3频谱感知到的期望信号所在频段，确定适合当前信号的本振信号频谱特征，反推出所需本振信号的时域的形态，由fpga产生最接近时域形态的序列组作为本振信号，将这组本振信号在所有通道中与采集信号x(t)进行混频；

步骤5：将步骤m个通道中混频后的信号各自进入低通滤波器，然后对经过低通滤波的信号进行采样，获得期望信号数字信号；对获得的期望信号数字信号进行传数字信号处理，完成信号恢复。

本发明改进了mwc压缩感知接收机，解决了其固有的缺点并且保留了其对频谱的感知能力，能从全景过渡到任意感兴趣频段范围，在不超过规范极限的任意感兴趣频段范围均能提供实时微波信号监测能力，随着同时捕获频段的带宽降低，信号灵敏度会自适应优化(变焦能力)。

本发明的技术方案是使用mwc压缩感知接收机感知整个频谱上的信号分布，再使用自适应的本振来实现变焦式观测，实现非均匀的频率聚焦能力，降低无信号频段的本振信号功率，增强兴趣频段混频增益，从而改善接收机灵敏度，抑制干扰信号对接收机后端的压力。使用低成本的集成在线测试法来测得本振信号傅里叶系数，加上信号恢复算法，实现对选定频段的信号的恢复。

附图说明

图1为系统的工作流程；

图2为分布在整个频谱上的各种信号；

图3为mwc压缩感知接收机的工作原理；

图4为自适应本振发生器

图5为伪随机本振信号频谱；

图6为mwc压缩感知接收机中频处的信号频谱；

图7为自适应本振频谱；

图8为本发明的接收机中频处的信号频谱。

具体实施方式

本发明结合附图，来说明整个变焦式频谱监测系统的工作原理，整个系统的工作流程如图1所示。

系统输入的多频带射频信号在整个频谱上分布着各种信号，假设多频带射频信号x(t)在频域上分布着3个不同的信号a,b,c如图2所示。频谱监测的第一步就是感知整个频谱，mwc接收机就能完成对频谱的感知。

mwc接收机的工作原理如图3所示。x(t)同时进入m条通道，并且分别与各条通道的本振pi(t)相混频，每个通道的本振信号pi(t)均是相同周期的伪随机序列信号，但每个本振的时域波形都不相同。混频后的信号进入低通滤波器，然后被adc采样成数字信号yi[n]。由于其本振是伪随机的序列，其频域上表示为不同幅度等间隔的多音形式，如图5所示。x(t)经过混频后，由于本振信号在频域上的特性，x(t)中分布在不同频段上的信号a,b,c都被搬迁到中频并进行了线性混叠，混叠后的中频信号频谱如图6所示。对于通过不同本振pi(t)混频的x(t)，其输出的中频信号也有所不同。由于输出信号yi[n]包含了输入信号的所有频谱分量的线性叠加，在后面通过数字信号处理可以完成对所有信号的频谱感知，实现对频域上信号的定位。

为了实现变焦式的观测，在完成使用mwc压缩感知接收机感知频谱后，原来的伪随机序列本振将不再被使用，转而使用自适应的本振，这也是本发明的重点。因为信号在频域上的分布信息已经在前面的感知阶段所获取，通过调节本振来实现对不同频段的信号的观测变得可能。采用的本振由自适应本振发生器产生，如图4。自适应本振其频域上有别于原来的伪随机本振，不需要将所有的信号都混频下来，只需要能把我们感兴趣的信号混频到中频就行。比如我们想接收信号a,b并且对c不感兴趣，那么自适应本振的频域可以如图7所示。使用此自适应本振之后的中频频谱如图8所示。通过调节自适应本振，我们能将位于不同频段上的射频信号搬移到中频，与此同时还能尽可能避免其他频段上的信号被搬移到中频。其能增加兴趣频段混频增益，从而改善接收机灵敏度，抑制干扰信号对接收机后端的压力，实现对观测频率的聚焦。

本振信号傅里叶系数的精确测试是实现信号还原的关键技术，当自适应本振受控改变时，预先测试傅里叶系数的工作量庞大，且受电路非理想因素影响较大，本发明采用低成本的集成在线测试方案，有利于自适应频谱控制方案的实现。再运用经典压缩感知接收机中的信号监测与恢复算法，完成对有用信号的恢复。