一种宽带阵列天线压缩采样方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提出一种宽带阵列天线压缩采样方法及装置，将阵列天线中每个阵元接收的信号分为两路，一路与周期宽带模拟信号进行乘法运算后得到宽带调制信号，另一路与延迟后的周期宽带模拟信号进行乘法运算后得到延迟宽带调制信号；宽带调制信号以及延迟宽带调制信号分别经过低通滤波和模数转换后得到数字采样信号和延迟数字采样信号；所有阵元输出的数字采样信号形成一个虚拟天线线阵输出信号，所有阵元输出的延迟数字采样信号形成另一个虚拟天线线阵输出信号；对于两组输出信号，采用L阵测向得到阵列天线接收信号在空域和频域的分布状况，进一步采用波束形成算法得到空间各方向各频段的信号输出。本发明有效的降低信号采样率，完成信号的无失真恢复。
【专利说明】一种宽带阵列天线压缩采样方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于天线阵列信号处理【技术领域】和压缩感知【技术领域】，具体为一种宽带阵 列天线压缩采样方法及装置。
【背景技术】
[0002] 如果需要无失真地恢复模拟信号，根据Nyquist定理，采样率不能低于信号带宽 的两倍。随着技术发展，模拟信号的带宽急剧增加，而随之增加的Nyquist采样率为模数转 换器带来了巨大的压力。而压缩感知理论为我们突破Nyquist定理限制，以远低于Nyquist 频率的采样率进行采样提供了理论基础。该理论指出，如果信号在某一个空间中具有稀疏 性，这可以通过线性变化将信号变换到低维空间中，并且可以根据变换后的低维信号，无失 真的恢复出原信号。
[0003] 压缩感知理论是建立在数字信号的基础上的，无法直接应用于拥有无限维度的模 拟信号。针对该问题，目前的研究提出了两种重要的解决方法。第一种是模拟信息转换器， 该方法将模拟信号看作为多个单音信号的叠加。该方法在模拟部分使用随机调制，使信号 的频谱分量在基带混叠，然后使用亚Nyquist率进行采样。要较好的逼近真实的模拟信号， 需要数量较大的单频信号，这导致计算量较大。第二种是宽带调制转换器，该方法用分段连 续函数在频域对模拟信号进行建模，而非使用多个单频信号。该方法使用并行结构，由若干 组随机调制器，低通滤波器和低速率模数转换器组成。
[0004] 目前的这两种方法都是针对单个宽带模拟信号的压缩感知。在阵列天线领域，信 号有其独特的空频联合稀疏特性，若将以上的两种方法直接应用，将无法充分利用宽带阵 列信号的稀疏特性。
【发明内容】
[0005] 针对阵列宽带信号的压缩采样的研究空白，本发明利用阵列宽带信号在频域和空 域的稀疏特性，采用压缩采样结果，有效的降低信号采样率，并提出相应的信号恢复算法， 完成信号的无失真恢复。
[0006] 本发明的技术方案为：
[0007] 所述一种宽带阵列天线压缩采样方法，其特征在于：采用以下步骤：
[0008] 步骤1 :将阵列天线中每个阵元接收的信号经过调理后分为两路，一路信号与周 期宽带模拟信号进行信号乘法运算后得到宽带调制信号，另一路信号与延迟后的周期宽带 模拟信号进行信号乘法运算后得到延迟宽带调制信号；宽带调制信号以及延迟宽带调制信 号分别经过低通滤波和模数转换后得到数字采样信号和延迟数字采样信号；所有阵元输出 的数字采样信号形成第一个虚拟天线线阵输出信号，所有阵元输出的延迟数字采样信号形 成第二个虚拟天线线阵输出信号；所述周期宽带模拟信号的带宽大于阵列天线采样信号的 带宽，周期宽带模拟信号的延迟量沿阵元序列依次为""+幻，2*""+幻，3*""+幻，·· ，N*V(N+X)，t为周期宽带模拟信号的周期，N为阵列天线中的阵元个数，X为不小于2的整 数；
[0009] 步骤2 :对第一个虚拟天线线阵输出信号和第二个虚拟天线线阵输出信号，采用L 阵测向得到阵列天线接收信号在空域和频域的分布状况，进一步采用波束形成算法得到空 间各方向各频段的信号输出。
[0010] 所述一种宽带阵列天线压缩采样装置，其特征在于：包含模拟部分和数字处理部 分，模拟部分分为若干组宽带调制器，每组宽带调制器，由宽带周期信号生成器，模拟乘法 器，低通滤波器和模数转换器组成；阵列天线中每个阵元后接两组宽带调制器，每个阵元接 收到的信号经过调理后分为两路；一路信号进入一组宽带调制器后，与该组宽带调制器中 宽带周期信号生成器生成的周期宽带模拟信号一起输入模拟乘法器，由模拟乘法器输出宽 带调制信号，宽带调制信号经过低通滤波器，得到可采样的低频信号，低通滤波器输出低频 信号经过低速模数转换器，得到数字采样信号；另一路信号进入另一组宽带调制器后，与该 组宽带调制器中宽带周期信号生成器生成的经过延迟的周期宽带模拟信号一起输入模拟 乘法器，由模拟乘法器输出延迟宽带调制信号，延迟宽带调制信号经过低通滤波器，得到可 采样的延迟低频信号，低通滤波器输出延迟低频信号经过低速模数转换器，得到延迟数字 采样信号；所述周期宽带模拟信号的带宽大于阵列天线采样信号的带宽，周期宽带模拟信 号的延迟量沿阵元序列依次为V (N+X)，2*v (N+X)，3*v (N+X)，…，N*v (N+X)，t为周期宽 带模拟信号的周期，N为阵列天线中的阵元个数，X为不小于2的整数；所有阵元输出的数 字采样信号形成第一个虚拟天线线阵输出信号，所有阵元输出的延迟数字采样信号形成第 二个虚拟天线线阵输出信号；第一个虚拟天线线阵输出信号和第二个虚拟天线线阵输出信 号输出数字处理部分，采用L阵测向得到阵列天线接收信号在空域和频域的分布状况，进 一步采用波束形成算法得到空间各方向各频段的信号输出。
[0011] 有益效果
[0012] 本发明通过对天线接收到的射频信号进行宽带调制，得到不同频带信号在基带的 混叠信号，以此完成宽带模拟信号的压缩采样。通过对周期宽带模拟信号的时延控制，使得 天线阵输出的基带混频信号有类似于L阵天线输出信号的行为特征，并利用这一点，使用 常规的L阵测向和波束形成算法进行数据处理，以此完成压缩采样信号的无失真恢复。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本发明系统结构图（为了简洁，只画出了一个天线的部分，其余天线的部分 相同，所有天线的输出都同时输入到数字处理模块）。
[0014] 图2为本发明实施实例的二维测向结果。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合具体实施例描述本发明：本实施实例在以本发明技术方法为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施实例。
[0016] 本实施实例为一个20阵元的均匀直线天线阵，阵元间距为0. 15m，需要完成来自 不同方向的Ο-lGHz的信号的压缩米样和恢复，数模转换器的米样率为110MHz。
[0017] 采用的装置包含模拟部分和数字处理部分，模拟部分分为若干组宽带调制器，每 组宽带调制器，由宽带周期信号生成器，模拟乘法器，低通滤波器和模数转换器组成。
[0018] 阵列天线中每个阵元后接两组宽带调制器。每个阵元接收到的信号经过基本的滤 波放大处理后分为两路。
[0019] 一路信号进入一组宽带调制器后，与该组宽带调制器中宽带周期信号生成器生成 的周期宽带模拟信号一起输入模拟乘法器，由模拟乘法器输出宽带调制信号，模拟乘法器 输出的宽带调制信号经过低通滤波器，得到可采样的低频信号，低通滤波器输出低频信号 经过低速模数转换器，得到数字采样信号，该数字采样信号即为宽带调制器的输出。
[0020] 另一路信号进入另一组宽带调制器后，与该组宽带调制器中宽带周期信号生成器 生成的经过延迟的周期宽带模拟信号一起输入模拟乘法器，由模拟乘法器输出延迟宽带调 制信号，模拟乘法器输出的延迟宽带调制信号经过低通滤波器，得到可采样的延迟低频信 号，低通滤波器输出延迟低频信号经过低速模数转换器，得到延迟数字采样信号。
[0021] 所有阵元输出的数字采样信号形成第一组输出，类似于一个天线线阵输出，形成 第一个虚拟天线线阵输出信号；所有阵元输出的延迟数字采样信号形成第二组输出，类似 于另一个天线线阵输出，形成第二个虚拟天线线阵输出信号。第一个虚拟天线线阵输出信 号和第二个虚拟天线线阵输出信号输出数字处理部分，采用常规的L阵测向得到阵列天线 接收信号在空域和频域的分布状况，进一步采用波束形成算法得到空间各方向各频段的信 号输出。
[0022] 本发明中周期宽带模拟信号为波形可编程的周期宽带模拟信号，其带宽大于阵 列天线采样信号的带宽，周期宽带模拟信号的延迟量沿阵元序列依次为V(N+X)，2*t/ (N+X)，3*V (N+X)，…，N*V (N+X)，t为周期宽带模拟信号的周期，N为阵列天线中的阵元个 数，X为不小于2的整数。本实施例中周期宽带模拟信号的周期为10ns，在一个周期内，信 号由-1和1组成的符号序列构成，一共有22个符号，为（-1，-1，-1，+1，-1，-1，-1，-1，-1，+1 ，-1，-1-1，+1，-1，+1，-1，+1，-1，-1，-1，-1)，每个符号持续时间相同，为 10/22ns。所有天线 阵元的第一路宽带调制器使用相同的周期宽带模拟信号，相互之间没有时延，第二路宽带 调制器同样使用该周期宽带模拟信号，相对于第一路的周期宽带模拟信号，其时延分别为 10/22ns,2*10/22ns,…，20*10/22ns。
[0023] 本实施例中仿真模拟两个方向的入射信号，入射方向与阵列法线方向的夹角分别 为10°和30°，信号频率分别为510MHz和420MHz。第一个入射信号对应于两个虚拟线阵 的数字角频率分别为〇. 2782rad和1. 7062rad，第二个入射信号对应于两个虚拟线阵的数 字角频率分别为1. 〇l〇8rad和2. 1532rad。设天线接收到的信号的信噪比为-10dB。使用常 规的L线阵测向得到的两个虚拟线阵上信号的数字角频率与频率真值的对比如图2所示。
【权利要求】
1. 一种宽带阵列天线压缩采样方法，其特征在于：采用以下步骤： 步骤1 :将阵列天线中每个阵元接收的信号经过调理后分为两路，一路信号与周期宽 带模拟信号进行信号乘法运算后得到宽带调制信号，另一路信号与延迟后的周期宽带模拟 信号进行信号乘法运算后得到延迟宽带调制信号；宽带调制信号以及延迟宽带调制信号分 别经过低通滤波和模数转换后得到数字采样信号和延迟数字采样信号；所有阵元输出的 数字采样信号形成第一个虚拟天线线阵输出信号，所有阵元输出的延迟数字采样信号形成 第二个虚拟天线线阵输出信号；所述周期宽带模拟信号的带宽大于阵列天线采样信号的 带宽，周期宽带模拟信号的延迟量沿阵元序列依次为""+幻，2*""+幻，3*""+幻，·· ，N*V(N+X)，t为周期宽带模拟信号的周期，N为阵列天线中的阵元个数，X为不小于2的整 数； 步骤2 :对第一个虚拟天线线阵输出信号和第二个虚拟天线线阵输出信号，采用L阵测 向得到阵列天线接收信号在空域和频域的分布状况，进一步采用波束形成算法得到空间各 方向各频段的信号输出。
2. -种宽带阵列天线压缩采样装置，其特征在于：包含模拟部分和数字处理部分，模 拟部分分为若干组宽带调制器，每组宽带调制器，由宽带周期信号生成器，模拟乘法器，低 通滤波器和模数转换器组成；阵列天线中每个阵元后接两组宽带调制器，每个阵元接收到 的信号经过调理后分为两路；一路信号进入一组宽带调制器后，与该组宽带调制器中宽带 周期信号生成器生成的周期宽带模拟信号一起输入模拟乘法器，由模拟乘法器输出宽带调 制信号，宽带调制信号经过低通滤波器，得到可采样的低频信号，低通滤波器输出低频信号 经过低速模数转换器，得到数字采样信号；另一路信号进入另一组宽带调制器后，与该组宽 带调制器中宽带周期信号生成器生成的经过延迟的周期宽带模拟信号一起输入模拟乘法 器，由模拟乘法器输出延迟宽带调制信号，延迟宽带调制信号经过低通滤波器，得到可采样 的延迟低频信号，低通滤波器输出延迟低频信号经过低速模数转换器，得到延迟数字采样 信号；所述周期宽带模拟信号的带宽大于阵列天线采样信号的带宽，周期宽带模拟信号的 延迟量沿阵元序列依次为V (N+X)，2*V (N+X)，3*V (N+X)，…，N*V (N+X)，t为周期宽带模 拟信号的周期，N为阵列天线中的阵元个数，X为不小于2的整数；所有阵元输出的数字采 样信号形成第一个虚拟天线线阵输出信号，所有阵元输出的延迟数字采样信号形成第二个 虚拟天线线阵输出信号；第一个虚拟天线线阵输出信号和第二个虚拟天线线阵输出信号输 出数字处理部分，采用L阵测向得到阵列天线接收信号在空域和频域的分布状况，进一步 采用波束形成算法得到空间各方向各频段的信号输出。
【文档编号】H03M7/40GK104218954SQ201410428286
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】易舟维 申请人:中国电子科技集团公司第二十九研究所