一種采樣信號超精細頻譜的計算方法及系統技術方案

本發明專利技術公開了一種采樣信號超精細頻譜的計算方法及系統，屬于微弱信號檢測技術領域。計算超長采樣時間信號的頻譜，具有數據量大、對計算機內存需求大等問題。將超低帶寬的調制信號采樣數據序列進行等時長分段，依次對每一分段的數據進行正交解調、濾波、抽取等級聯處理，然后將分段處理結果序列按順序拼接，最后進行時頻變換，即可得到具備超精細頻率分辨率的信號頻譜。該計算方法，可大幅度降低時頻變換的數據量，從而在常規配置的計算機上完成對海量采樣數據的處理，得到毫赫茲甚至微赫茲級別頻率分辨率的信號頻譜，由此即可觀察了解信號的極低頻頻譜結構或極近端相位噪聲。本計算處理方法具有極強的通用性。處理方法具有極強的通用性。處理方法具有極強的通用性。

【技術實現步驟摘要】
一種采樣信號超精細頻譜的計算方法及系統


[0001]本專利技術屬于微弱信號檢測
，更具體地，涉及一種采樣信號超精細頻譜的計算方法及系統。

技術介紹

[0002]信號檢測與識別技術廣泛應用于航天、通信設備、衛星通訊、空間引力波探測等領域，是通信、航天裝備設計等領域的重要研究內容之一。
[0003]微弱信號的檢測與分析，需要極大程度提高信噪比，有效抑制噪聲對信號的干擾。分析與檢測極其靠近載頻的微弱信號十分困難，不僅需要提高信噪比，還需要獲得具有極高頻率分辨率的信號頻譜。目前，經典的信號頻譜估計方法有：周期圖法、自相關法、Bartlett法和Welch法。周期圖法又稱為直接頻譜計算法，它將隨機信號的N點觀察數據視為一個能量有限信號，直接對離散序列進行傅里葉變換得到信號的頻譜。自相關法又稱為間接法或BT法，該方法以維納—幸欽定理為理論基礎，要求信號長度N以外的信號為零，具有一定局限性。Bartlett法將隨機采樣序列x
N
(n)分成L段，每段數據長度都為N/L，將每一段數據加窗后計算功率譜，然后計算總的功率譜的平均。Welch法是以Bartlett法為基礎的改進，即允許每一段數據有部分交疊，且每一段數據窗口可選擇非矩形窗(例如使用漢寧窗、漢明窗等)，可以有效改善矩形窗旁瓣較大所引起的頻譜失真問題。由于受到采樣序列長度的限制，這些計算方法獲得的頻譜，其頻率分辨率都不夠高、且計算效率低下。
[0004]綜上，目前常用的信號頻譜計算方法的局限性在于：無法計算超長采樣時間、數據量極大的采樣序列的超精細頻譜。在常規配置的計算機條件下，要計算頻率分辨率達到毫赫茲甚至微赫茲級別的頻譜、觀察信號的超低頻頻譜結構、分析信號的極近端相位噪聲時，經典的頻譜分析與估計方法已無法滿足應用需求。

技術實現思路

[0005]針對現有技術的缺陷，本專利技術的目的在于提供一種采樣信號超精細頻譜的計算方法及系統，旨在解決現有信號頻譜計算方法中，無法計算具有超長采樣時間信號的頻譜，難以計算具有高采樣頻率、超大數據量的信號序列及其頻譜，以及獲得的信號頻譜的頻率分辨率較低、計算所需的硬件配置條件苛刻等問題。
[0006]為實現上述目的，本專利技術一方面提供了一種采樣信號超精細頻譜的計算方法，包括以下步驟：
[0007]步驟1、對于信號帶寬極小的超長采樣時間的調制信號采樣序列，根據采樣總時長T和采樣頻率f
s
，計算采樣序列的總采樣點數；
[0008]步驟2、根據預設的數據分段時長dT，對前述采樣序列進行等時長分段，在每一個分段內，對該信號序列進行數字正交下變頻和級聯濾波抽取處理，得到該分段數據的復基帶IQ數據序列，該復基帶IQ數據序列的數據率須滿足奈奎斯特低通采樣定理的最低要求；
[0009]步驟3、將各分段的復基帶IQ數據序列按序號進行拼接，得到對應于原采樣序列時
長、但數據率極低的完整時長復基帶IQ序列；
[0010]步驟4、對上述完整時長的復基帶IQ序列進行時頻變換，得到對應于原采樣序列的信號頻譜，該頻譜即具備超精細的頻率分辨率。
[0011]進一步地，在步驟1中，對有效帶寬極小的調制信號進行總時長為T的超長時間采樣時，采樣頻率f
s
須滿足奈奎斯特低通采樣定理的要求，即f
s
≥2f0+BW，其中，f0、BW分別為調制信號的中心頻率和有效帶寬。不采用帶通采樣的原因是避免因f0＞＞BW而使用高奈奎斯特頻帶時產生的有效幅度衰減，以及避免有效帶寬外的非穩定雜散或干擾可能產生的頻譜混疊。由此總的采樣點數極大，導致因計算機工作內存空間限制而無法一次性完成對該采樣序列的時頻分析。
[0012]進一步地，在步驟2中，對采樣序列進行分段時需保證數據連續性，即：相鄰兩個分段中不能出現重復采樣點或漏掉采樣點情況。
[0013]進一步地，在步驟2中，對分段數據序列進行數字正交下變頻和濾波抽取處理時，本振頻率設置為調制信號的中心頻率f0，低通濾波器的輸入/輸出信號帶寬比和抽取倍率均遠大于1，因此需要設計多級級聯的濾波
?
抽取單元來達到與單級高階濾波
?
抽取處理相同的效果，并大幅度降低計算量。
[0014]進一步地，在步驟2中，設計的多級級聯濾波
?
抽取單元，需要設置濾波器初始值，從而保證濾波輸出數據的正確性。對第m(m＝1,2,
…
,T/dT)個分段內下變頻至零中頻后的IQ復基帶數據序列s
m
進行級聯濾波
?
抽取處理時，如果設計的L級級聯濾波器的階數分別為P1,P2,
…
,P
j
?1,P
j
,
…
,P
L
(L≥2為正整數)，經過每一級濾波后分別抽取k1,k2,
…
,k
j
?1,k
j
,
…
,k
L
?1,k
L
倍，則濾波器初始值設置及抽取規則如下：
[0015]步驟2
?
1，考慮各級濾波器對輸入數據濾波處理時需要的初值條件，將第1個分段內L級級聯濾波器的濾波
?
抽取輸出序列，作為第2個分段內L級級聯濾波器的初始值。第1個分段數據的第一級濾波器輸入序列s1有N
m
個數據點，輸出序列y
1,1
抽取k1倍后得到序列z
1,1
。不考慮濾波器初始值，z
1,1
作為第二級濾波器輸入序列x
1,2
，此時序列x
1,2
中含有N
m
/k1個數據點。依此類推，最后一級級聯濾波器的輸入序列x
1,L
為上一級濾波器濾波并抽取k
L
?1倍的輸出序列z
1,(L
?
1)
，該序列中有N
m
/(k1×
k2…×
k
L
?1)個數據。第1個分段數據內，序列s1、z
1,1
、z
1,2
、
…
、z
1,(L
?
2)
、z
1,(L
?
1)
中的最后(P1?
1)、(P2?
1)、
…
、(P
L
?1?
1)、(P
L
?
1)個點作為第二個時段的L級級聯濾波器的初始值。為保證第1個分段內各級濾波器濾波
?
抽取后，具有足夠正確的輸出數據點數作為第2個分段內各級濾波器的初始值，輸入序列s1的總數據點數N
m
需滿足條件：
[0016]N
m
≥[(P1?
1)+k1·
(P2?
1)+k1k2·
(P3?...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種采樣信號超精細頻譜的計算方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、對調制信號采樣序列，根據采樣總時長T和采樣頻率f
s
，計算采樣序列的總采樣點數；步驟2、根據預設的數據分段時長dT，對所述采樣序列進行等時長分段，在每一個分段內，對該信號序列進行數字正交下變頻和級聯濾波抽取處理，得到該分段數據的復基帶IQ數據序列；步驟3、將各分段的復基帶IQ數據序列按序號進行拼接，得到對應于原采樣序列時長的完整時長復基帶IQ序列；步驟4、對上述完整時長復基帶IQ序列進行時頻變換，得到對應于原采樣序列的信號頻譜，該頻譜即具備超精細的頻率分辨率。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1中采樣頻率f
s
須滿足奈奎斯特低通采樣定理的要求，即f
s
≥2f0+BW，其中，f0、BW分別為調制信號的中心頻率和有效帶寬。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2中對采樣序列進行分段時需保證數據連續性，即相鄰兩個分段中不能出現重復采樣點或漏掉采樣點情況。4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2中在每一個分段內，對該信號序列進行數字正交下變頻時，本振頻率設置為調制信號的中心頻率f0。5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2中對第m個分段內下變頻至零中頻的IQ復基帶數據序列s
m
進行級聯濾波
?
抽取處理時，若設計的L級級聯低通濾波器的階數分別為P1、P2、
…
、P
j
?1、P
j
、
…
、P
L
，經過每一級濾波后分別抽取k1、k2、
…
、k
j
?1、k
j
、
…
、k
L
倍，其中，m＝1,2,
…
,T/dT，L≥2，且L為正整數，2≤j≤L，則各級濾波器的初始值設置及抽取規則如下：步驟2
?
1、考慮各級濾波器對輸入數據濾波處理時需要的初值條件，將第1個分段的L級級聯濾波器的濾波
?
抽取輸出序列，作為第2個分段的L級級聯濾波器的初始值；第1個分段的第一級濾波器輸入序列s1有N
m
個數據點，輸出序列y
1,1
抽取k1倍后得到序列z
1,1
；不考慮濾波器初始值，z
1,1
作為第二級濾波器輸入序列x
1,2
，此時序列x
1,2
中含有N
m
/k1個數據點；依此類推，最后一級濾波器的輸入序列x
1,L
為前一級濾波器輸出并抽取k
L
?1倍的輸出序列z
1,(L
?
1)
，該序列中具有N
m
/(k1×
k2…×
k
L
?1)個數據；第1個分段內，序列s1、z
1,1
、z
1,2
、
…
、z
1,(L
?
2)
、z
1,(L
?
1)
中的最后(P1?
1)、(P2?
1)、
…
、(P
L
?1?
1)、(P
L
?
1)個點作為第2個分段的L級級聯濾波器的初始值；為保證第1個分段數據的各級濾波
?
抽取輸出數據序列具有足夠的數據點數作為第2個分段數據的各級濾波器的初始值，要求輸入序列s1的總點數N
m
須滿足：N
m
≥[(P1?
1)+k1·
(P2?
1)+k1k2·
(P3?
1)+
…
+(k1k2…
k
L
?2k

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬洪，張月容，張華，馬婧聞，黃鼎，劉琦，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：