宽带信号频谱分析关键技术研究及系统实现

发布时间：2017-04-16 11:06

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【摘要】：基于数字处理的信号频谱分析技术具有测量速度快、实时性强等优点,长时间以来一直是国内外学者和工程师的研究热点,具有广泛的应用背景。然而随着现代科学技术的快速发展,在一些技术领域中,各种电子信号呈现出复杂化、多样化的特征,主要体现在信号频率范围越来越宽,传输载波频率越来越高,瞬时性及复杂度不断增加,信号非平稳特性迅速增长等等。基于传统硬件技术以及软件架构的模拟或者数字测量系统已难以实现这一类信号的快速分析与测试。宽带信号频谱分析测量需要实现高速高精度数据采集技术以及宽带数字信号分析处理技术的研究突破。电子信号带宽及载频的增长,对各种数字化信号分析测量设备的模数转换芯片(Analog-to-Digital Converter,ADC)采样速度与精度提出了很高的要求,同时,ADC输出采样数据的高速率也给后续数字信号处理芯片及整个信号测量系统带来了很大的压力。如何实现对输入宽带信号的高速高精度采样以及频谱分析测量是本文的主要研究内容。结合攻读博士学位期间参与的相关项目,针对宽带信号的采样、频谱分析等关键技术,本文主要从以下几个方面进行了深入的研究:(1)时间交替ADC(Time-Interleaved ADC,TIADC)并行采样系统。建立了等效的通道失配误差模型。借助于该误差模型,推导了系统中存在通道线性失配误差(偏置、增益及时间误差)情况下,TIADC采样输出信号的频谱表达式,并分析了通道失配误差对系统采样输出的影响。提出了两种简单易实现的前台通道失配误差估计算法:基于离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)的估计算法以及基于分数延迟和正弦拟合的估计算法,并通过仿真验证了其正确性及有效性;采用了基于FARROW结构的分数延迟滤波器实现通道失配误差的修正和补偿。(2)基于混合滤波器组(Hybird Filter Bank,HFB)的ADC并行采样系统或频率交替ADC(Frequency-Interleaved ADC,FIADC)并行采样系统。分析推导了该并行采样系统中信号完全重构条件,以及通道失配误差存在条件下系统输出信号频谱表达式,并对通道失配误差对系统采样输出的影响进行了分析。(3)数字下变频(Digital Down Converter,DDC)技术。在分析传统串行DDC结构处理高速ADC采样输出数据时的速度限制的基础上,基于信号多相表示,分析推导了几种高效率并行DDC实现结构,即乘法器后置、最小公倍数以及二次下变频结构等,可有效缓解数字信号处理芯片的处理速度压力。(4)数控振荡器(Numerically Controlled Oscillator,NCO)实现技术。对于实现的几种高效率并行DDC结构,分析推导了多路并行NCO输出本振信号与单路NCO本振信号相关参数之间的数学关系;基于输入宽带信号采样率及带宽等信息,分析讨论了并行DDC结构中实现多路NCO时相关参数的选取原则。(5)基于信道化的宽带信号频谱分析技术。结合信号多相理论及DDC理论,提出了基于信道化的宽带信号频谱分析技术,可实现将输入宽带信号频带划分为多个子频带。将得到的多个子带复信号分别下变频至基带,并分别做快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)变换以获取相应的频谱信息。分析推导了两种用于输入信号频带划分的信道化结构,即多相DFT结构和加权叠接相加(Weigthed OverLap-Add,WOLA)结构,提出了一种通带拼接技术按照一定规则合成各子带频谱信息。(6)信道化后续频率测量。讨论了信道化分析结构中,当输入信号为正弦信号(或单音信号)时的频率测量技术,即利用信道化输出基带复信号计算出基带信号频率,再根据信道划分方式求出输入正弦信号频率,给出了相应的计算公式。(7)数字信号截断误差抑制。数字信号处理过程中,受一些数字算法的计算精度影响,需要对运算过程中的中间数据做位宽截位处理,而直接丢掉低位数据会导致截位后信号质量下降。本文提出采用Dither技术来抑制数字信号处理过程中出现的信号截断误差,可有效提高截位后信号质量。(8)宽带信号频谱分析技术验证。介绍了一种宽带信号频谱分析系统的设计目标、总体结构以及关键算法实现方法等,并给出了实验平台测试结果。
【关键词】：时间交替并行采样 基于HFB的并行采样 宽带数字下变频 信道化结构 通带拼接 频率测量 截断误差抑制
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.6
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-22
• 1.1 研究背景13-15
• 1.2 研究现状15-19
• 1.2.1 并行采样技术15-16
• 1.2.2 数字下变频技术16-17
• 1.2.3 宽带信号分析技术17-18
• 1.2.4 Dither技术18-19
• 1.3 主要工作与结构安排19-22
• 第二章 频谱分析相关理论22-33
• 2.1 多速率信号处理22-29
• 2.1.1 信号的整数倍抽取22-25
• 2.1.2 信号的整数倍内插25-26
• 2.1.3 信号的多相表示26-29
• 2.2 抽取滤波器29-32
• 2.2.1 积分梳状滤波器29-30
• 2.2.2 半带滤波器30-32
• 2.3 本章小结32-33
• 第三章 ADC并行采样技术33-56
• 3.1 并行采样技术概述33-34
• 3.2 TIADC并行采样34-49
• 3.2.1 通道失配误差分析35-38
• 3.2.2 通道失配误差估计38-47
• 3.2.3 通道失配误差修正47-49
• 3.3 基于HFB的ADC并行采样49-54
• 3.3.1 概述49-52
• 3.3.2 通道失配误差分析52-54
• 3.4 两种ADC并行采样的关系54-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第四章 宽带信号数字下变频56-80
• 4.1 概述56-57
• 4.2 数字下变频原理57-63
• 4.2.1 数字正交混频57-59
• 4.2.2 数控振荡器59-63
• 4.3 高效DDC实现结构63-72
• 4.3.1 传统DDC结构速度限制63
• 4.3.2 传统DDC结构的改进63-72
• 4.4 并行DDC中的NCO实现72-78
• 4.4.1 抽取倍数选取72-73
• 4.4.2 分支相位推导73-75
• 4.4.3 仿真验证75-78
• 4.5 本章小结78-80
• 第五章 宽带信号信道化频谱分析80-111
• 5.1 引言80-81
• 5.2 滤波器组81-82
• 5.2.1 基本概念81
• 5.2.2 均匀滤波器组81-82
• 5.3 信道化数字下变频82-88
• 5.3.1 基本结构82-83
• 5.3.2 信道排列方式83-85
• 5.3.3 原型滤波器设计85-87
• 5.3.4 信道数与抽取倍数的选取87-88
• 5.4 多相DFT结构88-94
• 5.4.1 临界抽取88-89
• 5.4.2 非临界抽取89-92
• 5.4.3 仿真验证92-94
• 5.5 WOLA结构94-99
• 5.5.1 结构推导94-97
• 5.5.2 仿真验证97-99
• 5.6 通带拼接99-101
• 5.7 信道化后续频率测量101-104
• 5.8 数字信号截断误差抑制104-110
• 5.8.1 概述104
• 5.8.2 截断误差分析104-106
• 5.8.3 数字Dither抑制截断误差106-108
• 5.8.4 仿真验证108-110
• 5.9 本章小结110-111
• 第六章 宽带信号频谱分析系统实现111-124
• 6.1 设计目标111
• 6.2 总体结构111-113
• 6.3 频谱分析设计113-120
• 6.3.1 参数设置113-114
• 6.3.2 频谱分析实现结构114-116
• 6.3.3 频率分辨率分析116-117
• 6.3.4 频谱输出117-118
• 6.3.5 实时性分析118-120
• 6.4 测试结果120-122
• 6.4.1 通道失配误差校正测试120
• 6.4.2 宽带信号频谱分析测试120-121
• 6.4.3 频率分辨率测试121-122
• 6.5 本章小结122-124
• 第七章 总结与展望124-126
• 致谢126-127
• 参考文献127-134
• 攻读博士学位期间取得的成果134-136

  本文关键词：宽带信号频谱分析关键技术研究及系统实现，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：310658