[發明專利]多通道大動態信號的采樣方法

在審

• 申請號: 201710835514.2
• 申請日: 2017-09-15
• 公開（公告）號: CN107749764A
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發明（設計）人: 張波;鐘瑜;方科
• 申請（專利權）人: 西南電子技術研究所（中國電子科技集團公司第十研究所）
• 主分類號: H04B1/16
• 分類號: H04B1/16;H04B1/00
• 代理公司: 成飛(集團)公司專利中心51121
• 代理人: 郭純武

技術領域

本發明涉及一種能夠同時處理大于8個通道數，單個信號動態變化范圍大于80dB，不同通道信號的功率相差80dB以上的多通道大動態信號的采樣方法。

背景技術

在數字信號處理過程中，采樣作為重要的一步，將直接影響到后續數字信號處理的結果。高精度采樣和信號的實時重構作為影響幾乎所有數字信號處理方法性能的重要因素，越來越多的引起了人們的廣泛關注，并逐漸成為了研究的熱點之一。隨著數字信號處理技術應用范圍的擴大，所需要處理的信號的頻帶寬度范圍也越來越大。隨著被采樣的模擬信號帶寬的增大，保持高精度采樣就愈加困難。由采樣定理可知：信號的最低無失真采樣頻率與被采樣信號的帶寬有關，被采樣信號的帶寬越寬，所需要的最低無失真采樣頻率越高，即要求模/數轉換器件(ADC)的轉換速率越高。寬帶信號的采樣精度取決于所選用的ADC的轉換速度和量化精度，即要求ADC同時具有高速和高精度的特點。然而，由于受到半導體工藝的影響，ADC的速度和精度總是一對矛盾。一般說來，具有較高轉換速度的ADC都不具有高轉換精度，同樣，精度高的ADC都不具有高轉換速度，同時兼顧采樣速度和精度的ADC尚未出現。近幾年來，單片ADC的采樣速率有了一定的提高，但采集到的數據在存儲和傳輸時仍然會受到存儲器速度和其它所用器件速度的限制。另外，在高速數據采集系統中，按ADC所給出的速度指標全速進行采樣也是不可取的。全速采樣下的ADC的有些指標會有所降低，而且功耗很大，這些都會給電路的實際工作帶來許多問題，因此，通常應該給ADC留有一定的裕量，這也使得ADC的采樣速率受到了相當大的限制。寬帶信號的高精度采樣及其重構問題是現代通信系統、雷達系統中的“寬帶數字接收機”和高性能儀器儀表(如數字濾波器、頻譜分析儀等)系統中的關鍵技術。

近年來大規模集成電路與計算機的迅速發展，有力地推動了信號處理技術的發展，使信號處理的理論和方法日趨完善，并被廣泛地應用于通信、物理、醫學、天文等諸多技術領域。由于信號處理應用領域的不斷擴大，也促使人們對信號進行細分，以便于向更深的層次探索。從信號帶寬考慮，信號可以分為窄帶信號、寬帶信號和超寬帶信號三類。這三類信號沒有嚴格的帶寬界定標準，一般傳統觀點認為包括單頻的余弦信號在內，頻帶寬度小于10MHz的信號為窄帶信號，頻帶寬度在十幾兆至幾百兆的信號為寬帶信號，頻帶寬度接近和高于1000MHz的信號為超寬帶信號。窄帶信號在大多數情況下只要用單個的ADC進行采樣就可以達到高精度的目的；在滿足采樣定理的前提下，寬帶信號一般也可用單個的高速ADC進行采樣，但一般精度較低，不能進行高精度采樣，無法滿足大動態范圍的要求，且電路的硬件成本較高；對于超寬帶信號，在滿足采樣定理的前提下，現有條件一般很難用單個ADC進行采樣。

目前在無線通信中常用的信號過程是將射頻輸入信號與本地振蕩器產生的信號相乘或差拍，由混頻器后的中頻濾波器選出射頻信號與本振信號兩者的和頻或差頻，然后對選擇出的中頻信號進行放大后通過模數轉換器AD進行采樣，通常把這種處理結構稱為超外差結構。對于超外差結構，對于單個信號的處理效果非常好，具有動態適應性好，對處理器件要求低的特點。對于類似航空電子設備等復雜電子系統，由于需要處理的信號數量多、信號分布在不同的頻段、帶寬各不相同、功率有大有小，如果仍然按照傳統的超外差結構單獨對每路信號進行混頻、濾波、放大、采樣等處理，每個通道的信號都需要前置濾波、放大、產生本幀、混頻、中頻濾波、放大、采樣等處理，為了防止處理過程中各種信號的相互干擾，每個處理通道都需要單獨進行屏蔽和封裝，這些復雜的處理過程會導致系統結構復雜，體積、重量難以降低。

雖然多通道動態數據采集系統有著廣泛的應用市場和發展空間，但是由于該系統涉及多通道實時同步數據采集、多級抗混頻濾波器、多種信號源控制、大量復雜數字信號處理等諸多領域的知識，使得動態測試與分析系統的開發變得十分復雜。隨著大規模集成電路和數字信號處理技術的發展，以及大量算法和理論的涌現出現，現在，數字技術已經在各種信號處理系統中得到廣泛應用，數字芯片的性能獲得了快速發展，處理精度、速度、規模都達到了很高的水平。高速模數轉換器AD的采樣率已經可以達到5GSPS以上，能夠處理的信號帶寬達到了1GHz以上；高性能現場可編程門陣列FPGA芯片的規模達到了千萬門級以上，能夠完成對超大規模計算過程的實時處理。因此對以往需要處理多通道信號的復雜電子系統的處理結構采用高性能數字處理芯片進行優化便成為可能。

發明內容