阅读说明：本技术 一种高概率宽带信号精确测量系统和方法 (High-probability broadband signal accurate measurement system and method ) 是由 陈吉欣 鄢勃 师勇 陈少勇 于 2020-03-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高概率宽带信号精确测量系统和方法,所述系统包括：具有两路输出端的射频功分器、宽带接收机、具有n路输出端的时间缓存模块、n个射频变换单元和n个窄带接收机；射频功分器的2路输出端分别连接宽带接收机和时间缓存模块的输入端；宽带接收机的输出端连接每个射频变换单元和窄带接收机；时间缓存模块的n路输出端经n个射频变换单元与n个窄带接收机一一对应连接。本发明采用宽带引导窄带信号接收处理,结合宽带信号时间缓存技术,有效解决了窄带接收机与宽带接收机准确时间匹配接收的难题,在保证信号不丢失的基础上,实现对多种类型的宽带信号高灵敏度、高精度、实时参数测量能力。(The invention discloses a high-probability broadband signal accurate measurement system and a method, wherein the system comprises: the system comprises a radio frequency power divider with two paths of output ends, a broadband receiver, a time cache module with n paths of output ends, n radio frequency conversion units and n narrow-band receivers; the 2-path output end of the radio frequency power divider is respectively connected with the input ends of the broadband receiver and the time cache module; the output end of the broadband receiver is connected with each radio frequency conversion unit and the narrow-band receiver; and n paths of output ends of the time cache module are correspondingly connected with n narrow-band receivers one by one through n radio frequency conversion units. The invention adopts the broadband to guide the narrow-band signal receiving processing, combines the broadband signal time caching technology, effectively solves the problem of accurate time matching receiving of the narrow-band receiver and the broadband receiver, and realizes the high sensitivity, high precision and real-time parameter measurement capability of various broadband signals on the basis of ensuring that the signals are not lost.)

一种高概率宽带信号精确测量系统和方法

技术领域

本发明涉及宽带射频信号检测领域，尤其是一种高概率宽带信号精确测量系统和方法，可用于无线电频谱监测、目标侦察等电子设备中的射频信号参数高精度快速提取和测量。

背景技术

无线电频谱监测、目标侦察等电子设备必须通过接收和处理来自外界的射频信号实现对辐射源特性的分析和识别，从而获得精确的电磁频谱态势。由于辐射源为非配合对象，目标数量、信号类型及参数会在宽瞬时频率范围内存在不确定分布。特别是在数字信号处理的发展基础上，辐射信号的频率、脉冲宽度、脉冲周期、幅度等参数具有更加灵活的变化能力，这给传统的信号接收带来了极大挑战。

目前，在频谱监测、目标侦察等电子设备中，为了对复杂电磁环境中的宽带射频信号进行接收和处理，基本都是采用相应的接收机实现这些功能，如瞬时测频接收机、数字化接收机。瞬时测频接收机为模拟信号处理体制，具有瞬时带宽大、响应时间快、实现架构简单等优点，但是存在灵敏度低、信号参数测量准确性低、多信号适应能力差等问题。数字化接收机采用模拟数字转换器将输入射频信号转换为数字信号，然后通过信号处理器经过复杂的数学运算计算出信号参数。数字化接收机具有灵敏度高、处理方式灵活、多信号适应能力强等优点，但是受到高速模拟数字转换器和信号处理器的性能限制，单个接收通道的最大瞬时处理带宽不超过1GHz。为了实现更宽瞬时频率范围(如6～18GHz)的工作能力，只能采用多个接收通道并行拼接来扩展工作带宽，这时接收系统的体积、功耗、复杂度、成本等相当高。当频谱监测、目标侦察等电子设备需要同时对多个天线单元在宽瞬时频率范围内实时接收信号时，如多信号同时测量、目标信号方向测量。这种拼接式宽带接收系统在工程上不仅实现非常困难，而且根本无法应用。另外，由于数字化接收机需要采用大量复杂的数学变换和运算得到信号参数，实时处理能力和参数测量精度相互限制，无法同时满足对信号高精度和实时接收处理的需求。为了保证实时接收处理能力，传统的数字化接收机仅能采用固定数据长度的信号处理方法，这种方法对不同类型信号的测量灵活性和精确性较差。为了提高信号参数的测量精度，接收机必须增加信号处理数据长度及时间，这就会在密集电磁环境中造成很高的到达信号丢失概率，严重影响对目标完整特性的识别。

为了实现宽带、高概率、高精度、实时接收和测量信号的需求，接收系统在瞬时频率范围、处理时间、高精度参数测量等方面需要具备很高的能力。现有单一的接收机无法同时满足所有性能，仅在一定的条件下，实现部分性能。例如，数字化接收机在瞬时带宽1GHz工作下，为了提高接收灵敏度和频率测量精度，必须增加信号处理数据长度，这会极大增加计算处理资源和响应时间后面排队的信号无法进入处理流程，造成信号丢失和接收系统崩溃。

发明内容

本发明的目的为：提供一种高概率宽带信号精确测量系统和方法，以解决现有单一接收机存在的缺点，本发明的方法具有带宽大、截获概率高、参数测量精度高、工程实现简便的优点，对于无线电频谱监测、目标侦察等电子设备中宽带射频信号接收和处理具有实际的应用价值。

本发明采用的一种高概率宽带信号精确测量系统，包括：具有两路输出端的射频功分器、宽带接收机、具有n路输出端的时间缓存模块、具有n个射频变换单元的多通道射频变换模块和具有n个窄带接收机的多通道窄带接收模块；射频功分器的2路输出端分别连接宽带接收机和时间缓存模块的输入端；宽带接收机的输出端连接每个射频变换单元和窄带接收机；时间缓存模块的n路输出端经n个射频变换单元与n个窄带接收机一一对应连接。

进一步地，所述时间缓存模块包括电光转换单元、具有n路输出端的光功分器、n个光纤延迟线和n个光电转换单元；电光转换单元的输入端作为时间缓存模块的输入端与射频功分器的其中1路输出端连接，电光转换单元的输出端与光功分器的输入端连接；光功分器的n路输出端经n个光纤延迟线与n个光电转换单元一一对应连接；n个光电转换单元的输出端即为时间缓存模块的n路输出端。

进一步地，所述多通道射频变换模块中的每个所述射频变换单元均包括依次连接的混频器、窄带滤波器和低噪声放大器，以及与混频器连接的可调本振。

进一步地，所述多通道窄带接收模块中的每个所述窄带接收机均包括依次连接的模拟数字转换器和高速信号处理器。

本发明还提供一种高概率宽带信号精确测量方法，所述方法包括：

宽带射频信号输入到测量系统中，经射频功分器分成两路，一路输入宽带接收机，另一路输入时间缓存模块；

宽带接收机对输入其中的宽带射频信号进行快速测量，当输入信号中包含n个同时到达信号时，得到n个射频信号的粗略参数，并生成引导信息发送到每个射频变换单元和窄带接收机；所述粗略参数包括宽带射频信号的类型、频率和到达时间；所述引导信息包括地址码、信号类型码、频率码、时间码和数据长度码；

时间缓存模块将输入其中的宽带射频信号进行时间缓存；

根据相应的引导信息，多通道射频变换模块中的n个射频变换单元将经过时间缓存后的n路宽带射频信号转换为n个中频信号；

多通道窄带接收模块中的n个窄带接收机对n个中频信号进行精确测量，得到输入的n个射频信号的精确测量结果。

进一步地，所述时间缓存模块将输入其中的宽带射频信号进行时间缓存的实现方法为：

电光转换单元将输入其中的宽带射频信号转换为幅度调制的光信号；

光功分器将光信号分为n路；

n个光纤延迟线分别对n路光信号进行时间延迟；

n个光电转换单元将时间延迟后的n路光信号还原为n个宽带射频信号。

进一步地，所述光纤延迟线对光信号进行时间延迟的延迟时间由光纤延迟线的长度决定，计算公式如下：

τ＝n_oL/c

其中，τ为延迟时间，n_o为光纤延迟线折射率，L为光纤延迟线长度，c为真空中光速。

进一步地，在n个光纤延迟线对n路光信号进行时间延迟时，每路的延迟时间可以设置相同，也可以设置不同。

进一步地，所述多通道射频变换模块中的每个所述射频变换单元将经过时间缓存后的宽带射频信号转换为中频信号的实现方法为：

根据引导信息调谐内部可调本振频率后，混频器将时间缓存后的宽带射频信号搬移至固定的中频频段；

窄带滤波器在混频器输出的中频频段信号中选择确定频率范围的信号；

低噪声放大器将窄带滤波器选择的信号进行增益补偿后输出中频信号。

进一步地，所述多通道窄带接收模块中的每个所述窄带接收机对中频信号进行精确测量的实现方法为：

模拟数字转换器对中频信号进行采样得到高精度的数字信号；

高速信号处理器对数字信号进行快速傅立叶变换、滤波和时频分析后完成参数计算和检测，得到输入的宽带射频信号的全部参数，包括频率、幅度、相位、脉冲宽度和重复周期；其中，在宽带接收机通过引导信息引导以及时间缓存模块对信号进行时间缓存的基础上，高速信号处理器能够根据对信号参数精度的实际要求改变信号处理数据长度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种高概率宽带信号精确测量系统和方法，采用宽带引导窄带信号接收处理，结合宽带信号时间缓存技术，有效解决了窄带接收机与宽带接收机准确时间匹配接收的难题，在保证信号不丢失的基础上，实现对多种类型的宽带信号高灵敏度、高精度、实时参数测量能力。本发明提出的方法能够有效解决现有宽带信号测量存在截获概率低、适应能力差、精度低及处理资源不足等方面的缺点，在性能水平、可实现性、工程应用等方面具有显著的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的高概率宽带信号精确测量的实现原理图。

图2为本发明的时间缓存模块实现原理图。

图3为本发明的射频变换单元实现原理图。

图4为本发明的窄带接收机实现原理图。

图5为本发明的引导信息组成示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种高概率宽带信号精确测量系统，包括：具有两路输出端的射频功分器、宽带接收机、具有n路输出端的时间缓存模块、具有n个射频变换单元的多通道射频变换模块和具有n个窄带接收机的多通道窄带接收模块；射频功分器的2路输出端分别连接宽带接收机和时间缓存模块的输入端；宽带接收机的输出端连接每个射频变换单元和窄带接收机；时间缓存模块的n路输出端经n个射频变换单元与n个窄带接收机一一对应连接。

如图2所示，所述时间缓存模块包括电光转换单元、具有n路输出端的光功分器、n个光纤延迟线和n个光电转换单元；电光转换单元的输入端作为时间缓存模块的输入端与射频功分器的其中1路输出端连接，电光转换单元的输出端与光功分器的输入端连接；光功分器的n路输出端经n个光纤延迟线与n个光电转换单元一一对应连接；n个光电转换单元的输出端即为时间缓存模块的n路输出端。

如图3所示，所述多通道射频变换模块中的每个所述射频变换单元均包括依次连接的混频器、窄带滤波器和低噪声放大器，以及与混频器连接的可调本振。

如图4所示，所述多通道窄带接收模块中的每个所述窄带接收机均包括依次连接的模拟数字转换器和高速信号处理器。

基于上述的高概率宽带信号精确测量，本发明还提供一种高概率宽带信号精确测量方法，如图1所示，所述方法包括：

(1)宽带射频信号输入到测量系统中，经射频功分器分成两路，一路输入宽带接收机，另一路输入时间缓存模块；

(2)宽带接收机对输入其中的宽带射频信号进行快速测量，当输入信号中包含n个同时到达信号时，得到n个射频信号的粗略参数，并生成引导信息发送到每个射频变换单元和窄带接收机；所述粗略参数包括宽带射频信号的类型、频率和到达时间；所述引导信息包括地址码、信号类型码、频率码、时间码和数据长度码，如图5所示；每个射频变换单元和窄带接收机都对应唯一的地址。地址码指明相应的射频变换单元和窄带接收机；信号类型码指明该地址下接收信号类型；时间码指明该地址下接收信号的到达时间；数据长度码指明该地址下窄带接收机可处理的数据长度。

其中，所述宽带接收机可以采用数字瞬时测频和多通道信道化技术实现，可以根据需求在宽瞬时频率范围中工作，如2～6GHz、8～12GHz、6～18GHz等；宽带接收机具有多信号处理能力，能够分辨同时到达信号的粗略参数。在引导信息及信号时间缓存下，根据接收策略，宽带接收机能够同时引导多个窄带接收机对输入的宽带射频信号精确测量。

(3)时间缓存模块将输入其中的宽带射频信号进行时间缓存；

如图2所示，具体地：

电光转换单元将输入其中的宽带射频信号转换为幅度调制的光信号；

光功分器将光信号分为n路；

n个光纤延迟线分别对n路光信号进行时间延迟；

n个光电转换单元将时间延迟后的n路光信号还原为n路宽带射频信号。

所述光纤延迟线对光信号进行时间延迟的延迟时间由光纤延迟线的长度决定，计算公式如下：

τ＝n_oL/c

其中，τ为延迟时间，n_o为光纤延迟线折射率，L为光纤延迟线长度，c为真空中光速。进一步地，在n个光纤延迟线对n路光信号进行时间延迟时，每路的延迟时间可以设置相同，也可以设置不同。另外，为了有效的引导和精确处理，延迟时间一般为几μs到几十μs。时间缓存模块的工作带宽由电光转换单元和光电转换单元决定，为了达到大带宽工作(如20GHz以上)，需要采用相应的宽带光电子器件构建功能单元。通常情况下，可以采用激光器和宽带电光调制器用于实现电光转换单元的电光转换功能，宽带光电探测器用于实现光电转换单元的光电转换功能。本实施例中，通过时间缓存模块对输入其中的宽带射频信号进行高保真的存储一段时间，以补偿宽带接收机进行快速测量和生成引导信息、以及射频变换单元进行频率变换需要的时间，有效保证了窄带接收机与宽带接收机的准确时间匹配接收，实现对实时测量信号无丢失，保证了高截获概率以及精确测量的能力。

(4)根据相应的引导信息，多通道射频变换模块中的n个射频变换单元将经过时间缓存后的n路宽带射频信号转换为n个中频信号；

如图3所示，所述多通道射频变换模块中的每个所述射频变换单元将经过时间缓存后的宽带射频信号转换为中频信号的实现方法为：

根据引导信息调谐内部可调本振频率后，混频器将时间缓存后的宽带射频信号搬移至固定的中频频段；

窄带滤波器在混频器输出的中频频段信号中选择确定频率范围的信号；

低噪声放大器将窄带滤波器选择的信号进行增益补偿后输出中频信号：

其中，中频信号的带宽与窄带接收机的瞬时工作带宽匹配，带宽通常设置为200MHz或20MHz。

(5)多通道窄带接收模块中的n个窄带接收机对n个中频信号进行精确测量，得到输入的n个宽带射频信号的精确测量结果；

如图4所示，所述多通道窄带接收模块中的每个所述窄带接收机对中频信号进行精确测量的实现方法为：

模拟数字转换器对中频信号进行采样得到高精度的数字信号；

高速信号处理器对数字信号进行快速傅立叶变换、滤波和时频分析后完成参数计算和检测，得到输入的宽带射频信号的全部参数，包括频率、幅度、相位、脉冲宽度和重复周期；其中，在宽带接收机通过引导信息引导以及时间缓存模块对信号进行时间缓存的基础上，高速信号处理器能够根据对信号参数精度的实际要求改变信号处理数据长度。

可变数据长度的处理方法克服了在高速、实时数字信号处理中存在精度低、截获概率低、运算资源不足的问题。即，根据待测带宽带射频信号的类型和信号参数精度的实际要求，所述高速信号处理器对数字信号进行信号处理中，所述数字信号处理的数据长度在引导信息下可以改变，具体由引导信息中的数据处理码确定。一般情况下，处理数据长度可以设置为128点、256点、512点、1024点及2048点等。处理数据长度增加，对信号测量灵敏度及参数精度都会提升，但也会增加信号处理时间。可变数据长度的数字处理方法能够更好的适应常规脉冲、跳频、频率分集、线性调频、扩谱、相位编码等多种类型信号高灵敏度、高精度、实时测量的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。