[发明专利]一种基于chirp变换架构及快速数字脉压算法的频谱分析方法

说明书

本发明公开了一种基于chirp变换架构及快速数字脉压算法的频谱分析方法，产生的已知参数Chirp信号作为本振信号与被测信号混频，得到经被测信号调制的线性调频信号——调制chirp信号，然后输入带通滤波得到中频chirp信号输出，对中频chirp信号进行A/D变换，输出数字信号。数字信号由一系列初始频率、终止频率以及chirp率相同但初始时刻不同的中频chirp信号组成，各chirp信号分量的初始时刻与被测信号所含频率相对应，计算满足中频chirp信号其二次相位特性的线性相位离散采样点时间分布函数，按照时间分布函数对中频chirp信号进行抽取，得到两组线性相位正交采样点，进行叠加计算便可获得信号频谱信息。发明将硬件电路信号处理系统与软件算法有机结合，实现了快速、高分辨率的频谱分析测量。

技术邻域

本发明属于信号处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于线性调频变换频谱分析仪(chirp transform spectrometer-CTS)架构的快速数字脉压算法的频谱分析方法。

背景技术

频谱分析仪作为信号频谱检测的主要仪器，其原理有多种。最早出现的是经典外差扫频频谱分析仪，系统具有一定的扫频时间，在测量宽带信号时扫描时间比较长，不能做到实时频谱分析。随着高速ADC的出现、芯片计算能力的提升以及高速总线技术的发展，基于数字信号处理技术的傅里叶变换频谱仪得到了发展。傅里叶变换频谱仪主要基于FFT(Fast Fourier Transfer)算法，即被测信号模数转换后经FFT算法求得其频谱特性。傅里叶变换频谱仪可实现宽带、高分辨率信号实时分析，同时其过程为全数字化处理，易于远程控制和频谱重构，系统集成度较高。但是FFT架构也存在一些不足，其热功耗较大，分辨率的提升会导致FFT运算量大幅增加。

近年来，基于雷达脉冲压缩技术的线性调频变换频谱分析仪(CTS)在航天及深空探测领域应用广泛。CTS的基本原理是将被测信号与已知特性的线性调频信号-chirp信号混频，混频输出的中频信号经过带通滤波形成一特定chirp率、固定频带的中频chirp信号，利用声表面波滤波器对该中频chirp信号进行脉冲压缩，根据输出脉压信号的时域分布及包络信息即可获得被测信号的频谱信息。该方法能实现宽带高分辨率实时频谱分析，且具有体积小、质量轻、功耗低等优点。但基于声表面波滤波器的物理脉冲压缩方式存在衰减大和非理想色散特性等问题，影响系统频谱分辨率与测量动态范围。此外，声表面波滤波器的带宽有限，在处理宽带信号时往往需要多路结构并行处理。

本发明利用数字脉冲压缩技术替代表面波滤波器，解决CTS频谱分析技术中存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决CTS系统中声表面波滤波器工作带宽限制、信号衰减严重以及自身的非理想色散特性等问题，提供一种基于数字脉冲压缩技术的实时频谱分析方法。

为实现上述发明目的，本发明设计了一种快速数字脉冲压缩算法，既能实现中频chirp信号的快速脉冲压缩，又解决了声表面波滤波器的衰减及非理想色散等问题，具体包括以下步骤：

(1)、被测信号频谱调制

设输入信号含有m个频谱分量，其时域数学模型如下：

其中，a_i、f_i和分别表示第i个频谱分量的幅度、频率以及初相；

chirp信号s_ec(t)为一线性调频信号，可表示为：

下标“ec”表示chirp信号，a_ec、f_ec0和分别表示chirp信号的幅度、初始频率以及初始相位，k表示chirp信号的chirp率，T₀表示一个周期持续时长，chirp信号的带宽可为B＝kT₀；

输入信号与chirp信号混频得到调制chirp信号：