基于頻差法和dds實現(xiàn)的高采樣率等效采樣方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于頻差法和DDS (Direct Digital frequency Synthesis，直接數(shù)字頻率合成)實現(xiàn)的高采樣率等效采樣方法和系統(tǒng)，具體而言，設(shè)計了一種對周期性信號進行等效采樣的方法和系統(tǒng)。該項方法適用于周期性信號的等效采樣。
【背景技術(shù)】
[0002]對信號波形的數(shù)據(jù)采集通常有兩種方法:實時采樣和等效采樣；其中，等效采樣又分為三種，順序等效采樣、偽隨機等效采樣和隨機等效采樣，其中，偽隨機等效采樣可以看作是改進的順序等效采樣。
[0003]目前的順序等效采樣方法可以分為兩種實現(xiàn)方式，一種時域方式，一種頻域方式。時域?qū)崿F(xiàn)方式包含采用延時芯片實現(xiàn)、采用斜波比較法實現(xiàn)和采用特殊工藝法實現(xiàn)等；頻域?qū)崿F(xiàn)方式包含采用頻差法實現(xiàn)、采用頻率步進法實現(xiàn)等。如專利申請?zhí)枮?01410001964.8的專利所述，采用級聯(lián)延時芯片實現(xiàn)；如文章名為《時域反射儀高精度步進延遲系統(tǒng)設(shè)計》所述，采用了斜波比較法產(chǎn)生步進延時；如文章名為《基于DDFS和恒精度測頻法的等效采樣系統(tǒng)設(shè)計》所述，采用了頻差法實現(xiàn)等效采樣；如論文名為《頻率步進穿墻雷達系統(tǒng)設(shè)計及仿真研宄》所述，采用頻率步進法實現(xiàn)等效采樣。
[0004]目前的時域方式實現(xiàn)順序等效采樣方法在應(yīng)用中存在以下問題:
[0005]1、步進延時步長長，等效采樣率低。采用低采樣率的芯片實現(xiàn)等效高采樣率，需要精確控制采樣時鐘信號/待采樣信號的步進延時。目前實現(xiàn)步進延時的芯片或者斜波比較法，其等效步進延時步長長，不能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的步進延時步長控制，最終實現(xiàn)的等效采樣率低；
[0006]2、步進延時步長精度低。常用的延時電路采用專用延時芯片來實現(xiàn)，存在延時芯片延時精度不高，不同延時芯片的延時單元量有偏差，這將導(dǎo)致延時精度低，并且線性度差，影響信號的采樣質(zhì)量，進而影響系統(tǒng)的測量精度；
[0007]3、需要步進延時系統(tǒng)，控制復(fù)雜。實現(xiàn)步進延時的方法包括延時芯片法、斜波比較法和特殊工藝法等，這些方法實現(xiàn)起來控制相對復(fù)雜，尤其是總的步進延時比較大，需要進行級聯(lián)控制時，控制復(fù)雜。
[0008]目前頻域方式實現(xiàn)順序等效采樣方法在應(yīng)用中存在以下問題:
[0009]1、頻差法需要一個高精度的輸入信號頻率測量模塊。傳統(tǒng)意義的頻差法測量，需要一個測量輸入信號頻率測量模塊，之后產(chǎn)生一個與輸入信號頻率相近采樣時鐘信號，實現(xiàn)等效米樣；
[0010]2、頻率步進法需要產(chǎn)生一個連續(xù)的步進頻率信號，該信號的周期在連續(xù)改變，會伴隨一定的雜散頻率，最終輸出時會帶來較大的抖動，降低信號質(zhì)量，導(dǎo)致等效采樣率低。
[0011]針對上述問題，本專利采用頻差法實現(xiàn)方式，提出了獨特的思路，將時域的問題轉(zhuǎn)移到頻域處理，并且將頻域的問題處理簡單化。本發(fā)明提出的一種基于頻差法和DDS實現(xiàn)的高采樣率等效采樣方法和系統(tǒng)，解決了高速采樣芯片價格高且難以獲取的問題，解決了現(xiàn)有時域法實現(xiàn)等效采樣需要延時系統(tǒng)且延時精度不高的問題，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性；本發(fā)明還解決了頻差法需要高精度信號頻率測量模塊的問題，解決了頻率步進法的雜散頻率引入的信號抖動，極大地提高了系統(tǒng)的等效采樣率。
[0012]本發(fā)明提出的一種基于頻差法和DDS實現(xiàn)的高采樣率等效采樣方法和系統(tǒng)，可以實現(xiàn)很高的采樣率，適用于對周期性的連續(xù)波信號和脈沖信號進行順序采樣，配以高帶寬、低抖動的取樣頭或者取樣電路，可以實現(xiàn)高精度時空分辨率的測量。在電子學(xué)抖動很小或者不考慮抖動的情況下，可以實現(xiàn)lOOOGS/s以上的等效采樣率。
[0013]本發(fā)明提出的方法和系統(tǒng)，可以廣泛應(yīng)用在各類型雷達中，例如采用周期性脈沖信號作為測量載體的穿墻雷達、防撞雷達等，采用周期性連續(xù)波信號作為測量載體的探地雷達、時域反射儀等。
[0014]對數(shù)據(jù)采集時間有要求的場合，可以同時提高采樣時鐘頻率和待采樣信號頻率，也可以只提高采樣時鐘頻率，在第二種情況下，采樣是偽隨機等效采樣，對采樣數(shù)據(jù)的恢復(fù)組合，就相對麻煩一些，具體的數(shù)據(jù)恢復(fù)組合方式可以參考專利申請公開號為CN103634006A的專利所述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出一種基于頻差法和DDS實現(xiàn)的高采樣率等效采樣方法和系統(tǒng)，該方法通過頻域的頻差法來實現(xiàn)。該方法的采用，解決了現(xiàn)有時域法實現(xiàn)等效采樣需要延時系統(tǒng)且延時精度不高的問題，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性；本發(fā)明解決了頻差法需要高精度信號頻率測量模塊的問題，解決了頻率步進法的雜散頻率引入的信號抖動，極大地提高了系統(tǒng)的等效采樣率。
[0016]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0017]—種基于頻差法和DDS實現(xiàn)的尚米樣率等效米樣方法，其特別之處在于:包括以下步驟:
[0018]I)產(chǎn)生一個高穩(wěn)時鐘基準；
[0019]2)根據(jù)高穩(wěn)時鐘基準產(chǎn)生兩路信號，對信號進行濾波、波形轉(zhuǎn)換處理；其中一路作為采樣時鐘信號，另一路經(jīng)過待測模塊的反射，作為待采樣信號；
[0020]所述兩路信號的頻率按照采樣方式不同按以下方式確定:
[0021]若進行順序等效采樣，則兩路信號之間的頻率差很小且采樣時鐘信號頻率小于待米樣?目號頻率；
[0022]若進行偽隨機等效采樣，則采樣時鐘信號頻率為待采樣信號頻率的近似倍數(shù)N ;
[0023]3)根據(jù)采樣時鐘信號的控制，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對待采樣信號進行采樣，得到采樣數(shù)據(jù)；
[0024]4)若進行順序等效采樣，則對采樣數(shù)據(jù)按順序排列并輸出；
[0025]若進行偽隨機等效采樣，則對采樣數(shù)據(jù)進行排列組合并輸出。
[0026]還包括調(diào)節(jié)等效采樣率的步驟:通過調(diào)節(jié)兩路信號之間的頻率差，實現(xiàn)不同的等效米樣率。
[0027]還包括降低等效采樣時間的步驟:通過調(diào)節(jié)采樣時鐘信號頻率和待采樣信號頻率之間的N倍數(shù)關(guān)系，可以N倍降低系統(tǒng)的總的等效采樣時間。
[0028]還包括調(diào)節(jié)采樣起始點的步驟:通過調(diào)節(jié)相位差和延時，實現(xiàn)不同的起始點開始米樣。
[0029]一種基于頻差法和DDS實現(xiàn)的高采樣率等效采樣系統(tǒng)，其特別之處在于:包括時鐘基準模塊U1、信號產(chǎn)生模塊U2、輸入輸出模塊U3、數(shù)據(jù)采集模塊U4、數(shù)據(jù)處理模塊U5和控制模塊U6 ；
[0030]所述時鐘基準模塊Ul產(chǎn)生一個高穩(wěn)時鐘基準，并送入信號產(chǎn)生模塊U2 ;
[0031]所述信號產(chǎn)生模塊U2根據(jù)高穩(wěn)時鐘基準產(chǎn)生兩路信號，并對信號進行濾波、波形轉(zhuǎn)換等處理，其中一路信號送入數(shù)據(jù)采集模塊U4作為采樣時鐘信號，另一路信號經(jīng)過輸入輸出模塊U3送入待測模塊U7，其信號反射部分經(jīng)過輸入輸出模塊U3作為數(shù)據(jù)采集模塊U4的待米樣?目號；
[0032]所述控制模塊U6控制信號產(chǎn)生模塊U2的輸出信號，控制數(shù)據(jù)處理模塊U5對采樣數(shù)據(jù)進行排列組合；
[0033]所述數(shù)據(jù)處理模塊U5對數(shù)據(jù)采集模塊U4輸出的采樣數(shù)據(jù)進行排列組合，恢復(fù)出時間展寬的待采樣信號波形。
[0034]所述信號產(chǎn)生模塊U2包括帶有雙通道輸出、高頻率控制字、高相位控制字、高分辨率DAC的DDS芯片，或者是兩片單道輸出、高頻率控制字、高相位控制字、高分辨率DAC的DDS芯片；所述控制模塊U6通過信號產(chǎn)生模塊U2調(diào)節(jié)兩路信號之間的頻率差、相位差和延時參數(shù)。
[0035]本發(fā)明所具有的優(yōu)點:
[0036]1、本發(fā)明采用頻差法實現(xiàn)等效高采樣率，相對于傳統(tǒng)的時域、頻域?qū)崿F(xiàn)方法，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，極大地提高了系統(tǒng)的等效采樣率；
[0037]2、本發(fā)明采用頻差法實現(xiàn)，相對于時域方法實現(xiàn)，優(yōu)勢明顯。時域方法對于延時的控制，小于1ps已經(jīng)很不易實現(xiàn)，頻差法則不同，通過調(diào)節(jié)頻率差，可以很輕易實現(xiàn)1ps的步進延時，在電子學(xué)抖動很小或者不考慮抖動的情況下，甚至可以達到優(yōu)于Ips的步進延時，從而實現(xiàn)很尚的順序等效米樣率；
[0038]3、本發(fā)明采用高穩(wěn)晶振作為時鐘源基準，采用DDS芯片產(chǎn)生兩路信號，兩路信號之間的頻率差、相位差和延時等參數(shù)可調(diào)，并且在傳輸過程中保持穩(wěn)定，其中一路作為采樣時鐘信號，另一路作為待采樣信號；
[0039]4、本發(fā)明米用的DDS芯片，具有很尚的頻率控制字、相位控制字，可以實現(xiàn)尚的頻率分辨率，可以根據(jù)需要，更改DDS的輸出的兩路信號之間的頻率差。當(dāng)兩路信號之間的頻率差很小，通過調(diào)節(jié)兩路信號之間的頻率差，可以實現(xiàn)不同的順序等效采樣率，通過調(diào)節(jié)相位差和延時可以從不同的起始點開始測量；當(dāng)兩路信號之間的頻率有近似倍數(shù)N的關(guān)系，實現(xiàn)偽隨機等效采樣，在相同的等效采樣率下，偽隨機等效采樣時間是順序等效采樣所需時間的1/Ν，通過調(diào)節(jié)兩路信號頻率，實現(xiàn)不同的偽隨機等效采樣率，并縮短偽隨機等效采樣所需的時間。
[0040]5、本發(fā)明采用的DDS芯片，可以根據(jù)需要，產(chǎn)生各種連續(xù)波和脈沖信號，實