基于MWC的频域稀疏信号亚奈奎斯特采样系统设计

发布时间：2020-05-15 19:32

【摘要】：随着通讯技术的发展,无线射频传输过程所用的载波频率越来越高。在认知无线电、电子侦察等领域,载波频率是随时间变化的,无法通过解调再采样的方式获取信息,必须采用直接采样的方式获取信息。如果使用以奈奎斯特定理为指导的传统采样方法,现有商用模数转换器难以满足要求。近年来针对频域稀疏信号采样提出的调制宽带转换器(MWC)采样方法,理论上可以实现远低于奈奎斯特率的采样速率重构待测信号,降低系统的采样速率。采用这种方法也减轻了大量数据所带来的存储、传输压力。本文针对MWC采样系统的实现问题开展了如下工作:先对MWC采样系统针对的频域稀疏信号模型进行分析,然后对该采样系统的结构进行研究,并在频域上作了理论分析。最后设计仿真实验验证。设计MWC采样系统。对调制宽带转换器系统的实现技术展开深入研究,采用现有元器件设计并实现了一套完整由上、下位机两部分组成的采样系统。下位机以FPGA、乘法器、AD采样器件、USB控制器为核心设计了输入信号预处理电路、伪随机序列发生器、随机混频器、低通滤波器、同步低速采样器以及数据传输电路等功能模块。上位机采用MATLAB软件实现了基于正交匹配追踪的重构算法,编写了能够实现参数设置、自动校准和实时显示重构结果等功能的应用程序。实现自动校准系统。针对采样矩阵实际值与理论值不相符进而影响重构结果的问题,设计并实现了基于正弦响应法的MWC采样矩阵自动校准系统。该系统利用程控命令产生一定频率、能够遍历整个频带的正弦信号激励源,获得对应频率的采样矩阵数据。实验表明使用自动校准系统得到的采样矩阵能够高概率地重构待测信号。完成系统测试。对硬件电路进行测试,对各模块的功能进行测试,再进行整个系统测试。测试结果表明本系统能够以奈奎斯特率的二十分之一重构出多带频域稀疏信号,单个频带信号的重构成功率高达98.5%。
【图文】：

序列,系统总体设计,方案

图 3-1 MWC 系统总体设计方案Fig.3-1 Whole design for MWC system第一部分是下位机。下位机主要包括输入信号预处理电路、随机混路、低通滤波电路、低速采样电路、触发电路、USB接口电路。其中，输号预处理电路将两路输入信号通过运算放大器完成电压跟随，然后再利用电路对这两路信号叠加并扩展；随机混频电路将预处理后的信号与周期性机序列进行混频，得到信号的频率为这两种信号各个频率分量的和频与差组合，从而达到将输入信号的频谱扩展到整个频带的目的。低通滤波电路了同等阶数下滤波性能最好的椭圆滤波电路，该电路将整个频带进行分割留了低频分量。低速采样电路利用集成的模数转换芯片，将低通滤波后的信号转化成数字信号；触发电路通过快速比较器对输入的信号和设置的电行比较，当满足比较条件时，输出触发电平，开启数据采集。本文根据实求设计了三种触发方式：内部触发、外部触发和强制触发。USB接口电路用集成的USB控制器芯片，实现将下位机的数据传送给上位机的功能。第二部分是上位机。在上位机采用 MATALAB 软件开发了数据接收处理、采样矩阵校准、信号重构等应用程序。其中数据接收与预处理首先由 USB 接口传送的数据，，再对接收的数据进行合并、电压校准、通道

原理图,预处理电路,原理图

40Mbps 数据传输速度，含有丰富的 RAM 资源和逻辑资源。 Cyclone IIEP2C5Q208 支持多种配置模式，常用的有 AS(Active Serial)和 JTAG(Joint TestAction Group)模式，JTAG 模式电路配置速度快，但是掉电后配置的电路丢失。AS 模式虽然掉电后不会丢失配置的电路信息，但是下载速度过慢，增加了调试时间。本文在调试阶段，采用 JTAG 模式，若调试成功，则采用 AS 模式。3.3 MWC 下位机硬件设计3.3.1 输入信号预处理电路的设计由图 2-2 的系统结构图可知，输入的单通道待测信号 x (t )被分成四路相同的信号。本文设计了输入信号预处理电路，该部分电路的结构是相同的，每路都对输入信号进行跟随，再通过加法电路将两路信号叠加成双频信号后被扩展成了四路相同信号。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN911.7

【参考文献】