基于頻差法和dds實現的高采樣率等效采樣方法和系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于頻差法和DDS (Direct Digital frequency Synthesis，直接數字頻率合成)實現的高采樣率等效采樣方法和系統，具體而言，設計了一種對周期性信號進行等效采樣的方法和系統。該項方法適用于周期性信號的等效采樣。
【背景技術】
[0002]對信號波形的數據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方式，一種時域方式，一種頻域方式。時域實現方式包含采用延時芯片實現、采用斜波比較法實現和采用特殊工藝法實現等；頻域實現方式包含采用頻差法實現、采用頻率步進法實現等。如專利申請號為201410001964.8的專利所述，采用級聯延時芯片實現；如文章名為《時域反射儀高精度步進延遲系統設計》所述，采用了斜波比較法產生步進延時；如文章名為《基于DDFS和恒精度測頻法的等效采樣系統設計》所述，采用了頻差法實現等效采樣；如論文名為《頻率步進穿墻雷達系統設計及仿真研宄》所述，采用頻率步進法實現等效采樣。
[0004]目前的時域方式實現順序等效采樣方法在應用中存在以下問題:
[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，不能夠實現高精度的步進延時步長控制，最終實現的等效采樣率低；
[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，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，這將導致延時精度低，并且線性度差，影響信號的采樣質量，進而影響系統的測量精度；
[0007]3、需要步進延時系統，控制復雜。實現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，這些方法實現起來控制相對復雜，尤其是總的步進延時比較大，需要進行級聯控制時，控制復雜。
[0008]目前頻域方式實現順序等效采樣方法在應用中存在以下問題:
[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，之后產生一個與輸入信號頻率相近采樣時鐘信號，實現等效米樣；
[0010]2、頻率步進法需要產生一個連續的步進頻率信號，該信號的周期在連續改變，會伴隨一定的雜散頻率，最終輸出時會帶來較大的抖動，降低信號質量，導致等效采樣率低。
[0011]針對上述問題，本專利采用頻差法實現方式，提出了獨特的思路，將時域的問題轉移到頻域處理，并且將頻域的問題處理簡單化。本發明提出的一種基于頻差法和DDS實現的高采樣率等效采樣方法和系統，解決了高速采樣芯片價格高且難以獲取的問題，解決了現有時域法實現等效采樣需要延時系統且延時精度不高的問題，降低了系統復雜度，提高了系統穩定性；本發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，極大地提高了系統的等效采樣率。
[0012]本發明提出的一種基于頻差法和DDS實現的高采樣率等效采樣方法和系統，可以實現很高的采樣率，適用于對周期性的連續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，可以實現高精度時空分辨率的測量。在電子學抖動很小或者不考慮抖動的情況下，可以實現lOOOGS/s以上的等效采樣率。
[0013]本發明提出的方法和系統，可以廣泛應用在各類型雷達中，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，采用周期性連續波信號作為測量載體的探地雷達、時域反射儀等。
[0014]對數據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，對采樣數據的恢復組合，就相對麻煩一些，具體的數據恢復組合方式可以參考專利申請公開號為CN103634006A的專利所述。
【發明內容】
[0015]本發明克服現有技術存在的問題，提出一種基于頻差法和DDS實現的高采樣率等效采樣方法和系統，該方法通過頻域的頻差法來實現。該方法的采用，解決了現有時域法實現等效采樣需要延時系統且延時精度不高的問題，降低了系統復雜度，提高了系統穩定性；本發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，極大地提高了系統的等效采樣率。
[0016]本發明的技術解決方案是:
[0017]—種基于頻差法和DDS實現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)產生一個高穩時鐘基準；
[0019]2)根據高穩時鐘基準產生兩路信號，對信號進行濾波、波形轉換處理；其中一路作為采樣時鐘信號，另一路經過待測模塊的反射，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N ;
[0023]3)根據采樣時鐘信號的控制，數據采集系統對待采樣信號進行采樣，得到采樣數據；
[0024]4)若進行順序等效采樣，則對采樣數據按順序排列并輸出；
[0025]若進行偽隨機等效采樣，則對采樣數據進行排列組合并輸出。
[0026]還包括調節等效采樣率的步驟:通過調節兩路信號之間的頻率差，實現不同的等效米樣率。
[0027]還包括降低等效采樣時間的步驟:通過調節采樣時鐘信號頻率和待采樣信號頻率之間的N倍數關系，可以N倍降低系統的總的等效采樣時間。
[0028]還包括調節采樣起始點的步驟:通過調節相位差和延時，實現不同的起始點開始米樣。
[0029]一種基于頻差法和DDS實現的高采樣率等效采樣系統，其特別之處在于:包括時鐘基準模塊U1、信號產生模塊U2、輸入輸出模塊U3、數據采集模塊U4、數據處理模塊U5和控制模塊U6 ；
[0030]所述時鐘基準模塊Ul產生一個高穩時鐘基準，并送入信號產生模塊U2 ;
[0031]所述信號產生模塊U2根據高穩時鐘基準產生兩路信號，并對信號進行濾波、波形轉換等處理，其中一路信號送入數據采集模塊U4作為采樣時鐘信號，另一路信號經過輸入輸出模塊U3送入待測模塊U7，其信號反射部分經過輸入輸出模塊U3作為數據采集模塊U4的待米樣?目號；
[0032]所述控制模塊U6控制信號產生模塊U2的輸出信號，控制數據處理模塊U5對采樣數據進行排列組合；
[0033]所述數據處理模塊U5對數據采集模塊U4輸出的采樣數據進行排列組合，恢復出時間展寬的待采樣信號波形。
[0034]所述信號產生模塊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通過信號產生模塊U2調節兩路信號之間的頻率差、相位差和延時參數。
[0035]本發明所具有的優點:
[0036]1、本發明采用頻差法實現等效高采樣率，相對于傳統的時域、頻域實現方法，降低了系統復雜度，提高了系統的穩定性，極大地提高了系統的等效采樣率；
[0037]2、本發明采用頻差法實現，相對于時域方法實現，優勢明顯。時域方法對于延時的控制，小于1ps已經很不易實現，頻差法則不同，通過調節頻率差，可以很輕易實現1ps的步進延時，在電子學抖動很小或者不考慮抖動的情況下，甚至可以達到優于Ips的步進延時，從而實現很尚的順序等效米樣率；
[0038]3、本發明采用高穩晶振作為時鐘源基準，采用DDS芯片產生兩路信號，兩路信號之間的頻率差、相位差和延時等參數可調，并且在傳輸過程中保持穩定，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，可以實現尚的頻率分辨率，可以根據需要，更改DDS的輸出的兩路信號之間的頻率差。當兩路信號之間的頻率差很小，通過調節兩路信號之間的頻率差，可以實現不同的順序等效采樣率，通過調節相位差和延時可以從不同的起始點開始測量；當兩路信號之間的頻率有近似倍數N的關系，實現偽隨機等效采樣，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，通過調節兩路信號頻率，實現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、本發明采用的DDS芯片，可以根據需要，產生各種連續波和脈沖信號，實