一种超宽带时变运动多体制多信号生成方法
技术领域
本发明涉及电子装备测量
技术领域
，尤其涉及一种超宽带时变运动多体制多信号生成方法。背景技术
在电子装备测量领域，为了贴近真实电磁环境，尽可能模拟真实场景的状态，需要保证场景模拟信号的动态性。场景模拟信号动态性主要包括时变性、多信号制式、运动性等特点。
(1)时变，是指信号的时域变化。
进行构建电磁环境、目标定位和航迹管理、信号回放时，电子系统在各使用阶段中运用的程度也有变化，使得电磁环境的状态不断变化。随着时间变化，被测设备所处的环境状态是不断变化的。譬如因季节、天候、电离层、电介质等因素的变化，电磁环境也是会发生变化。只有对时变的场景进行不断设置，才能完整地表现出随时间变化的电磁环境态势。
(2)多信号制式，是指信号的能量域(幅度)、频域、调制方式的变化。
构建电磁场景时，不同数量的电子设备系统处于工作状态，能量域(幅度)、频域、调制方式是不断变化的，需要对这几个方面进行定量描述和可视化表达。
(3)运动，是指信号的空域变化。
进行构建电磁环境、目标定位和航迹管理时，由于真实场景中，电子系统所处的方位是不断变化的，在不同的方位，相应的电磁环境不一样，其产生的信号也不同。所以需要在不同的方位，定义不同的信号状态。
综上所述，构建真实电磁场景时，不同制式的模拟场景信号在不同时刻、不同方位都是不同的，因此需要大量的模拟数据来保证信号的真实性。并且随着模拟场景信号带宽越来越宽，受限于信号源实时带宽，模拟系统应具备多通道信号合成与分配能力，以实现超宽频率范围内的大数据量场景模拟信号生成。
目前通用的场景信号生成方法将数据接口留给用户，用户自定义波形并编辑为任意波形发生器软件能够识别的数据类型及格式后，通过任意波形发生器软件导入数字模块的DDR内存中，然后经过配置合适的参数后触发输出，从而得到用户所希望得到的信号。当需要处理信号制式、时间、位置较多时，通用场景信号的生成会遇到以下几个难题：
1、信号生成运算数量大，导致场景信号时间短、方位点数少。
以场景信号的线性调频雷达信号和连续波调制通信信号为例，如图1所示。场景信号可以被描述为：
scw(t)＝A(t)cos(ωct+θ(t))
信号能量域(幅度)A、频域f、调制方式不断调整，所对应的信号s的个数也不断增多。
测试系统运行时间越长，则时域t的个数越多。
测试系统设定方位越多，则空域p的个数越多。
信号s、时域t、空域p排列组合的总数接近于k(信号s总数)*n(时间t总数)*m(位置p总数)。
当每个信号的带宽较宽时，信号s总数、时间t总数、位置p总数形成的排列组合产生的总数据量非常巨大。以通用的任意波形发生器M8190A组成系统进行测试，存储深度为2GS，16位垂直分辨率，将会有以下几点限制。
(1)系统测试时间短
设生成10个10MHz带宽的信号，有5个方位点(轨迹点)。10个信号的总带宽为10*10＝100MHz＝0.1GHz。5个方位点(轨迹点)产生的信号带宽为0.1*5＝0.5GHz。基于Nyquist采样定理，采用以2.5倍采样率、16位垂直分辨率，则每秒数据量为0.5*2.5*(16/8)＝2.5GB。
则任意波发生器总播放时间为2*(16/8)/2.5＝1.6秒。
当使用任意波形发生器产生10个10MHz带宽的信号，在仅仅由5个方位点构成的轨迹上进行模拟，系统只能支持1.6秒的场景信号生成。这么短的模拟时间，无法满足大多数的任务需求。
(2)系统方位点数少
设生成10个10MHz带宽的信号，则10个信号的总带宽为10*10＝100MHz＝0.1GHz。基于Nyquist采样定理，采用以2.5倍采样率、16位垂直分辨率，则每秒数据量为0.1*2.5*(16/8)＝0.5GB。
设只进行10秒的模拟(当然10秒对于很多场景模拟都是不够的)，则M8190A支持的总方位点数：≤2*(16/8)/0.5/10＝0.8个。
当使用任意波形发生器M8190A产生10个10MHz带宽的信号，只进行10秒的测试，系统所能支持的方位点(轨迹点)都到不了1个，难以形成完整的运动的轨迹，无法满足大多数的场景模拟需求。
2、当模拟场景信号数量多时，由于每个信号的类型、带宽、长度等不确定性，周期性差异非常大，从而导致内存受限，信号编辑合并繁琐，播放时长短。以雷达脉冲信号为例，多目标信号合成的基本原理是根据系统输入的每一个脉冲信号的延时Delay、脉宽τ、脉冲重复间隔PRI以及幅度等信息，在时域上对多个脉冲信号进行合并，如图2所示。在单个信号出现的时间段内，保留原信号包络(如下图信号片段2对应信号s1(t)的脉冲2)，在多个信号同时出现的时间段内进行信号包络叠加(如下图信号片段1和信号片段3)，随后统计合并后信号的片段数目、片段样点数目以及片段内的脉冲时序信息，最后在合并后的信号片段内处理脉内调制信息，形成信号波形文件并通过信号产生设备生成信号。
τpoints＝round((τ*fs)/Ngran)*Ngran
PRIpoints＝round((PRI*fs)/Ngran)*Ngran
Delaypoints＝round((Delay*fs)/Ngran)*Ngran
其中，τ是信号脉宽，PRI为信号脉冲重复间隔，Delay是信号初始延时，fs是系统采样率，Ngran是系统可处理的信号粒度，τpoints和PRIpoints是经过数字化并调整粒度关系之后的信号脉宽与脉冲重复间隔，Delaypoints是延时的离散点数。
根据合成信号的起始位置、波形文件个数及合并方式等数据生成数据配置文件，播放时按照数据配置文件中的信息依次进行播放。
为了保证场景信号模拟的完整性，需要保证场景信号的周期性，即以不同信号周期的最小公倍数作为场景信号的周期。当测试系统信号数多，由于每个信号的类型、带宽、长度等都不确定的，周期性差异有可能会非常大，从而导致用尽了有限的内存数据长度，也无法寻找到一个合适的长度满足所有信号都是周期性的要求。即使在有的情况下，生成了一个满足所有信号周期的数据文件，此过程中动态序列设计会非常繁琐，对信号每一帧、每一帧地处理。经常花费几个小时编辑信号文件，最终只播放短短的几秒，极大地耗费了人力物力。
3、当下载信号数据量较大时，存在信号异常点被忽略的现象。
由于其信号数据是要一次性全部下载到DDR内存中，因此数据的长度会受到DDR内存的限制。当下载数据量较大时，只能把文件分割成几段，依次进行下载。并且由于播放与下载是分开的，所以必须等信号完全下载后，再进行播放，这段时间的下载速度受PCIE总线传输及PC端运算速率影响。另外，由于信号在下载之前已经完成了合成，因此在播放过程中，无法实时调整。只要有调整需求，就需要重新进行信号合并，然后下载再播放。由于信号分段播放不连贯，从而可能导致异常点被忽略，影响场景模拟效果。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种超宽带时变运动多体制多信号生成方法。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
1、一种超宽带时变运动多体制多信号生成方法，其特征是：多通道并行处理架构技术，对超宽带时变运动多体制多信号进行实时编辑、快速处理，当用户需要生成动态信号时，选择自己开发的信号库，然后调用系统的API，通过算法逻辑对所有信号信息进行配置，采样率匹配、频移、相位、幅度、延时，从而改变测试系统信号的时域、能量域、频域、调制方式、空域等参数，然后循环读取，产生无限长时间的场景信号；包括：
一、单信号独立配置方法，其步骤如下：
采用单信号独立配置，支持每个信号进行独立的参数配置，即独立生成单独的一些信号，其数据长度甚至采样率都不一样，然后再分别进行下载；
在播放时，底层的逻辑会控制单个信号输出并将所有的信号进行合成输出，而单个信号参数的调整是在所有信号合成之前调整的，因此能够单信号独立调整并且能够实时在线调整；单信号独立配置参数包括信号制式、中心频率、参考功率、衰减、时延、相偏和频移的配置，实际在进行系统设计时，以API函数调用的方式封装；
每个信号的参数都能够在线进行独立控制，在进行静态目标模拟时，能够独立设置；在动态目标天线扫描下，通过配置参考功率的天线扫描参数直接实现；
二、FPGA多通道信号生成方法，
多通道实时信号处理过程中，通过API接口在线对各通道的信号参数进行控制，从而获得在线切换、编辑、开关的能力；
硬件系统包括：PC软件驱动系统接口，控制各个数字模块；各个数字模块包含独立的FPGA及DAC电路，从通道1的CH1一直到通道n的CHn；同时，PC软件驱动系统接口，控制同步模块。此同步模块包含本振及同步电路。同步模块发送同步信号至各数字模块，根据各数字模块反馈信号的幅度和相位，进行实时调制，从而得到幅相一致性良好的各数字模块；
在FPGA中设计了多个通道信号生成结构，每个通道能够对信号以及相应的参数进行独立配置，其信号之间不再相互影响；
多通道实时信号处理过程中，通过API接口在线对各通道的信号参数进行控制，从而获得在线切换、编辑、开关的能力；多信号通道从DDR内存中取得每个基带信号的数量和制式等参数，经过基带缓冲后进行基带过采样，改善信号分辨率以及降低噪声，然后根据用户的需求实时改变信号的时延参数，对信号进行8倍内插，使每路信号采样率达到2.5Gsps以满足宽带信号的产生要求，然后通过正交调制将基波信号调制到对应载波频率上，最后通过多路合成及增益控制完成信号的生成，通过DA输出；
(1)基带BUFF，基带BUFF能够提高驱动能力、隔离前后级，缓冲器多半有三态输出功能；基带缓冲区用来缓存要发送的基带信号，使用FPGA中内部存储器实现；基带BUFF电路、RAM IP核电路工作；
当负载不具有非选通输出为高阻特性时，能够起到隔离作用；
当总线的驱动能力不够驱动负载时，能够起到驱动作用；使高速工作的CPU与慢速工作的外设起协调和缓冲作用，实现数据传送的同步；
初速输出信号仿真，使数据传送图像流畅，以实现数据顺利传送；
(2)过采样设计，采样频率超过信号最高频率2倍的采样频率就是过采样率，对基带信号实施过采样，就能从采样信号中恢复出原始的信号；
当使用很高的采样频率时，在量化时噪声的能量被分散到了更广泛的频率范围，这时如果使用一个数字滤波器进行滤波，那么将大部分噪声过滤的同时保留有用信号，从而提高了信噪比SNR；
从公式SNR＝6.02N+1.76+10*log(fs/2B)得：当采样率fs越大，SNR也越大公式中B为带宽；奈奎斯特采样频率是信号最高频率的2倍，而欠采样频率则低于信号最高频率的2倍，过采样频率则高于信号最高频率的2倍；
(3)可变延时，在进行FPGA板间同步或者是对外进行信号输出时需要延时来保证同步，从而信息能够被正确接收；根据实际需求随时自主改变延时量；
在数字电路中，信号延迟使用寄存器、触发器来实现，当输入不同的ABCD二进制数时，实现不同数目的单位时钟延迟，Din为输入信号，Dout为延迟后输出的信号；
用D触发器、计数器、逻辑门搭建出数字电路，并使用硬件描述语言VHDL、Verilog语言编程，然后下载到FPGA芯片内部，即完成可变延时功能，保证了信号输出的同步性，从而信息能够被正确接收；
(4)数据内插，含义就是将采用以原采样率8倍的方式进行采样，新的采样率达到2.5GHz；这就要求在原始采样序列的每两点之间插入7个内插值，这里的内插值是0，然后接滤波器进行平滑滤波；
(5)正交调制，调制是指用一个频率较高的载波来携带需要发送的基带信号，使其适合在信道中传输，基带信号的频率较低容易受到干扰，不适合长距离传输；而正交调制则是用两个相位相差pi/2的正交信号，使用sin与cos的信号分别乘以I路信号与Q路信号，然后相加合成一路信号后发射出去；I路信号又称同相信号，Q路信号又称正交信号；其公式表示为
s(t)＝I(t)cos2πf0t-Q(t)sin2πf0t
使用两个相位相差pi/2的正交信号：sin与cos信号，分别乘以I路信号、Q路信号，然后相加合成一路信号；I路信号又称同相信号，Q路信号又称正交信号；最后用硬件描述语言VHDL、Verilog语言编写乘法器、加法器的程序代码，调试通过后下载到FPGA内部；实现基带信号在更高频率的迁移，适合长距离传输，且不易受到干扰；
(6)多路合成设计，多路合成又称为时分多路复用，为了提高信道和频谱利用率，将多个单路信号集中到一个信道进行传输，同时对信号的功率进行放大；通过增益控制来提高发射信号的能量——功率；
多路合成时隙分配和增益控制电路，是将多个单路信号集中到一个信道，然后通过增益控制电路，使得各路信号功率基本相同；仿真得出最终信号增益输出，信号整体功率输出功率较为平整，没有时隙空闲，最大效率利用处理器资源；
三、多体制多信号合成流程，在FPGA设计中，建立相应的场景，选择能存在的多个目标信号，并通过信号库产生相应的信号；然后通过PCIe总线下载到DDR存储阵列中，从而完成数据的下载。对于多个信号，每个信号都有单独的存储空间；信号下载完成的同时需要对场景参数进行配置，需要配置每个信号的幅度、频率、相位等信息；数据下载以及参数配置完成之后，便等待触发，触发后，多通道信号生成结构会通过控制DDR来获取各个信号的数据，并将让其通过相应的算法通道完成单信号处理，最后通过正交调制方式将所有的信号频分复用合成到一起输出；多体制多信号合成流程步骤如下：
首先，所有原始目标信号均由软件生成并下载，其总的数据量大小受到内存限制，但由于信号均按单信号格式生成，其采样率设置比较低，综合考虑下内存受到的限制很小几乎忽略。每个目标信号在内存中占据独立一片区域；在进行播放时同时对所有的目标信号进行循环读取，产生无限长时间的信号；通过多通道信号生成结构对每个目标信号进行采样率匹配、频移、相位、幅度、延时的处理，最后所有的目标信号合成并调整增益后输出。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
一种超宽带时变运动多体制多信号生成方法，是构建电磁环境测试系统、目标定位和航迹测试系统、信号回放系统的基础上，具有时变、多信号制式、运动等动态性特点。进行系统测试时，需要不断调整时域、能量域、频域、调制方式、空域等参数。超宽带时变运动多体制多信号合成具有信号生成运算数量大、编辑合并繁琐、下载播放不连贯且无法实时调整等三个难点。基于单信号独立配置、FPGA多通道信号生成结构和多体制多信号生成流程的超宽带时变运动多体制多信号合成方法，能够极大地降低测试系统对于设备内存的依赖，降低波形运算时间。在当前内存不可能无限增大的条件下，从根本上解决了超宽带时变运动多体制信号生成的三个难点。
附图说明
图1现有场景信号描述图；
图2现有多雷达脉冲信号合成图；
图3单信号独立配置参数图
图4中心频率独立配置例图
图5参考功率独立配置例图
图6多通道实时信号处理电路
图7 FPGA多通道信号生成结构图
图8基带BUFF电路图
图9 RAM IP核框图
图10过采样原理图
图11可变延时电路
图12内插示意图
图13正交调制电路图
图14初始信号增益输出图
图15多路合成时隙分配和增益控制电路设计图
图16最终信号增益输出图；
图17多体制多信号合成流程图。
具体实施方式
如图1至图17所示，本方法基于多通道并行处理架构技术，对超宽带时变运动多体制多信号进行实时编辑、快速处理，能够从根本上解决超宽带时变运动多体制信号合成的问题。当用户需要生成动态信号时，选择自己开发的信号库，然后调用系统的API，通过算法逻辑对所有信号信息进行配置，采样率匹配、频移、相位、幅度、延时等等，从而改变测试系统信号的时域、能量域、频域、调制方式、空域等参数，然后循环读取，理论上可产生无限长时间的场景信号。
超宽带时变运动多体制多信号合成方法主要涉及到的技术有以下三个方面：
一、单信号独立配置方法采用单信号独立配置，支持每个信号进行独立的参数配置，即在软件只生成单独的一些信号，其数据长度甚至采样率都可以不一样，然后再分别进行下载。在播放时，底层的逻辑会控制单个信号输出并将所有的信号进行合成输出。而单个信号参数的调整是在所有信号合成之前调整的，因此可以单信号独立调整并且可以实时在线调整。单信号独立配置参数包括信号制式、中心频率、参考功率、衰减、时延、相偏和频移等，配置参数示意如图3所示。实际在进行系统设计时，以API函数调用的方式封装。每个信号的参数都可以在线进行独立控制，在进行静态目标模拟时，可以独立设置。中心频率配置如图4所示。在动态目标天线扫描下，可以通过配置参考功率的天线扫描参数直接实现，如图5所示。
二、FPGA多通道信号生成结构
多通道实时信号处理过程中，通过软件或者API接口在线对各通道的信号参数进行控制，从而获得在线切换、编辑、开关的能力。
硬件系统设计框图6如下。
PC软件驱动系统接口，控制各个数字模块。各数字模块包含独立的FPGA及DAC电路，从通道1(CH1)一直到通道n(CHn)。同时，PC软件驱动系统接口，控制同步模块。此同步模块包含本振及同步电路。同步模块发送同步信号至各数字模块，根据各数字模块反馈信号的幅度和相位，进行实时调制，从而得到幅相一致性良好的各数字模块。
在FPGA中设计了多个通道信号生成结构，每个通道可以对信号以及相应的参数进行独立配置，其信号之间不再相互影响，如图7所示。多通道实时信号处理过程中，通过软件或者API接口在线对各通道的信号参数进行控制，从而获得在线切换、编辑、开关的能力。多信号通道从DDR内存中取得每个基带信号的数量和制式等参数，经过基带缓冲后进行基带过采样，改善信号分辨率以及降低噪声，然后根据用户的需求实时改变信号的时延参数，对信号进行8倍内插，使每路信号采样率达到2.5Gsps以满足宽带信号的产生要求，然后通过正交调制将基波信号调制到对应载波频率上，最后通过多路合成及增益控制完成信号的生成，通过DA输出。
(1)基带BUFF
基带BUFF能够提高驱动能力、隔离前后级，缓冲器多半有三态输出功能。基带缓冲区用来缓存要发送的基带信号，使用FPGA中内部存储器实现。基带BUFF电路、RAM IP核电路如图8、图9所示。
采用此设计后，当负载不具有非选通输出为高阻特性时，能够起到隔离作用；当总线的驱动能力不够驱动负载时，能够起到驱动作用。使高速工作的CPU与慢速工作的外设起协调和缓冲作用，实现数据传送的同步。
初速输出信号仿真如下图10所示。
数据传送图像流畅，以实现数据顺利传送。
(2)过采样设计
采样频率超过信号最高频率2倍的采样频率就是过采样率，对基带信号实施过采样，就能从采样信号中恢复出原始的信号。当使用很高的采样频率时，在量化时噪声的能量被分散到了更广泛的频率范围，这时如果我们使用一个数字滤波器进行滤波那么我们可以将大部分噪声过滤的同时保留有用信号，从而提高了信噪比SNR。从公式SNR＝6.02N+1.76+10*log(fs/2B)也能看出当采样率fs越大，SNR也越大(公式中B为带宽)。图10中分别是采样的三种实例。奈奎斯特采样频率是信号最高频率的2倍，而欠采样频率则低于信号最高频率的2倍，过采样频率则高于信号最高频率的2倍。
(3)可变延时
在进行FPGA板间同步或者是对外进行信号输出时需要延时来保证同步，从而信息能够被正确接收。可以根据实际需求，可以随时自主改变延时量。在数字电路中，信号延迟使用寄存器、触发器等实现，可变延迟电路如图11所示。当输入不同的ABCD二进制数时，可实现不同数目的单位时钟延迟，Din为输入信号，Dout为延迟后输出的信号。
用D触发器、计数器、逻辑门搭建出数字电路，并使用硬件描述语言(VHDL、Verilog)语言编程，然后下载到FPGA芯片内部，即完成可变延时功能。保证了信号输出的同步性，从而信息能够被正确接收。
(4)数据内插
含义就是将采用以原采样率8倍的方式进行采样，新的采样率达到2.5GHz。这就要求在原始采样序列的每两点之间插入7个内插值。这里的内插值可以是0，然后接滤波器进行平滑滤波。3倍内插示意图如图12所示。
(5)正交调制
调制是指用一个频率较高的载波来携带需要发送的信号(基带信号)使其适合在信道中传输(基带信号的频率较低容易受到干扰，不适合长距离传输)。而正交调制则是用两个相位相差pi/2的正交信号(通常使用sin与cos信号)分别乘以I路信号(又称同相信号)与Q路信号(又称正交信号)，然后相加合成一路信号后发射出去。正交调制基本原理框图如图13所示。
其公式表示为
s(t)＝I(t)cos2πf0t-Q(t)sin2πf0t
使用两个相位相差pi/2的正交信号(sin与cos信号)，分别乘以I路信号(又称同相信号)与Q路信号(又称正交信号)，然后相加合成一路信号。最后用硬件描述语言(VHDL、Verilog)语言编写乘法器、加法器的程序代码，调试通过后下载到FPGA内部。实现基带信号在更高频率的迁移，适合长距离传输，且不易受到干扰。
(6)多路合成设计
多路合成又称为时分多路复用，为了提高信道和频谱利用率，将多个单路信号集中到一个信道进行传输，同时对信号的功率进行放大。而为了克服信号损耗，让很远距离的接收方能够接收到通常要具有一定的能量，可以通过增益控制来提高发射信号的能量(功率)。
初始信号增益输出图如下：
可以看到，信号整体功率输出功率不平整，有较大的时隙，浪费了处理器资源，效率较低。
多路合成时隙分配和增益控制电路设计图如下：
将多个单路信号集中到一个信道。然后通过增益控制电路，使得各路信号功率基本相同。
仿真得出最终信号增益输出图16如下：
信号整体功率输出功率较为平整，没有时隙空闲，最大效率利用处理器资源。
三、多体制多信号合成流程
在FPGA设计中，建立相应的场景，选择可能存在的多个目标信号，并通过信号库产生相应的信号。然后通过PCIe总线下载到DDR存储阵列中，从而完成数据的下载。对于多个信号，每个信号都有单独的存储空间。信号下载完成的同时需要对场景参数进行配置，主要是需要配置每个信号的幅度、频率、相位等信息。数据下载以及参数配置完成之后，便可以等待触发。触发后，多通道信号生成结构会通过控制DDR来获取各个信号的数据，并将让其通过相应的算法通道完成单信号处理，最后通过正交调制方式将所有的信号频分复用合成到一起输出。多体制多信号合成流程如图17所示。
首先，所有原始目标信号均由软件生成并下载，其总的数据量大小受到内存限制，但由于信号均按单信号格式生成，其采样率可以设置比较低，综合考虑下内存受到的限制很小几乎可以忽略。每个目标信号在内存中占据独立一片区域。在进行播放时同时对所有的目标信号进行循环读取，理论上可产生无限长时间的信号。通过多通道信号生成结构对每个目标信号进行采样率匹配、频移、相位、幅度、延时等处理，最后所有的目标信号合成并调整增益后输出。
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