CN102006131B - 基于认知无线电的环境模拟器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于认知无线电的环境模拟器装置，涉及软件无线电领域中计算机仿真干扰生成及实物干扰环境产生的软硬件结合信号发生装置，它包括第一D/A转换模块(3)、第二D/A转换模块(4)、第一低通滤波器(5)、第二低通滤波器(6)、正交调制器(7)、第三低通滤波器(8)、第一同轴连接器(9)、第一本振(15)和电源(17)。本发明用来模拟产生一定时间一定带宽内不同频率不同幅度且随机分布的干扰信号，认知无线电通过频谱检测对目前的各种空洞进行检测，对空洞质量评估并利用空洞进行相应的信号传输。且本发明还具有电路结构简单、集成化程度高、性能稳定可靠、操作方便简单、实时性能好、成本低廉等特点。

Description

基于认知无线电的环境模拟器装置

技术领域

本发明公开一种干扰环境模拟器装置，特别适用于认知无线电中空洞检测实物研究及自适应传输实物研究的调试及指标检验装置。

其中干扰环境可根据一组干扰场景描述进行模拟，干扰场景描述可依据要求由计算机软件生成。计算机软件模块将干扰环境的参数传输给硬件，实物干扰环境模拟器自行产生实际波形频谱，用于调试及指标检验。

背景技术

为了准确有效地对认知无线电装备进行科学试验鉴定，需要产生一个与实际无线电背景环境类似的频段、密度、大小和动态可控的模拟信号环境。而干扰环境模拟器是生成逼真无线电信号环境最为有效的工具。认知无线电通过对可用频谱空穴、干扰强度以及先验知识的检测来调整传输功率和其他主要参数从而保证在不干扰现有用户的前提下获得最大的传输速率。因此，研究当前干扰环境模拟器具有非常重要的意义。目前国内复杂电磁环境模拟的现状是：信号环境密度较低，信号体制多样性不够，信号设置灵活性不够，信号的模拟无法达到无缝衔接等。

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种干扰环境模拟器装置，本发明采用方便友好的人机界面以便用户设置信道频谱的各种参数，频谱占空比、宽度、能量都可以随意控制，方便灵活，这些参数通过软件处理产生实际频谱信息，经硬件处理转换为实际时域信号，而且时域信号经过加窗处理，大大提高了信号频谱的精确度。本发明可使用全数字器件实现，具有集成化程度高、体积小、可移植性好等特点。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于认知无线电的环境模拟器装置，它包括第一D/A转换模块、第二D/A转换模块、第一低通滤波器、第二低通滤波器、正交调制器、第三低通滤波器、第一同轴连接器、第一本振和电源，还包括计算机和FPGA模块；所述的计算机通过人机界面获得用户输入的参数，经过处理将数据F通过输出端口1与硬件印制板的FPGA模块的输入端口1相连；FPGA模块将输入数据进行数字信号处理，分别产生I/Q两路数据，I路数据通过输出端口2输出至第一D/A转换模块的输入端口1，Q路数据通过输出端口3输出至第二D/A转换模块的输入端口1；第一D/A转换模块将I路数字信号转换为模拟信号通过输出端口2输出至第一低通滤波器的输入端口1；第二D/A转换模块将Q路数字信号转换为模拟信号通过输出端口2输出至第二低通滤波器的输入端口1；第一低通滤波器将经过低通滤波后的I路信号通过输出端口2输出至正交调制器的输入端口1，第二低通滤波器将经过低通滤波后的Q路信号通过输出端口2输出至正交调制器的输入端口2，第一本振的输出端口1与正交调制器的输入端口4相连；正交调制器将I、Q信号调制到本振上通过输出端口3输出至第三低通滤波器的输入端口1，第三低通滤波器将中频信号进行低通滤波后通过输出端口2输出至第一同轴连接器的输入端口1；第一同轴连接器将信号B通过输出端口2输出。

作为改进，本发明还包括反馈装置，所述的反馈装置包括第二同轴连接器、放大器、混频器、第四低通滤波器、A/D转换模块和第二本振；第一同轴连接器通过输出端口3把信号输出至第二同轴连接器的输入端口1；第二同轴连接器把中频信号通过输入端口2输出至放大器的输入端口1；放大器将信号进行低噪声放大，然后通过输出端口2把信号输出至混频器的输入端口1，第二本振的输出端口1与混频器的输入端口3相连；混频器把中频信号下变频到基带，把基带信号通过输出端口2输出至第四低通滤波器的输入端口1；第四低通滤波器把基带信号低通滤波后输出至A/D转换模块的输入端口1；A/D转换模块把模拟信号转换为数字信号，通过输出端口2与FPGA模块的输入端口4相连，FPGA模块对接收到的信号进行数字处理得到信道的频谱信息；电源出端+V电压端与各部件相应电源端并接，提供各个部件工作电源。

计算机包括频谱颗粒数设定模块、频谱宽度设定模块、频谱个数设定模块、频谱能量设定模块、频谱分布状态设定模块、判决模块、数据整理存储模块和串口发送模块；所述的频谱颗粒数设定模块的输入端1脚与数据流A频谱占空比相连，经过计算得到频谱颗粒数，通过频谱颗粒数设定模块的输出端2脚输出至频谱分布状态设定模块的输入端1脚；频谱宽度设定模块的输入端1、2脚分别与数据流B最小频谱宽度和数据流C最大频谱宽度相连，计算出频谱宽度，通过频谱宽度设定模块的输出端口3脚输出至频谱个数设定模块的输入端口1脚；频谱个数设定模块根据频谱宽度计算出信道频谱个数，频谱个数设定模块的输出端3脚与频谱分布状态设定模块的输入端2脚相连；频谱个数设定模块的输出端2脚与频谱能量设定模块的输入端3脚相连；频谱能量设定模块的输入端1、2脚分别与数据流D最小频谱功率和数据流E最大频谱功率相连，此模块计算出频谱功率；频谱分布状态设定模块随机产生信号的频谱分布状态，把结果通过输出端4脚送到判决模块的输入端1脚进行各项条件的判决，如果满足条件，则频谱状态通过判决模块的输出端口3脚输出至数据整理存储模块的输入端口1脚，如果不满足条件，则需要重新进行频谱分配，判决模块的输出端2脚与频谱分布状态设定模块的输入端口3脚相连；频谱宽度设定模块的输出端4脚与数据整理存储模块的输入端口2脚相连，频谱能量设定模块的输出端口4脚与数据整理存储模块的输入端口3脚相连，数据整理存储模块把频谱的位置、宽度、功率组合为一系列数据，并加上帧头，通过数据整理存储模块的输出端口4脚送至串口发送模块的输入端口1脚，串口发送模块设定串口的发送速率、奇偶校验位、bit数等各项参数，通过输出端口2脚将数据F发送到FPGA模块。

FPGA模块包括串口数据接收单元、存储单元、数据预处理单元、IFFT数据转换单元、加窗处理单元和干扰分析处理单元；所述的串口数据接收单元通过输入端口1脚接收数据F，经过数据转换把串行数据转换为并行数据，通过串口数据接收单元的输出端口2脚输出至存储单元的输入端口1脚；存储单元把数据所代表的频点存储于RAM中，经过缓存由存储单元的输出端口2脚输出至数据预处理单元的输入端口1脚；串口数据接收单元的输出端口3脚与数据预处理单元的输入端口3脚相连，数据预处理单元的输出端口2脚与IFFT数据转换单元的输入端口1脚相连，IFFT数据转换单元对数据进行IFFT处理，把频谱数据转换为时域数据；IFFT数据转换单元的输出端口2脚与加窗处理单元的输入端口1脚相连，加窗处理单元把时域数据进行加窗处理，通过输出端口2脚与基带信号I相连，通过输出端口3脚与基带信号Q相连；干扰分析处理单元26的输入端口1脚与A/D转换模块14的输出端口2脚相连，输出端口2脚与计算机1的1脚相连，干扰分析处理单元26对接收到的干扰信号进行分析处理，将处理结果通过串口反馈给计算机1；串口数据接收单元、存储单元、数据预处理单元、IFFT数据转换单元、加窗处理单元、干扰分析处理单元各输入端4脚与电源的输出端+V电压端连接，各输入端5脚与接地端连接，电源提供各个模块的工作电压，地端将各个模块接公共地端。

本发明相比背景技术具有如下优点：

1.本发明的人机界面由计算机MATLAB软件的GUI功能生成，界面友好、直观，可以对频谱占空比、最小频谱宽度、最大频谱宽度、最小频谱功率、最大频谱功率等参数进行设置，并提供串口发送操作，对产生的实际频谱用画图的方式进行回显，给用户提供直观的频谱信息。

2.本发明对频域数据进行IFFT处理后转换为时域数据，然后采用加升余弦窗的方式可以有效降低频谱泄露，降低旁瓣，提高模拟器对信道频率占用的仿真精度。

3.本发明的组成部件采用大规模现场可编程器件制作，因此可通过设置不同的参数灵活地实现波形频谱的产生，使结构大大简化，成本显著降低。

4.本发明集成化程度高，因此体积小，重量轻，性能稳定可靠，可移植性好，维修方便，设备机动能力和可移植能力明显提高。

附图说明

图1是本发明的电原理方框图。

图2是本发明计算机1实施例的电原理图。

图3是本发明FPGA模块2实施例的电原理图。

具体实施方式

参照图1至图3，本发明由计算机1、FPGA模块2、第一D/A转换模块3、第二D/A转换模块4、第一低通滤波器5、第二低通滤波器6、正交调制器7、第三低通滤波器8、第一同轴连接器9、第二同轴连接器10、放大器11、混频器12、第四低通滤波器13、A/D转换模块14、第一本振15、第二本振16、电源17组成。图1是本发明的电原理方框图，实施例按图1连接线路。其中计算机1的作用是根据用户设置的参数随机产生符合要求的信号频谱信息，FPGA模块2的作用是把信号频谱信息转换为信号的时域数据，并对接收的干扰信号进行分析处理，第一D/A转换模块3和第二D/A转换模块4的作用是把数字信号转换为模拟信号，第一低通滤波器5和第二低通滤波器6把基带的模拟信号进行低通滤波，正交调制器7把基带信号上变频到中频，第三低通滤波器8对中频信号进行低通滤波以滤除各次谐波和杂散，第一同轴连接器9把信号输出，第二同轴连接器10的作用是自环反馈时对中频信号进行接收，放大器11的作用是对接收中频信号进行低噪声放大，混频器12的作用是把中频信号转换为基带信号，第四低通滤波器13对基带信号进行低通滤波，A/D转换模块14把模拟信号转换为数字信号，第一本振15、第二本振16分别为上变频和下变频提供本振信号。实施例FPGA模块2、第一D/A转换模块3、第二D/A转换模块4、第一低通滤波器5、第二低通滤波器6、正交调制器7、第三低通滤波器8、第一同轴连接器9、第二同轴连接器10、放大器11、混频器12、第四低通滤波器13、A/D转换模块14、本振15、本振16、电源17均在一块长、宽分别为217×150mm的印制板制作。

本发明计算机1的作用是根据用户设置的参数通过软件随机产生满足要求的信号频谱信息，并把它通过串口发送给FPGA模块2。它由频谱颗粒数设定模块11、频谱宽度设定模块12、频谱个数设定模块13、频谱能量设定模块14、频谱分布状态设定模块15、判决模块16、数据整理存储模块17、串口发送模块18组成。图2是本发明计算机1的电原理图，实施例按图2连接线路。其中频谱颗粒数设定模块11的作用是确定有频谱的颗粒数，送至频谱分布状态设定模块15的输入1脚。频谱宽度设定模块12的作用是按要求设定各个频谱的宽度，送至频谱个数设定模块13的输入1脚。频谱个数设定模块13的作用是确定频谱的总个数。频谱能量设定模块14的作用是按要求设定各个频谱的能量，送至频谱分布状态设定模块15的输入2脚。频谱分布状态设定模块15的作用是随机产生频谱的分布状态，送至判决模块16的输入1脚进行判别，如果满足各项指标则送至数据整理存储模块17的输入1脚，如果不满足指标则返回频谱分布状态设定模块15进行信号重新生成，数据整理存储模块17的作用是对数据进行整理，然后输出至串口发送模块18设定串口参数，通过串口进行数据到FPGA模块2的发送。实施例频谱颗粒数设定模块11、频谱宽度设定模块12、频谱个数设定模块13、频谱能量设定模块14、频谱分布状态设定模块15、判决模块16、数据整理存储模块17、串口发送模块18均在计算机上通过软件操作控制。

本发明FPGA模块2的作用是把信号频谱参数通过数字信号处理转换成时域信号，送至其它模块进行处理。它由串口数据接收单元21、存储单元22、数据预处理单元23、IFFT数据转换单元24、加窗处理单元25、干扰分析处理单元26组成。图3是本发明FPGA模块2的电原理图，实施例按图3连接线路。其中串口数据接收单元21的作用是把串行数据通过串口接收并转换为并行数据，输出至存储单元22的输入1脚。存储单元22的作用是对数据进行缓存，送至数据预处理单元23的输入1脚。串口数据接收单元21通过检测帧头信息给数据预处理单元23发送状态指示，如果检测到帧头则对数据进行预处理，否则处于等待状态。IFFT数据转换单元24的作用是把频域数据通过IFFT变换转换为时域数据，然后输出至加窗处理单元25的输入1脚，加窗处理单元25的作用是对时域信号进行加窗处理。干扰分析处理单元26的作用是对发送的干扰信号进行分析处理得到频谱，并进行验证，如果正确则保持，不正确则反馈给计算机1重新发送干扰信号。实施例串口数据接收单元21、存储单元22、数据预处理单元23、IFFT数据转换单元24、加窗处理单元25、干扰分析处理单元26均采用同一块美国Altera公司生产Stratix II系列FPGA模块制作。

本发明电源17提供各部件的直流工作电压，实施例采用市售通用集成稳压直流电源块制作，其输出+V电压分别为+3.3V、+1.2V、+1.8V，供电电流为1A。

本发明简要工作原理如下：

本发明实现干扰环境的模拟生成，计算机1为用户提供人机界面以便输入信道频谱的各项参数，然后软件自行随机产生频谱信息，通过串口送至FPGA，FPGA把频域信息转换为时域信息，然后送至D/A转换模块转换为模拟基带I/Q信号，再经低通滤波器滤除杂波，和本振经正交调制器把基带信号调制至中频，由同轴转换器发射出去。本发明具备自环功能，可以将中频信号经低噪声放大器放大，然后经混频器下变频到基带，由低通滤波器滤除杂波，经A/D转换模块把模拟信号转换成数字信号，送至FPGA模块进行数字信号处理，将结果反馈给计算机。

本发明安装结构如下：

把图1至图3中所有电路器件按图1至图3连接线路，其中图3的电路通过一块美国Altera公司生产Stratix II系列FPGA模块实现，安装在图1所示的一块长、宽分别为217×150mm的印制板上，印制板上安装串口通信端口A的电缆插座、上变频调制后的中频信号输出端口B的同轴转换器插座、自环中频接收信号的输入端口C的同轴转换器插座，组装成本发明。

Claims (3)

1.一种基于认知无线电的环境模拟器装置，它包括第一D/A转换模块(3)、第二D/A转换模块(4)、第一低通滤波器(5)、第二低通滤波器(6)、正交调制器(7)、第三低通滤波器(8)、第一同轴连接器(9)、第一本振(15)和电源(17)，其特征在于：还包括计算机(1)和FPGA模块(2)；所述的计算机(1)通过人机界面获得用户输入的参数，经过处理将数据F通过输出端口1与硬件印制板的FPGA模块(2)的输入端口1相连；FPGA模块(2)将输入数据进行数字信号处理，分别产生I/Q两路数据，I路数据通过输出端口2输出至第一D/A转换模块(3)的输入端口1，Q路数据通过输出端口3输出至第二D/A转换模块(4)的输入端口1；第一D/A转换模块(3)将I路数字信号转换为模拟信号通过输出端口2输出至第一低通滤波器(5)的输入端口1；第二D/A转换模块(4)将Q路数字信号转换为模拟信号通过输出端口2输出至第二低通滤波器(6)的输入端口1；第一低通滤波器(5)将经过低通滤波后的I路信号通过输出端口2输出至正交调制器(7)的输入端口1，第二低通滤波器(6)将经过低通滤波后的Q路信号通过输出端口2输出至正交调制器(7)的输入端口2，第一本振(15)的输出端口1与正交调制器(7)的输入端口4相连；正交调制器(7)将I、Q信号调制到本振上通过输出端口3输出至第三低通滤波器(8)的输入端口1，第三低通滤波器(8)将中频信号进行低通滤波后通过输出端口2输出至第一同轴连接器(9)的输入端口1；第一同轴连接器(9)将信号B通过输出端口2输出； 

所述的计算机(1)包括频谱颗粒数设定模块(11)、频谱宽度设定模块(12)、频谱个数设定模块(13)、频谱能量设定模块(14)、频谱分布状态设定模块(15)、判决模块(16)、数据整理存储模块(17)和串口发送模块(18)；所述的频谱颗粒数设定模块(11)的输入端1脚与数据流A频谱占空比相连，经过计算得到频谱颗粒数，通过频谱颗粒数设定模块(11)的输出端2脚输出至频谱分布 状态设定模块(15)的输入端1脚；频谱宽度设定模块(12)的输入端1、2脚分别与数据流B最小频谱宽度和数据流C最大频谱宽度相连，计算出频谱宽度，通过频谱宽度设定模块(12)的输出端口3脚输出至频谱个数设定模块(13)的输入端口1脚；频谱个数设定模块(13)根据频谱宽度计算出信道频谱个数，频谱个数设定模块(13)的输出端3脚与频谱分布状态设定模块(15)的输入端2脚相连；频谱个数设定模块(13)的输出端2脚与频谱能量设定模块(14)的输入端3脚相连；频谱能量设定模块(14)的输入端1、2脚分别与数据流D最小频谱功率和数据流E最大频谱功率相连，此模块计算出频谱功率；频谱分布状态设定模块(15)随机产生信号的频谱分布状态，把结果通过输出端4脚送到判决模块(16)的输入端1脚进行设定条件的判决，如果满足条件，则频谱状态通过判决模块(16)的输出端口3脚输出至数据整理存储模块(17)的输入端口1脚，如果不满足条件，则需要重新进行频谱分配，判决模块(16)的输出端2脚与频谱分布状态设定模块(15)的输入端口3脚相连；频谱宽度设定模块(12)的输出端4脚与数据整理存储模块(17)的输入端口2脚相连，频谱能量设定模块(14)的输出端口4脚与数据整理存储模块(17)的输入端口3脚相连，数据整理存储模块(17)把频谱的位置、宽度、功率组合为一系列数据，并加上帧头，通过数据整理存储模块(17)的输出端口4脚送至串口发送模块(18)的输入端口1脚，串口发送模块(18)设定串口的发送速率、奇偶校验位和bit数，通过输出端口2脚将数据F发送到FPGA模块(2)。 

2.根据权利要求1所述的基于认知无线电的环境模拟器装置，其特征在于：还包括反馈装置，所述的反馈装置包括第二同轴连接器(10)、放大器(11)、混频器(12)、第四低通滤波器(13)、A/D转换模块(14)和第二本振(16)；第一同轴连接器(9)通过输出端口3把信号输出至第二同轴连接器(10)的输入端口1；第二同轴连接器(10)把中频信号通过输入端口2输出至放大器(11)的输入端口1；放大器(11)将信号进行低噪声放大，然后通过输出端口2把信号输出至混频器(12)的输入端口1，第二本振(16)的输出端口1与混频器(12) 的输入端口3相连；混频器(12)把中频信号下变频到基带，把基带信号通过输出端口2输出至第四低通滤波器(13)的输入端口1；第四低通滤波器(13)把基带信号低通滤波后输出至A/D转换模块(14)的输入端口1；A/D转换模块(14)把模拟信号转换为数字信号，通过输出端口2与FPGA模块(2)的输入端口4相连，FPGA模块(2)对接收到的信号进行数字处理得到信道的频谱信息；电源(17)出端+V电压端与各部件相应电源端并接，提供各个部件工作电源。 

3.根据权利要求1或2所述的基于认知无线电的环境模拟器装置，其特征在于：FPGA模块(2)包括串口数据接收单元(21)、存储单元(22)、数据预处理单元(23)、IFFT数据转换单元(24)加窗处理单元(25)和干扰分析处理单元(26)；所述的串口数据接收单元(21)通过输入端口1脚接收数据F，经过数据转换把串行数据转换为并行数据，通过串口数据接收单元(21)的输出端口2脚输出至存储单元(22)的输入端口1脚；存储单元(22)把数据所代表的频点存储于RAM中，经过缓存由存储单元(22)的输出端口2脚输出至数据预处理单元(23)的输入端口1脚；串口数据接收单元(21)的输出端口3脚与数据预处理单元(23)的输入端口3脚相连，数据预处理单元(23)的输出端口2脚与IFFT数据转换单元(24)的输入端口1脚相连，IFFT数据转换单元(24)对数据进行IFFT处理，把频谱数据转换为时域数据；IFFT数据转换单元(24)的输出端口2脚与加窗处理单元(25)的输入端口1脚相连，加窗处理单元(25)把时域数据进行加窗处理，通过输出端口2脚与基带信号I相连，通过输出端口3脚与基带信号Q相连；干扰分析处理单元(26)的输入端口1脚与A/D转换模块(14)的输出端口2脚相连，输出端口2脚与计算机(1)的1脚相连，干扰分析处理单元(26)对接收到的干扰信号进行分析处理，将处理结果通过串口反馈给计算机(1)；数据接收单元(21)、存储单元(22)、数据预处理单元(23)、IFFT数据转换单元(24)、加窗处理单元(25)、干扰分析处理单元(26)各输入端4脚与电源(17)的输出端+V电压端连接，各输入端5脚与接地端连接，电源(17)提供各个模块的工作电压，地端将各个模块接公共地端。 

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