CN104184531A - 短波信号增益控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种短波信号增益控制系统和方法，该系统包括射频前端、信号预处理单元和上位机；所述射频前端用于根据当前的衰减量确定增益值，根据增益值将接收的短波信号进行增益控制后输出至所述信号预处理单元；所述信号预处理单元用于将所述增益控制后的短波信号进行模数转换得到数字信号，将所述数字信号进行数字下变频处理后通过PCI接口传输至所述上位机；所述上位机用于接收所述数字下变频处理后的数字信号，检测出所述数字信号的功率，比较所述功率与预设的门限，根据比较结果调整所述射频前端中的衰减量。本发明能实现短波信号的自动增益控制，提高通信性能。

Description

短波信号增益控制方法和系统

技术领域

本发明涉及短波信号技术领域，特别是涉及一种短波信号增益控制系统，以及一种短波信号增益控制方法。

背景技术

短波通信是利用波长为10—100米(频率为3—30MHz)的电磁波进行的无线电通信。通常，为了满足多方向、多用户之间的通信联络，在固定短波通信台站配置多副短波天线和多套短波设备，随之而来的问题是，由于一般高增益短波天线具有方向性，不同架设方向(方位角、仰角)的短波天线在接收某一方向的信号时，信号质量差异较大，架设方向和通信性联络方向相匹配的天线接收信号质量最好，因此，在对不同方向的用户进行通信联络时，需要选择架设方向合适的短波天线，保证短波信道接收信号的质量。短波通信用户需要一种有效的短波信道监测手段，掌握不同短波天线接收信号状况，选择接收信号质量最好的天线实施通信联络，提高短波通信的效率。

目前，短波通信人员在进行通信联络时一般是靠经验进行已架设短波天线的选择，缺乏一种直观、客观、方便的监测控制手段。

发明内容

基于此，本发明提供一种短波信号增益控制系统和方法，能实现短波信号的自动增益控制，提高通信性能。

一种短波信号增益控制系统，包括射频前端、信号预处理单元和上位机；

所述射频前端用于根据当前的衰减量确定增益值，根据增益值将接收的短波信号进行增益控制后输出至所述信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于将所述增益控制后的短波信号进行模数转换得到数字信号，将所述数字信号进行数字下变频处理后通过PCI接口传输至所述上位机；

所述上位机用于接收所述数字下变频处理后的数字信号，检测出所述数字信号的功率，比较所述功率与预设的门限，根据比较结果调整所述射频前端中的衰减量。

一种短波信号增益控制方法，包括如下步骤：

根据当前的衰减量确定增益值，根据所述增益值将接收的短波信号进行增益控制；

将增益控制后的短波信号进行模数转换后得到数字信号，将所述数字信号进行数字下变频处理；

对数字下变频处理后的数字信号检测出功率，比较所述功率与预设的门限，根据所述比较结果调整所述衰减量。

上述短波信号增益控制系统和方法，短波信号经天线进入射频前端，在射频前端中，根据当前的衰减量确定增益值，短波信号根据当前的增益值进行增益控制后输出；同时，增益控制后的短波信号进入信号预处理单元，信号预处理单元将短波信号进行模数转换，获得数字信号并进行数字下变频处理，经由PCI接口传输至上位机进行信号分析，上位机检测出信号功率，将信号功率与预设的门限进行比较，根据比较结果调整射频前端中对短波信号进行增益控制时的增益值。本发明以虚拟仪器技术为基础，利用上位机的PC架构，通过反馈调节的思路实现了对短波信号的增益自动控制，本发明的短波信号质量监测手段操作简便、使用方便，对提高短波通信的可靠性、稳定性，对克服短波通信信号监测手段方面的缺陷具有重要意义。

附图说明

图1为本发明短波信号增益控制系统在一实施例中的结构示意图。

图2为信号预处理单元在一实施例中的结构示意图。

图3为本发明短波信号增益控制系统在另一实施例中的结构示意图。

图4为射频前端在一实施例中的结构示意图。

图5为FFT方法的处理示意图。

图6为本发明短波信号增益控制方法在一实施例中的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，是本发明短波信号增益控制系统的结构示意图，包括射频前端11、信号预处理单元12和上位机13；

所述射频前端11用于根据当前的衰减量确定增益值，根据增益值将接收的短波信号进行增益控制后输出至所述信号预处理单元12；

其中，整个信号通道的最大增益值和最大衰减量可事先设定好，也即是最大增益值和最大衰减量是确定的；因此可通过调整策略改变两者的相对值，当衰减量更改时，根据当前的衰减量来确定当前的通道增益值；具体的根据衰减量调整增益值，可根据实际需要而确定，本实施例对此不做限定；

所述信号预处理单元12用于将所述增益控制后的短波信号进行模数转换得到数字信号，将所述数字信号进行数字下变频处理后通过PCI(PeripheralComponent Interconnect，局部总线标准)接口传输至所述上位机13；

所述上位机13用于接收所述数字下变频处理后的数字信号，检测出所述数字信号的功率，比较所述功率与预设的门限，根据比较结果调整所述射频前端11中的衰减量；

本实施例中，短波信号经天线进入射频前端，在射频前端中，根据当前的衰减量确定增益值，短波信号根据当前的增益值进行增益控制后输出；同时，增益控制后的短波信号进入信号预处理单元，信号预处理单元将短波信号进行模数转换，获得数字信号并进行数字下变频处理，经由PCI接口传输至上位机进行信号分析，上位机检测出信号功率，将信号功率与预设的门限进行比较，根据比较结果调整射频前端中对短波信号进行增益控制时的增益值。本实施例以虚拟仪器技术为基础，利用上位机的PC架构，通过反馈调节的思路实现了对短波信号的增益自动控制。

在一较佳实施例中，如图2所示，所述信号预处理单元12可包括：

模数转换器121，用于将所述短波信号进行模数转换得到所述数字信号；

与所述模数转换器121通过模数转换控制接口122的数字下变频处理器123，用于将所述数字信号进行数字下变频处理；

与所述数字下变频处理器123连接的核心控制器124；

与所述核心控制器124通过PCI控制接口125连接的PCI处理器126，用于接收所述数字下变频处理器123发送的数字下变频处理后的数字信号并转发给所述上位机13；

本实施例中，短波信号进入模数转换器121，模数转换器121将模拟短波信号转换为数字信号，并通过模数转换控制接口122送入到数字下变频模块123，数字下变频模块123对数字信号进行下变频处理；核心控制器124对PCI控制接口125以及数字下变频处理器123进行协调，完成数据的接收及发送；进行数字下变频处理后的数字信号由核心控制器124控制，通过PCI控制接口传输至PCI处理器126，由PCI处理器126传输至上位机13进行信号分析处理。

如图2所示，本实施例的信号预处理单元可采用FPGA(Field－ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列)，所述模数控制接口122、所述数字下变频处理器123、所述核心控制器124和所述PCI控制接口125都可集成在FPGA120中；在本实施例中，FPGA129集成了模数控制接口122、数字下变频处理器123和核心控制器124等多个模块，能提高系统的集成性和可靠性。

如图3所示，是短波信号增益控制系统在另一实施例中的结构示意图，

射频前端11通过模拟信号接口211连接至模数转换器121，射频前端11将短波信号进行增益控制后，通过模拟信号接口211传输至模数转换器121，由模数转换器121将其转换为数字信号；

模数转换器121连接FPGA129，将数字信号发送到FPGA129；模数转换器121还连接一采样时钟电路212，用于为模数转换器121提供采样频率和时钟；

FPGA129还连接数据存储器127及FPGA配置芯片291；数据存储器127用于存储数据，FPGA配置芯片291用于为FPGA129配置参数；

FPGA129通过PCI控制接口125连接至PCI处理器126；数字信号在FPGA129中进行数字下变频处理，通过PCI控制接口125由PCI处理器126发送到上位机13；

上位机13中可安装有驱动程序131，以及设置有信号处理模块132和MFC图像界面显示模块133，上位机13通过信号处理模块132实现对数字信号的分析处理，通过检测出电平或功率，并与门限值进行比较，根据比较结果调整射频前端11的衰减量；具体的，FPGA129还通过模拟控制接口292连接至射频前端11，上位机13将调整结果由PCI处理器126通过PCI控制接口125传输至FPGA129，由FPGA129通过模拟控制接口输出至射频前端11，射频前端11根据最新的衰减量确定增益值。

PCI控制接口125还连接一PCI时钟电路251，用于为PCI处理器126提供时钟信号；PCI处理器还连接一电源261，用于为系统提供电源。

如图4所示，是本实施例射频前端的结构示意图；射频前端用于对短波信号进行抗混叠低通滤波处理，同时对信号进行放大，并提供增益控制，可包括：

所述射频前端包括依次连接的第一带通滤波器401、第一放大器402、第一衰减器403、功放器404、数控衰减器405、第二放大器406、第二衰减器407、第三放大器408和第二带通滤波器409，所述第二带通滤波器409连接至信号输出端；

所述功放器404还连接第三衰减器410，所述第三衰减器410通过模拟信号接口连接至所述模数转换器；

带通滤波器能滤除输入的短波信号中在有用频带之外的信号，为后续模数转换提供抗混叠滤波；放大器用于对信号进行放大处理；衰减器能对信号进行衰减，抵消放大器的增益，保持信号大小不变；衰减器中具体的衰减量可根据实际需要而设定。

本实施例的射频前端可有多个，模数转换器也可有多个，各个射频前端的第三衰减器连接至信号预处理单元中对应的模数转换器。

在一较佳实施例中，所述上位机13还用于：若判断所述功率超过所述门限，则增大所述衰减量；若判断所述功率低于所述门限，则减小所述衰减量。

本实施例中，根据功率与门限值的比较，若功率超过门限，则需增大衰减量；若功率小于门限，则表示射频前端11当前对短波信号的衰减量太大，需适当地减小衰减量，恢复部分衰减；具体的，衰减量的增大或减小可根据实际需要设定一定的更新步长，例如可设定为每次增大或减小当前衰减量的一半、三分之一，或者也可以是固定值，对此本实施例不做具体限定。

本实施例中，由于系统的动态范围较大，需要对射频前端的增益进行合理的控制，将信号放大到合理的功率再进行检测。自动增益控制策略如下(为保证对器件控制的唯一性，整个控制由上位机完成)：

上位机对输入信号的幅值进行线性译码电平检测，一旦检测到当前模数转换器输入端的能量(幅值)超过射频前端所要求的范围立即进行调整。

上位机在读取数据时同时的查询FPGA中衰减寄存器中的模数转换器输入端的幅值，如果检测到超出门限的状态，那么立即提高衰减量，以减小进入模数转换器的模拟信号功率，直到功率低于门限或者到达设置的衰减量的最大值为止。如果不超过门限，那么将该最大值并与模数转换器输入功率的门限值进行比较，计算可调整的衰减量，并进行调整，以使信号质量达到最佳状态。

具体的检测设置过程如下：

读取数据时同时读取衰减寄存器中的模数转换器端最大值。

如果超过门限那么计算需要衰减的衰减量，设置寄存器进行衰减。如果小于输入门限则计算可以释放的衰减量，设置寄存器释放衰减量。

在一较佳实施例中，所述上位机在接收到数字信号进行分析处理后，还可进行频谱分析和信噪比估计；

频谱分析主要采用精细化、改进的FFT(快速傅里叶变换)方法对采集到的数据进行频谱分析；

如图5所示，精细化、改进的FFT方法在于采用：移频(复调制)→低通数字滤波→重采样→FFT及谱分析→频率调整的流程对信号进行频谱分析；

其中，模拟信号为x(t)，经抗混叠滤波和A/D采样后，得到的离散序列为x(n)(n＝0,1,…,N-1),f_s为采样频率，D为细化倍数，N为FFT分析的点数。

信噪比分析主要采用奇异值分解方法对采集到的信号在特定信道进行信噪比估计；将过去只适用于MIMO(多天线输入、多天线输出)应用场合的奇异值分解算法，通过矩阵变换，应用于SISO(单天线输入、单天线输出)场合；特定信道是指在整个扫描带宽内，所关心的目标信号所在的频率位置，具体如下：

低通滤波：首先调用低通滤波函数对信号进行低通滤波，滤波器的带宽由当前的信号带宽决定，滤波器的系数可预先由Matlab即时生成。

信号抽取：对低通滤波后的信号进行抽取，抽取的倍数由当前的信号的带宽决定(或者也可由用户设置)，抽取后的采样率需保证大于4倍的信号带宽。

计算自相关序列：对抽取后的信号计算自相关序列。

构建自相关矩阵：根据得到的自相关序列构建自相关矩阵，具体计算可由Matlab中的自相关函数xcorr_mat完成，该函数在函数体内可调用cplx_xcorr函数进行自相关序列计算。

求取自相关矩阵特征值，运用最小描述长度方法求取信号的空间维数，结合自相关矩阵的特征值，求取当前信号的信噪比。

如图6所示，本发明还提供一种短波信号增益控制方法，包括如下步骤：

S61、根据当前的衰减量确定增益值，根据所述增益值将接收的短波信号进行增益控制；

S62、将增益控制后的短波信号进行模数转换后得到数字信号，将所述数字信号进行数字下变频处理；

S63、对数字下变频处理后的数字信号检测出功率，比较所述功率与预设的门限，根据所述比较结果调整所述衰减量；

本实施例中，短波信号经天线进入射频前端，根据当前的衰减量确定增益值，短波信号根据当前的增益值进行增益控制后输出；同时，增益控制后的短波信号进行信号预处理，将短波信号进行模数转换，获得数字信号并进行数字下变频处理，接着进行信号分析，检测出信号功率，将信号功率与预设的门限进行比较，根据比较结果调整对短波信号进行增益控制时的增益值。

在一较佳实施例中，所述比较所述功率与预设的门限，根据所述比较结果调整所述衰减量的步骤：

若判断所述功率超过所述门限，则增大所述衰减量；

若判断所述功率低于所述门限，则减少所述衰减量。

本实施例中，根据功率与门限值的比较，若功率超过门限，则需增大衰减量；若功率小于门限，则表示射频前端11当前对短波信号的衰减量太大，需适当地减小衰减量，恢复部分衰减；具体的，衰减量的增大或减小可根据实际需要设定一定的更新步长，例如可设定为每次增大或减小当前衰减量的一半、三分之一，或者也可以是固定值，对此本实施例不做具体限定。

在一较佳实施例中，还可包括如下步骤：

对所述数字信号进行低通滤波；

对低通滤波后的数字信号按预设的抽取倍数进行信号抽取，计算所述抽取后的数字信号的自相关序列；

根据所述自相关序列构建自相关矩阵求取所述自相关矩阵的特征值；

根据预设的最短描述长度方法求取所述信号的空间维数；

根据所述自相关矩阵的特征值及所述空间维数，求取所述数字信号的信噪比。

本实施例中，所述上位机在接收到数字信号进行分析处理后，还可进行信噪比估计；信噪比分析主要采用奇异值分解方法对采集到的信号在特定信道进行信噪比估计；将过去只适用于MIMO(多天线输入、多天线输出)应用场合的奇异值分解算法，通过矩阵变换，应用于SISO(单天线输入、单天线输出)场合；特定信道是指在整个扫描带宽内，所关心的目标信号所在的频率位置，具体如下：

低通滤波：首先调用低通滤波函数对信号进行低通滤波，滤波器的带宽由当前的信号带宽决定，滤波器的系数可预先由Matlab即时生成。

信号抽取：对低通滤波后的信号进行抽取，抽取的倍数由当前的信号的带宽决定(或者也可由用户设置)，抽取后的采样率需保证大于4倍的信号带宽。

计算自相关序列：对抽取后的信号计算自相关序列。

构建自相关矩阵：根据得到的自相关序列构建自相关矩阵，具体计算可由Matlab中的自相关函数xcorr_mat完成，该函数在函数体内可调用cplx_xcorr函数进行自相关序列计算。

求取自相关矩阵特征值，运用最小描述长度方法求取信号的空间维数，结合自相关矩阵的特征值，求取当前信号的信噪比。

本发明短波信号增益控制系统和方法，短波信号经天线进入射频前端，在射频前端中，根据当前的衰减量确定增益值，短波信号根据当前的增益值进行增益控制后输出；同时，增益控制后的短波信号进入信号预处理单元，信号预处理单元将短波信号进行模数转换，获得数字信号并进行数字下变频处理，经由PCI接口传输至上位机进行信号分析，上位机检测出信号功率，将信号功率与预设的门限进行比较，根据比较结果调整射频前端中对短波信号进行增益控制时的增益值。本发明以虚拟仪器技术为基础，利用上位机的PC架构，通过反馈调节的思路实现了对短波信号的增益自动控制，本发明的短波信号质量监测手段操作简便、使用方便，对提高短波通信的可靠性、稳定性，克服短波通信信号监测手段方面的缺陷，具有重要意义。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种短波信号增益控制系统，其特征在于，包括射频前端、信号预处理单元和上位机；

所述射频前端用于根据当前的衰减量确定增益值，根据增益值将接收的短波信号进行增益控制后输出至所述信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于将所述增益控制后的短波信号进行模数转换得到数字信号，将所述数字信号进行数字下变频处理后通过PCI接口传输至所述上位机；

所述上位机用于接收所述数字下变频处理后的数字信号，检测出所述数字信号的功率，比较所述功率与预设的门限，根据比较结果调整所述射频前端中的衰减量。

2.根据权利要求1所述的短波信号增益控制系统，其特征在于，所述信号预处理单元包括：

模数转换器，用于将所述短波信号进行模数转换得到所述数字信号；

与所述模数转换器通过模数转换控制接口的数字下变频处理器，用于将所述数字信号进行数字下变频处理；

与所述数字下变频处理器连接的核心控制器；

与所述核心控制器通过PCI控制接口连接的PCI处理器，用于接收所述数字下变频处理器发送的数字下变频处理后的数字信号并转发给所述上位机。

3.根据权利要求1所述的短波信号增益控制系统，其特征在于，所述射频前端包括依次连接的第一带通滤波器、第一放大器、第一衰减器、功放器、数控衰减器、第二放大器、第二衰减器、第三放大器和第二带通滤波器，所述第二带通滤波器连接至信号输出端；

所述功放器还连接第三衰减器，所述第三衰减器通过模拟信号接口连接至所述模数转换器。

4.根据权利要求2所述的短波信号增益控制系统，其特征在于，所述模数控制接口、所述数字下变频处理器、所述核心控制器和所述PCI控制接口都集成在FPGA中。

5.根据权利要求1所述的短波信号增益控制系统，其特征在于，所述上位机还用于：若判断所述功率超过所述门限，则增大所述衰减量；若判断所述功率低于所述门限，则减小所述衰减量。

6.根据权利要求1所述的短波信号增益控制系统，其特征在于，所述上位机还用于：对所述数字信号进行低通滤波；对低通滤波后的数字信号按预设的抽取倍数进行信号抽取，计算所述抽取后的数字信号的自相关序列；根据所述自相关序列构建自相关矩阵求取所述自相关矩阵的特征值；根据预设的最短描述长度方法求取所述信号的空间维数；根据所述自相关矩阵的特征值及所述空间维数，求取所述数字信号的信噪比。

7.一种短波信号增益控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据当前的衰减量确定增益值，根据所述增益值将接收的短波信号进行增益控制；

将增益控制后的短波信号进行模数转换后得到数字信号，将所述数字信号进行数字下变频处理；

对数字下变频处理后的数字信号检测出功率，比较所述功率与预设的门限，根据所述比较结果调整所述衰减量。

8.根据权利要求7所述的短波信号增益控制方法，其特征在于，所述比较所述功率与预设的门限，根据所述比较结果调整所述衰减量的步骤：

若判断所述功率超过所述门限，则增大所述衰减量；

若判断所述功率低于所述门限，则减少所述衰减量。

9.根据权利要求7所述的短波信号增益控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

对所述数字信号进行低通滤波；

对低通滤波后的数字信号按预设的抽取倍数进行信号抽取，计算所述抽取后的数字信号的自相关序列；

根据所述自相关序列构建自相关矩阵求取所述自相关矩阵的特征值；

根据预设的最短描述长度方法求取所述数字信号的空间维数；

根据所述自相关矩阵的特征值及所述空间维数，求取所述数字信号的信噪比。