CN105282247B - 基于分布式雷达告警接收机仿真系统的信号传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式系统各节点间信号的传输方法，其包括在信号发射端，对即将发射的源信号进行特征值的提取，并将提取的特征值向信号接收端进行传输的步骤；在信号接收端接收所述特征值，并对所述特征值处理，将所述特征值恢复为与源信号相同的复原信号的步骤；将所述复原信号输出给信号处理单元进行信号处理的步骤；其有益效果是：本发明无需把用户所需全部数据提供给接分布式仿真系统的接收端，通过指令指导用户本地硬件产生对应数据，大大减少了传输数据量，缩短了响应时间；分布式仿真系统传输的不再是大量的信号数据，取而代之的则是特征值即描述字，分布式仿真系统各节点间传递的信号量大幅减少，传输耗时大幅降低。
Description
技术领域
本发明属于分布式仿真系统技术领域，涉及一种基于分布式雷达告警接收机仿真系统的信号传输方法。
背景技术
随着仿真技术的不断发展，仿真系统从功能级逐渐向信号级转变，这种转变带来的问题是系统各节点间传输数据量急剧增大，这会导致数据传输时间延长，从而使得系统响应变慢，数据传输的实时性差。而对于实时性要求很高的信号级仿真系统，例如某些应用于特殊领域的仿真系统，用户对于该系统的实时性要求非常高，系统中各个节点间数据传输时间间隔不应超过1/60秒。传统的数据传输方式已经无法满足用户需求，最近几年，很多专家学者对于系统的实时传输方面做了大量的研究，但是方法仅限于耗费大量的硬件设备，来换取系统间响应时间的减少，保证实时性。这种方式确实能够改善系统实时性，缩短数据传输时间，但是费用较高。所以寻求一种新方法在低成本的条件下实现仿真系统的实时性数据传输是十分必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能减少分布式仿真系统间传输的数据量、提高数据传输速率、实现分布式系统间数据实时传输的基于分布式雷达告警接收机仿真系统的信号传输方法。
为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于分布式雷达告警接收机仿真系统的信号传输方法是在信号发射端，对即将发射的源信号进行特征值的提取，并将提取的特征值向信号接收端进行传输；在信号接收端接收所述特征值，并对所述特征值处理，将所述特征值恢复为与源信号相同的复原信号；然后将所述复原信号输出给信号处理单元进行信号处理；
信号传输方法包括如下具体步骤：
（一）建立分布式雷达告警接收机仿真系统硬件平台，其包括雷达信号产生单元、雷达告警计算机和显示终端；所述雷达信号产生单元包括第一计算机PC-1至第N计算机PC-N，其中N为大于1的整数；所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N的输出端分别通过网线接所述雷达告警计算机的相应输入端；所述雷达告警计算机输出端接所述显示终端的相应输入端；数据处理单元的输入端接所述雷达告警计算机的相应输出端；
在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上安装的软件模块相同；
（二）系统进行信号传输方法步骤如下：
（1）利用线性调频信号发生模块产生线性调频信号LFM；所述线性调频信号发生模块分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（2）利用载频加载模块对所述线性调频信号LFM加载载频fc，得到雷达发射信号，所述载频fc的取值范围是0.4~3.5GHz；所述载频加载模块分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（3）利用波形显示模块S1采集所述雷达发射信号的时域数据并显示其时域波形；所述波形显示模块S1分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（4）利用虚拟频谱仪S2将所述雷达发射信号的时域数据进行傅里叶变换，得到频谱信息，并分别显示所述频谱信息；所述虚拟频谱仪S2分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（5）利用特征值提取模块M1对所述雷达发射信号的特征值进行提取，所述特征值包括信号类型编码、脉冲重复周期描述字、脉宽描述字、特征描述字和采样率描述字；所述特征描述字为带宽描述字；所述特征值提取模块M1分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（6）利用信号复原模块M2接收所述雷达发射信号相应的特征值，得到雷达描述字混合信号；然后将所述雷达描述字混合信号复原为线性调频混合信号LFM3；所述信号复原模块M2安装在所述雷达告警计算机上；
（7）利用信号参数估计模块M3接收所述线性调频混合信号LFM3，并将所述线性调频混合信号LFM3变换为信号空间谱；所述信号参数估计模块M3安装在所述雷达告警计算机上；
（8）利用到达角信息显示模块S3读取所述信号空间谱的到达角信息并显示所述到达角信息；所述到达角信息显示模块S3安装在所述雷达告警计算机上；
（9）利用信号估计显示模块S4遍历搜索所述信号空间谱，得到估计信号的数目并显示所述估计信号的数目；所述信号估计显示模块S4安装在所述雷达告警计算机上；
（10）利用信号分选模块M4接收所述雷达线性调频混合信号LFM3，并将所述雷达线性调频混合信号LMF3分离为N个各自独立的第一至第N接收端线性调频信号LFM4-1~LFM4-N；所述信号分选模块M4安装在所述雷达告警计算机上；
（11）利用所述脉冲描述字提取模块分别提取所述第一至第N接收端线性调频信号LFM4-1~LFM4-N的脉冲描述字，得到第一至第N雷达脉冲描述字信号，并将所述第一至第N雷达脉冲描述字信号传输给数据处理单元；所述脉冲描述字提取模块安装在所述雷达告警计算机上；
（12）利用所述显示终端分别显示所述第一至第N雷达脉冲描述字信号。
本发明的有益效果是：本发明无需把用户所需全部数据提供给接分布式仿真系统的接收端，通过指令指导用户本地硬件产生对应数据，大大减少了传输数据量，缩短了响应时间；分布式仿真系统传输的不再是大量的信号数据，取而代之的则是特征值即描述字，分布式仿真系统各节点间传递的信号量大幅减少，传输耗时大幅降低。
附图说明
图1为本发明的数据传输示意图。
图2为实施例1中分布式雷达告警接收机仿真系统硬件平台原理框图。
图3为分布式雷达告警接收机仿真系统软件模块结构示意图。
图4为雷达信号产生单元的线性调频信号生成结构示意图。
图5为雷达信号接收端的软件结构示意图。
图6为雷达信号数据传输耗时图。
图7为特征值数据传输耗时图。
图8为复原信号与源信号对比图。
在图8中，RESM表示均方误差。
具体实施方式
下面结合附图1-8及实施例1对本发明的方法作进一步地说明。
实施例1：
实施例1为基于分布式雷达告警接收机仿真系统的信号传输方法。由图1-3所示的实施例1可知，基于分布式雷达告警接收机仿真系统的信号传输方法是在信号发射端，对即将发射的源信号进行特征值的提取，并将提取的特征值向信号接收端进行传输；在信号接收端接收所述特征值，并对所述特征值处理，将所述特征值恢复为与源信号相同的复原信号；然后将所述复原信号输出给信号处理单元进行信号处理；
信号传输方法包括如下具体步骤：
（一）建立分布式雷达告警接收机仿真系统硬件平台，其包括雷达信号产生单元、雷达告警计算机和显示终端；所述雷达信号产生单元包括第一计算机PC-1至第N计算机PC-N，其中N为大于1的整数；所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N的输出端分别通过网线接所述雷达告警计算机的相应输入端；所述雷达告警计算机输出端接所述显示终端的相应输入端；数据处理单元的输入端接所述雷达告警计算机的相应输出端；
在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上安装的软件模块相同；
（二）系统进行信号传输方法步骤如下：
（1）利用线性调频信号发生模块产生线性调频信号LFM；所述线性调频信号发生模块分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（2）利用载频加载模块对所述线性调频信号LFM加载载频fc，得到雷达发射信号，所述载频fc的取值范围是0.4~3.5GHz；所述载频加载模块分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（3）利用波形显示模块S1采集所述雷达发射信号的时域数据并显示其时域波形；所述波形显示模块S1分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（4）利用虚拟频谱仪S2将所述雷达发射信号的时域数据进行傅里叶变换，得到频谱信息，并分别显示所述频谱信息；所述虚拟频谱仪S2分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（5）利用特征值提取模块M1对所述雷达发射信号的特征值进行提取，所述特征值包括信号类型编码、脉冲重复周期描述字、脉宽描述字、特征描述字和采样率描述字；所述特征描述字为带宽描述字；所述特征值提取模块M1分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（6）利用信号复原模块M2接收所述雷达发射信号相应的特征值，得到雷达描述字混合信号；然后将所述雷达描述字混合信号复原为线性调频混合信号LFM3；所述信号复原模块M2安装在所述雷达告警计算机上；
（7）利用信号参数估计模块M3接收所述线性调频混合信号LFM3，并将所述线性调频混合信号LFM3变换为信号空间谱；所述信号参数估计模块M3安装在所述雷达告警计算机上；
（8）利用到达角信息显示模块S3读取所述信号空间谱的到达角信息并显示所述到达角信息；所述到达角信息显示模块S3安装在所述雷达告警计算机上；
（9）利用信号估计显示模块S4遍历搜索所述信号空间谱，得到估计信号的数目并显示所述估计信号的数目；所述信号估计显示模块S4安装在所述雷达告警计算机上；
（10）利用信号分选模块M4接收所述雷达线性调频混合信号LFM3，并将所述雷达线性调频混合信号LMF3分离为N个各自独立的第一至第N接收端线性调频信号LFM4-1~LFM4-N；所述信号分选模块M4安装在所述雷达告警计算机上；
（11）利用所述脉冲描述字提取模块分别提取所述第一至第N接收端线性调频信号LFM4-1~LFM4-N的脉冲描述字，得到第一至第N雷达脉冲描述字信号，并将所述第一至第N雷达脉冲描述字信号传输给数据处理单元；所述脉冲描述字提取模块安装在所述雷达告警计算机上；
（12）利用所述显示终端分别显示所述第一至第N雷达脉冲描述字信号。
所述特征值包括信号类型编码、脉冲重复周期描述字、脉宽描述字、特征描述字和采样率描述字。
所述特征描述字为带宽描述字、频率阶跃数描述字或码元长度描述字。
分布式雷达告警接收机仿真系统采用分布式结构，主要包括雷达信号产生单元和雷达告警计算机。雷达信号产生单元包括第一计算机PC-1至第N计算机PC-N；通过SystemVue软件实现线性调频信号发生模块、载频加载模块、波形显示模块S1、特征值提取模块M1、虚拟频谱仪S2、信号复原模块M2、信号参数估计模块M3、达角信息显示模块S3、信号估计显示模块S4、信号分选模块M4、脉冲描述字提取模块的功能，各计算机之间通过网线连结。第一计算机PC-1至第N计算机PC-N用于雷达信号的产生，雷达告警计算机用于雷达告警。
在图2中，雷达信号产生单元存在有N个子计算机PC，展示了多个雷达信号产生过程。首先，雷达信号产生单元利用SystemVue软件形成不同的雷达信号，结合环境数据，形成混合信号，并将其传输至雷达告警计算机；在雷达信号告警计算机中，通过SystemVue软件实现信号分选，最终将分选后的脉冲描述字（PDW）数据分别传输至显示终端和数据处理单元，完成一次仿真。
雷达信号产生单元：雷达信号产生单元主要通过SystemVue软件产生雷达源信号（发射信号），并在雷达源信号（发射信号）产生单元中对信号的特征值进行提取，得到发射信号的特征值数据，具体软件结构如图4所示。
在图4中，R1（线性调频信号发生模块）产生线性调频信号LFM，R1是SystemVue软件中自带模块，通过设置模块所需数据，从输出端即能产生所需线性调频信号LFM；C1（载频加载模块）为线性调频信号LFM加上载频，载频可以通过Fc进行设置；S1能够对信号的时域波形进行观测并形成采样数据，用于观察产生的信号是否正确；S2为虚拟频谱仪，用于观测信号频谱信息；M1是通过SystemVue软件编译M语言，目的是对信号进行特征值提取，最终提取的LFM信号的特征值为信号类型编码、采样率描述字、脉宽描述字、脉冲重复周期描述字和特征描述字；所述特征描述字为带宽描述字、幅度描述字、起始频率描述字或调制率描述字。幅度描述字直接通过S1中时域数据即可得到；起始频率描述字和调制率描述字通过对信号进行时频分析，画出信号时频图，也可得到；脉宽描述字、重复周期描述字以及带宽描述字通过信号的时域波形进行测量得到。以上为雷达信号产生单元中，产生线性调频信号的仿真实例。
雷达告警计算机：雷达告警计算机主要是通过对截获到的雷达信号进行处理，最终得到雷达信号的脉冲描述字，具体软件结构如图5所示。
雷达信号描述字通过网线传递至雷达告警计算机，M2即为信号复原模块，改造软件对应的信号生成模块形成信号复原模块（例如软件中的LFM生成模块，增加模块的一个“input”端，用来接收信号描述字也就是特征值数据，所以得到的输出即为源雷达LFM信号）。复原后的信号进入M3，M3为信号参数估计模块，利用联合对角化的方法求出信号空间谱，读出信号的到达角信息，反映在S4中；遍历搜索信号空间谱，得到估计信号的数目，反映在S3中；最后一个输出为雷达信号。将信号传输至M4中，M4为信号分选模块，通过时频单源点检测的方法将混合信号中的每一个雷达信号的描述字提取出，形成最终结果显示在显示终端上，并将雷达信号的描述字传输给数据处理单元进行信号处理。
实验一：数据传输耗时对比实验。
假设，本次实验的源信号为9部雷达同时产生的，信号类型为线性调频、伪码调相以及Barker编码。利用SystemVue软件产生以上几类信号，具体参数见表1~3。
表1 雷达线性调频信号参数
表2 雷达伪码调相信号参数
表3 雷达Barker码信号参数
通过改变三种类型信号的脉冲重复周期实现9个雷达信号。信号产生后，SystemVue软件能够形成雷达信号数据，又由于本次实验是在信号级下进行仿真，采样点数达到了1M，而每个点就是雷达信号时域的幅度值，换算成比特，每个雷达信号每次采样就会产生8Mbit的数据量，9个雷达信号大约就会产生72Mbit以上的数据量，传输时必然会产生时延。将数据打包，最终需要传递的数据量为85032Kbit，利用传输软件，在局域网中将100次实验得到的雷达信号数据进行传输，传输时间如图6所示。
实验中，平均传输速率为11.3Mbit/s。通过计算得到100次实验平均耗时为7.3736s，远远超过了仿真预期耗时，无法达到实时性系统的要求。按照本发明提出的方法改变仿真系统结构，子系统间传输的数据由雷达信号采样数据变为雷达信号特征值数据，包括信号类型编码、脉冲重复周期、脉冲宽度、特征值和采样率。经过打包后，数据量为3.652Kbit。单从数据量上就能看出本发明使用的方法能够很好的减少传输数据量。同样按照上述实验方法进行实验，得到的结果如图7所示。
实验中，平均传输速率为219Kbit/s，平均耗时0.1736s，达到了实时性条件。对比图6和图7，很清楚的可以看到，系统间传输特征值数据所耗时间远小于雷达信号数据传输耗时。说明本发明提出的方法减少了系统间传递的数据量，大大减小数据传输时间。
实验二：接收端复原信号对比实验
将实际的信号接收端复原的雷达信号时域波形与雷达信号发射端产生的信号进行对比，目的是为了验证本发明提出的方法能够保证复原信号不失真。利用均方根误差来表示信号之间的差异，实验结果如图8所示。
从图8可以看出，经过复原的信号与源信号相差无几，最终得到的雷达信号的脉冲描述字相同，说明了本发明所采用的方法不会影响整个系统的仿真结果。
本发明从系统结构出发，在不影响仿真结果的条件下，通过改变系统结构，实现实时信号级仿真。将系统分为信号产生端和信号接收端，并令信号接收端为本地，信号产生端为远端。在远端安装信号特征值提取模块，目的是将产生的信号的特征值提取出来，形成信号描述字，用于完整描述信号的各项特征，并用描述字替代源信号进行传递，从而减少节点间传递的数据量。并在本地增加信号复原模块，用以将接收到的信号描述字进行复原，得到与源信号相同的复原信号。这种方法也可以理解为远端提供指令；本地提供硬件，根据用户所需，获取远端技术指令，并在本地生成对应信号。这种方式的好处在于远端无需提供用户所需全部数据，通过指令指导用户本地硬件产生对应数据，大大减少传输的数据量，缩短了响应时间。这样系统传输的不再是大量的信号数据，取而代之的则是描述字。很明显，系统各节点间传递的信号量大幅减少，传输耗时大幅降低。
如图1所示，信号1至信号n经过特征提取后，得到足够多的能完整描述信号1至信号n的特征值，经过传输线传输至信号接收端。在信号接收端接收的特征值经过信号复原模块，得到与源信号相同的复原信号，并作为至信号处理端的输入信号。从图1中可以看出，传输线中的传输数据不再是信号的采样数据，取而代之的则是描述信号特征的特征值数据，而特征值数据量是远远小于信号本身采样数据的，传输速率得以提高，实时性就从中体现出来。
本发明涉及到的方法，其实是将真正意义上的信号产生端需要完成的任务进行分割，分割为信号特征提取和复原。并将复原模块布置在接收端。所以在两节点之间传递的为信号的特征值，而非庞大的原始信号数据。很明显，系统的通信网络间传递特征值数据量远远小于传递信号数据本身。节点间传递的数据量减少了，所带来的好处就是节点间传递速率增加。
在雷达信号发射端与信号截获模块之间，传输的数据不再是信号采样后的时域数据，取而代之的是提取的不同信号的特征值。信号的发射端产生的只是希望发射的雷达信号的特征值信息，真正产生信号时域数据的硬件部分位于信号截获模块。这就克服了由于雷达发射端与后续的雷达信号处理模块不在同一台PC机上，存在因信号数据量大而产生的信号传输慢、系统响应延迟的问题。
本发明的有益效果是避免分布式系统通信网络各节点间大量数据量的传递，将特征值信息作为节点间传递的信息，大幅提高传输速率，缩短传输耗时，实现实时传输。
本发明也可推广至更一般的分布式系统中去，利用特征值代替各节点之间传递的信息，能够有效提高信息传输速率，实现分布式系统各节点间信息的高速传输，具有广阔的应用前景及实际应用价值。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施例的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于分布式雷达告警接收机仿真系统的信号传输方法，其特征在于在信号发射端，对即将发射的源信号进行特征值的提取，并将提取的特征值向信号接收端进行传输；在信号接收端接收所述特征值，并对所述特征值处理，将所述特征值恢复为与源信号相同的复原信号；然后将所述复原信号输出给信号处理单元进行信号处理；
信号传输方法的具体步骤如下：
（一）建立分布式雷达告警接收机仿真系统硬件平台，其包括雷达信号产生单元、雷达告警计算机和显示终端；所述雷达信号产生单元包括第一计算机PC-1至第N计算机PC-N，其中N为大于1的整数；所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N的输出端分别通过网线接所述雷达告警计算机的相应输入端；所述雷达告警计算机输出端接所述显示终端的相应输入端；数据处理单元的输入端接所述雷达告警计算机的相应输出端；
在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上安装的软件模块相同；
（二）系统进行信号传输方法步骤如下：
（1）利用线性调频信号发生模块产生线性调频信号LFM；所述线性调频信号发生模块分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（2）利用载频加载模块对所述线性调频信号LFM加载载频fc，得到雷达发射信号，所述载频fc的取值范围是0.4~3.5GHz；所述载频加载模块分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（3）利用波形显示模块S1采集所述雷达发射信号的时域数据并显示其时域波形；所述波形显示模块S1分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（4）利用虚拟频谱仪S2将所述雷达发射信号的时域数据进行傅里叶变换，得到频谱信息，并分别显示所述频谱信息；所述虚拟频谱仪S2分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（5）利用特征值提取模块M1对所述雷达发射信号的特征值进行提取，所述特征值包括信号类型编码、脉冲重复周期描述字、脉宽描述字、特征描述字和采样率描述字；所述特征描述字为带宽描述字；所述特征值提取模块M1分别安装在所述第一计算机PC-1至第N计算机PC-N上；
（6）利用信号复原模块M2接收所述雷达发射信号相应的特征值，得到雷达描述字混合信号；然后将所述雷达描述字混合信号复原为线性调频混合信号LFM3；所述信号复原模块M2安装在所述雷达告警计算机上；
（7）利用信号参数估计模块M3接收所述线性调频混合信号LFM3，并将所述线性调频混合信号LFM3变换为信号空间谱；所述信号参数估计模块M3安装在所述雷达告警计算机上；
（8）利用到达角信息显示模块S3读取所述信号空间谱的到达角信息并显示所述到达角信息；所述到达角信息显示模块S3安装在所述雷达告警计算机上；
（9）利用信号估计显示模块S4遍历搜索所述信号空间谱，得到估计信号的数目并显示所述估计信号的数目；所述信号估计显示模块S4安装在所述雷达告警计算机上；
（10）利用信号分选模块M4接收所述雷达线性调频混合信号LFM3，并将所述雷达线性调频混合信号LMF3分离为N个各自独立的第一至第N接收端线性调频信号LFM4-1~LFM4-N；所述信号分选模块M4安装在所述雷达告警计算机上；
（11）利用所述脉冲描述字提取模块分别提取所述第一至第N接收端线性调频信号LFM4-1~LFM4-N的脉冲描述字，得到第一至第N雷达脉冲描述字信号，并将所述第一至第N雷达脉冲描述字信号传输给数据处理单元；所述脉冲描述字提取模块安装在所述雷达告警计算机上；
（12）利用所述显示终端分别显示所述第一至第N雷达脉冲描述字信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式雷达告警接收机仿真系统的信号传输方法，其特征在于：所述特征值包括信号类型编码、脉冲重复周期描述字、脉宽描述字、特征描述字和采样率描述字。
3.根据权利要求2所述的一种基于分布式雷达告警接收机仿真系统的信号传输方法，其特征在于：所述特征描述字为带宽描述字、频率阶跃数描述字或码元长度描述字。
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