CN111277342B - 一种使用矢量信号产生fdma多信道加噪波形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用矢量信号产生FDMA多信道加噪波形的方法。本发明涉及电子仪器技术和通信系统领域，本发明使用矢量信号源即可完成多个FDMA信道加噪波形的生成，假设生成信道个数为K，现有方法需要K台具备高斯加性白噪声加噪功能的矢量信号源，该方法只需要1台即可实现，能将仪器使用效率提高K倍；该方法中各信道信噪比可灵活控制，操作方法简单且提高了仪器利用率，便于生产和研发过程中硬件及信号接收性能的测试。

Description

一种使用矢量信号产生FDMA多信道加噪波形的方法

技术领域

本发明涉及电子仪器技术和通信系统领域，特别是涉及一种使用单台KeysightN5172B矢量信号源产生FDMA多信道加噪波形的方法。

背景技术

矢量信号源又称矢量信号发生器，是指为被测电路和系统能提供各种频率、功率矢量信号的设备。矢量信号源可产生连续波信号、通用测量信号、模拟与数字调制信号、满足无线通信标准的矢量信号、满足广播标准的信号以及用户自定义的信号。适用于移动通信、航空航天、国防军工等各个领域的研发、生产测试。在FDMA信道接收机的研制过程中，在测试和验证阶段需要信号源产生多个频点的调制信号，同时加入噪声以测试接收机性能。

Keysight N5172B矢量信号源为产生射频信号提供了便捷的手段，其中包括ARB调制功能和AWGN加噪功能。该信号源一般被用于单一频点加噪波形的生成，在FDMA多信道加噪波形的需求下，通常采用多台信号源产生不同频点的加噪波形后经合路器提供给接收端，不仅仪器利用效率低还为测试带来了诸多不便。

为提高仪器利用率，简化测试环境，本发明利用MATLAB计算数字通信系统中的信噪比参数并产生信号波形文件，提供一种使用矢量信号源产生FDMA多信道加噪波形的方法，实现了只需单台Keysight N5172B矢量信号源即可产生多个信道加噪的波形。

在“授权公告号：CN 102468806 B”的专利中；叙述了一种白噪声信号发生器，该发生器包括：数字信号处理器，用于根据用户设置生成包括噪声控制命令并设置噪声波形参数；现场可编程门阵列FPGA，用于接收数字信号处理器生成的噪声控制命令和噪声波形参数，并根据噪声控制命令生成随机序列数据；波形DAC，用于将现场可编程门阵列FPGA生成的随机序列数据为随机序列数据模拟信号；参数DAC，用于将现场可编程门阵列FPGA接收的噪声波形参数转换为噪声波形参数模拟信号；模拟输出电路，用于对随机序列数据模拟信号和噪声波形参数模拟信号进行处理输出噪声信号。

在FDMA多信道加噪波形的需求下，现有技术通常采用多台矢量信号源分别产生不同频点的加噪波形，然后经合路器提供给接收端，不仅仪器利用效率低还为测试带来了诸多不便。

发明内容

为解决现有FDMA多信道加噪波形生成方法中存在的仪器使用效率低以及测试的不便，本发明提出一种使用矢量信号产生FDMA多信道加噪波形的方法。

本发明的技术方案是：一种使用矢量信号产生FDMA多信道加噪波形的方法,先通过波形生成软件产生FDMA多信道波形，根据各信道波形需要的信噪比，利用符号速率在波形生成软件中计算出波形文件中各信道波形的功率配比，再利用矢量信号源的波形调制及高斯加性白噪声加噪功能，设置调制信号和噪声参数，实现FDMA多信道加噪波形；

其中，所述产生FDMA多信道加噪波形的具体步骤如下：

(1)、在波形生成软件中产生K个信道波形的原始信息，并对其进行信源编码、信道编码及符号映射，从而得到符号数据c₁，c₂，...，c_k；

(2)、对符号数据c₁，c₂，...，c_k做内插成形处理，设g(t)为升余弦脉冲成形函数，其定义如下：

其中，α为成形因子，T_c为符号周期；

采样率为f_s1，f_s2，...，f_sk，则各个信道波形的成形信号分别为：

(3)、根据各个信道波形的采样率，选取公倍数作为多信道波形的采样率f_s，则K个信道波形的成形信号内插因子分别为：

interp_factor1＝f_s/f_s1

interp_factor2＝f_s/f_s2

interp_factork＝f_s/f_sk

在波形生成软件中使用内插函数对s₁(t)，s₂(t)，...，s_k(t)信号内插，得：

(4)、设多信道波形的中心频点为f₀，K个信道波形对应的频点从小到大依次为f₁，f₂，...，f_k，即f₁和f_k分别表示最小频点和最大频点，则对于中心频点，K个信道波形的调制频率为：

Δf₁＝f₁-f₀

Δf₂＝f₂-f₀

Δf_k＝f_k-f₀

在波形生成软件中将K个信道波形调制到对应频率的载波上，即：

(5)、设K个信道波形设置的信噪比关系为：

则：

其中，d₁,d₂,…,d_k表示K个信道的信噪比比例因子，α₁,α₂,…,α_k表示K个信道的幅度比例因子，E_b1,E_b2,…,E_bk表示K个信道每比特能量，n₀表示噪声功率谱密度，R_b1,R_b2,…,R_bk表示K个信道的信息速率，V₁,V₂,…,V_k表示K个信道波形的信号幅度；

(6)、在波形生成软件中对K个信道波形信号幅度做平衡处理后合并，得：

将s(t)生成FDMA多信道波形文件；

通过波形生成软件将FDMA多信道波形文件上传至矢量信号源，使用矢量信号源波形调制功能选中波形s(t)并设置其采样率为f_s，中心频点为f₀；

所述信道波形整体信噪比为：

其中，S表示总信号功率，N表示总噪声功率，R_s1,R_s2,…,R_sk表示K个信道的符号速率，f₁和f_k表示最小频点和最大频点，W₁和W_k表示最小频点信道和最大频点信道的信号带宽，M表示信号调制方式为MPSK调制，C表示编码码率；

所述矢量信号源对多信道波形整体加噪，在矢量信号源高斯加性白噪声加噪功能中，设置

载波带宽W设置为|f_k-f₁|+W_k/2+W₁/2，噪声带宽B_N≥W，载波信息速率R_b设置为

则最终生成对信道1信噪比为

信道2信噪比为

…，信道k信噪比为

的FDMA多信道加噪波形。

本发明具有的有益效果：使用矢量信号源即可完成多个FDMA信道加噪波形的生成，假设生成信道个数为K，现有方法需要K台具备高斯加性白噪声加噪功能的矢量信号源，该方法只需要1台即可实现，能将仪器使用效率提高K倍；该方法中各信道信噪比可灵活控制，操作方法简单且提高了仪器利用率，便于生产和研发过程中硬件及信号接收性能的测试。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2(a)为本发明中双信道分别内插后并调制到相应频率载波的功率谱密度图；(b)为本发明中双信道合并后的功率谱密度图；

图3(a)为本发明中波形调制功能的设置界面图；(b)为本发明中高斯加性白噪声加噪功能设置界面图；

图4为本发明中加噪后多信道波形的功率谱密度图。

具体实施方式

下面结合实例和说明书附图1-4对发明的技术方案进行详细说明：

本发明所述的一种使用矢量信号产生FDMA多信道加噪波形的方法，先通过波形生成软件产生FDMA多信道波形，根据各信道波形需要的信噪比，利用符号速率在波形生成软件中计算出波形文件中各信道波形的功率配比，再利用矢量信号源的波形调制及高斯加性白噪声加噪功能，设置调制信号和噪声参数，实现FDMA多信道加噪波形；

其中，所述产生FDMA多信道加噪波形的具体步骤如下：

(1)、在波形生成软件中产生K个信道波形的原始信息，并对其进行信源编码、信道编码及符号映射，从而得到符号数据c₁，c₂，...，c_k；

(2)、对符号数据c₁，c₂，...，c_k做内插成形处理，设g(t)为升余弦脉冲成形函数，其定义如下：

其中，α为成形因子，T_c为符号周期；

采样率为f_s1，f_s2，...，f_sk，则各个信道波形的成形信号分别为：

(3)、根据各个信道波形的采样率，选取公倍数作为多信道波形的采样率f_s，则K个信道波形的成形信号内插因子分别为：

interp_factor1＝f_s/f_s1

interp_factor2＝f_s/f_s2

interp_factork＝f_s/f_sk

在波形生成软件中使用内插函数对s₁(t)，s₂(t)，...，s_k(t)信号内插，得：

(4)、设多信道波形的中心频点为f₀，K个信道波形对应的频点从小到大依次为f₁,f₂,...,f_k，即f₁和f_k分别表示最小频点和最大频点，则对于中心频点，K个信道波形的调制频率为：

Δf₁＝f₁-f₀

Δf₂＝f₂-f₀

Δf_k＝f_k-f₀

在波形生成软件中将K个信道波形调制到对应频率的载波上，即：

(5)、设K个信道波形设置的信噪比关系为：

则：

其中，d₁,d₂,…,d_k表示K个信道的信噪比比例因子，α₁,α₂,…,α_k表示K个信道的幅度比例因子，E_b1,E_b2,…,E_bk表示K个信道每比特能量，n₀表示噪声功率谱密度，R_b1,R_b2,…,R_bk表示K个信道的信息速率，V₁,V₂,…,V_k表示K个信道波形的信号幅度；

(6)、在波形生成软件中对K个信道波形信号幅度做平衡处理后合并，得：

将s(t)生成FDMA多信道波形文件；

通过波形生成软件将FDMA多信道波形文件上传至矢量信号源，使用矢量信号源波形调制功能选中波形s(t)并设置其采样率为f_s，中心频点为f₀；

所述信道波形整体信噪比为：

其中，S表示总信号功率，N表示总噪声功率，R_s1,R_s2,…,R_sk表示K个信道的符号速率，f₁和f_k表示最小频点和最大频点，W₁和W_k表示最小频点信道和最大频点信道的信号带宽，M表示信号调制方式为MPSK调制，C表示编码码率；

所述矢量信号源对多信道波形整体加噪，在矢量信号源高斯加性白噪声加噪功能中，设置

载波带宽W设置为|f_k-f₁|+W_k/2+W₁/2，噪声带宽B_N≥W，载波信息速率R_b设置为

则最终生成对信道1信噪比为

信道2信噪比为

…，信道k信噪比为

的FDMA多信道加噪波形。

为验证本发明提出的加噪方法的有效性，通常情况下使用MATLAB和KeysightN5172B矢量信号源生成FDMA双信道波形文件；其中，信道1信息速率R_b1为2.4kbps，信道2信息速率R_b2为16kbps，均采用QPSK调制，编码码率C为1/3，则符号速率R_s1为3.6ksps，R_s2为24ksps；先产生两个信道符号数据，对其分别做16倍内插成形，成形因子为0.35；采样率f_s1为57.6kHz，f_s2为384kHz，选取多信道波形共同采样率f_s为1.152MHz，计算得内插因子interp_factor1为32，interp_factor2为3，在MATLAB中使用interp1函数分别对两个信道波形的信号内插至1.152MHz采样；

假设信道1和信道2频点与中心频点相距+500kHz及-500KHz，则对内插后的信号分别调制到频率Δf₁为500kHz，Δf₂为-500kHz的载波上；当两个信道波形同时加噪且信噪比相等时，d₂/d₁＝1，幅度平衡因子α₁＝1，则

在MATLAB中分别对两个信道做幅度平衡处理后合并，生成信道波形文件并通过Keysight Connection Expert工具上传至Keysight N5172B矢量信号源。

如图2、图3所示，在信号源中设置中心频点f₀为2185MHz，波形调制功能中采样速率f_s设置为1.152MHz；高斯加性白噪声加噪功能中，[E_b/n₀]设置为5dB，由于信号带宽W₁为4.86kHz，W₂为32.4kHz，则信号载波带宽W设置为1.01863MHz，噪声带宽设置为1.2MHz，载波信息速率R_b设置为18.4kbps。

通过以上步骤，生成2185.5MHz频点处R_b＝2.4kbps及2184.5MHz频点处R_b＝16bps的且信噪比均为5dB的FDMA多信道加噪波形；如图4所示，在频谱仪上可观测到加噪后多信道波形的功率谱密度；截取信道1宽度为R_s1的信号区间，根据读数可知：

则

由于

计算得

同理可计算得

信号源[E_b/n₀]设置为5dB，测量结果与信号源设置基本一致。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不仅限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种使用矢量信号产生FDMA多信道加噪波形的方法,其特征在于：先通过波形生成软件产生FDMA多信道波形，根据各信道波形需要的信噪比，利用符号速率在波形生成软件中计算出波形文件中各信道波形的功率配比，再利用矢量信号源的波形调制及高斯加性白噪声加噪功能，设置调制信号和噪声参数，实现FDMA多信道加噪波形；

其中，所述产生FDMA多信道加噪波形的具体步骤如下：

(1)、在波形生成软件中产生K个信道波形的原始信息，并对其进行信源编码、信道编码及符号映射，从而得到符号数据c₁,c₂,...,c_k；

(2)、对符号数据c₁,c₂,...,c_k做内插成形处理，设g(t)为升余弦脉冲成形函数，其定义如下：

其中，α为成形因子，T_c为符号周期；

采样率为f_s1,f_s2,...,f_sk，则各个信道波形的成形信号分别为：

(3)、根据各个信道波形的采样率，选取公倍数作为多信道波形的采样率f_s，则K个信道波形的成形信号内插因子分别为：

在波形生成软件中使用内插函数对s₁(t),s₂(t),...,s_k(t)信号内插，得：

(4)、设多信道波形的中心频点为f₀，K个信道波形对应的频点从小到大依次为f₁,f₂,...,f_k，即f₁和f_k分别表示最小频点和最大频点，则对于中心频点，K个信道波形的调制频率为：

在波形生成软件中将K个信道波形调制到对应频率的载波上，即：

(5)、设K个信道波形设置的信噪比关系为：

则：

其中，d₁,d₂,…,d_k表示K个信道的信噪比比例因子，α₁,α₂,…,α_k表示K个信道的幅度比例因子，E_b1,E_b2,…,E_bk表示K个信道每比特能量，n₀表示噪声功率谱密度，R_b1,R_b2,…,R_bk表示K个信道的信息速率，V₁,V₂,…,V_k表示K个信道波形的信号幅度；

(6)、在波形生成软件中对K个信道波形信号幅度做平衡处理后合并，得：

将s(t)生成FDMA多信道波形文件；

通过波形生成软件将FDMA多信道波形文件上传至矢量信号源，使用矢量信号源波形调制功能选中波形s(t)并设置其采样率为f_s，中心频点为f₀；

所述信道波形整体信噪比为：

其中，S表示总信号功率，N表示总噪声功率，R_s1,R_s2,…,R_sk表示K个信道的符号速率，f₁和f_k表示最小频点和最大频点，W₁和W_k表示最小频点信道和最大频点信道的信号带宽，M表示信号调制方式为MPSK调制，C表示编码码率；

所述矢量信号源对多信道波形整体加噪，在矢量信号源高斯加性白噪声加噪功能中，设置

载波带宽W设置为|f_k-f₁|+W_k/2+W₁/2，噪声带宽B_N≥W，载波信息速率R_b设置为

则最终生成对信道1信噪比为

信道2信噪比为

信道k信噪比为

的FDMA多信道加噪波形。

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