CN112434415B - 一种面向微波光子阵列系统射频前端异构模型的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波光子阵列系统射频前端模型的建模和仿真领域，公开了一种面向微波光子阵列系统射频前端异构模型的实现方法，包括：采用动态数据写入的方式将时域信号输入至异构模型的输入端口；将异构模型输入端口获取的时域信号进行信号分离，分成纯信号数据和纯噪声数据；围绕仿真目的和对象，构建异构模型中的子模型；相应的子模型各自接收纯信号数据或纯噪声数据并进行仿真计算处理；将被处理后的纯信号数据和纯噪声数据以统一数据格式复用为一路数据，作为异构模型的输出接口。本发明提供的方法可解决不同学科、不同专业、不同仿真工具所构建的模型不兼容的问题。

Description

一种面向微波光子阵列系统射频前端异构模型的实现方法

技术领域

本发明涉及微波光子阵列系统射频前端模型的建模领域，特别是涉及一种面向微波光子阵列系统射频前端异构模型的实现方法。

背景技术

随着微波光子阵列系统的复杂程度不断增大，所涉及的软件、硬件等系统高度交联与集成，通常结合了异构且复杂的子系统，实现如此复杂的系统面临挑战。

传统上，工程师通过使用设计工具对系统进行规格化、设计、仿真以及分析。但各领域(光学、微波、数字、机械、电子、流体、人为因素)之间相互联系的复杂性削弱了只适用于单个领域工具的有效性，越来越多的模型和设计工具需要整合，因此异构模型的封装及仿真成为了关键。

当前，异构模型封装方法主要利用标准化接口将多个不同的仿真工具和模型进行整合，如Modelica协会推出的功能模型接口标准(缩写FMI)。但此标准难以适应微波光子类型的电子信息系统对光电模型端口的描述，同时也缺乏对可变长矩阵类型数据的支持。具体来说：对于一个射频模型的电路端口可被描述为一个包含信号、噪声、时频信息等的结构体，一个光子模型的光路端口则可能以时间序列、x偏振态、y偏振态的方式描述。在时域链路仿真中的时间窗、采样率等全局参数则要求模型能够对矩阵类型的数据进行有效支持。

要全面构建微波光子阵列系统前端链路模型，满足多学科、多专业的模型拉通仿真，以及对更加精细化模型(如噪声仿真)的需求，一种更具针对性的异构模型封装和仿真方法的研究和构建尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种利用不同物理域间数据转换与匹配来完成微波光子射频前端异构模型的实现方法，具体来说，针对射频前端链路中多学科协同和多专业共融等特点，通过基于数据驱动的模型构建思路，利用动态文本的数据交互模式，配合双数据支路传输方法，实现了微波、光波、数字等异构模型的针对性封装和仿真。

本发明采用的技术方案如下：一种面向微波光子阵列系统射频前端异构模型的实现方法，包括：

采用动态数据写入的方式将时域信号输入至异构模型的输入端口；

将异构模型输入端口获取的时域信号进行信号分离，分成纯信号数据和纯噪声数据；

围绕仿真目的和对象，构建异构模型中的子模型；

相应的子模型各自接收纯信号数据或纯噪声数据并进行仿真计算处理；

将被处理后的纯信号数据和纯噪声数据以统一数据格式复用为一路数据，作为异构模型的输出接口。

进一步的，将子模型的仿真计算结果写入文件，便于将计算结果在子模型之间传递。

进一步的，构建子模型的步骤中，采用专业的仿真工具构建子模型。其中，所述专业的仿真工具包括：ADS、HFSS、VPI和Matlab。

进一步的，所述动态数据写入方式具体为：

在一个完整仿真周期内按仿真节拍动态地将时域信号在某一时间窗下形成的数据序列进行写磁盘操作。

进一步的，子模型各自对纯信号数据或纯噪声数据仿真处理具体包括：

用于计算纯信号的子模型接收处理纯信号数据，用于计算噪声信号的子模型接收并处理纯噪声数据。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明针对微波光子阵列系统射频前端多学科协同仿真领域，可解决不同学科、不同专业、不同仿真工具所构建的模型不兼容的问题。与传统的模型封装和仿真方法相比，本发明基于数据驱动的模型构建思路，利用动态文本的数据交互模式，配合双数据支路传输方法，实现了微波、光波、数字等异构模型的通用封装和仿真方法，有望为复杂系统中多学科协同仿真提供兼容度好、精度高的模型。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是异构模型封装示意图。

图3是信号、噪声融合处理的数据格式。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1所示，本发明实施例提供一种面向微波光子阵列系统射频前端异构模型的实现方法，具体的，为构建微波光子系统射频前端异构模型，需具备两个方面的要素：一是对时域信号数据的处理，二是对时域信号经过微波光子系统射频前端实际器件的响应进行仿真。一般，对数据进行处理可通过定义计算机编程语言层面的数据结构实现；对信号经过实际器件的时域响应则需要利用专业仿真模型核进行运算获得。因此本方法构建异构模型实际上包括：表征时域信号的数据序列的分离与合并处理步骤，以及能够模拟射频前端对时域中纯信号和纯噪声进行响应的专业模型核。

在具备上述要素后，使用者通过对该异构封装模型的输入端口注入激励信号，驱动模型完成仿真运算，即可在输出端口得到微波光子射频前端模型对激励信号的时域响应特性。

本方法步骤如下：

首先，采用动态数据写入的方式将时域信号输入至异构模型的输入端口。

由于一个系统中包含了不同专业、不同学科的模型，而各个模型之间无法直接交互，但是几乎每一种专业的模型都提供数据的读入和读出，因此为了模型的通用性和高度兼容性，本实施例采用在一个完整仿真周期内按仿真节拍动态地将时域信号在某一时间窗下形成的数据序列进行写磁盘操作，从而实现在异构模型内部把纯信号数据及纯噪声数据在不同的处理环节中进行传递。

其次，此异构模型需要将从输入端口获取的混有噪声的时域激励信号进行数据分离，形成纯信号数据支路及纯噪声数据支路。因为在实际系统中，一个器件的输入、输出端口既包含了信号，也包含了噪声。为了对标实际器件，本实施例的异构模型的每一个接口都包含了信号和噪声。在模型内将信号数据和噪声数据分开，是完成信号和噪声单独仿真的前提条件。

然后，围绕仿真目的和对象，调用专业的的仿真工具构建异构模型内部的子模型。例如射频仿真调用ADS、天线仿真调用HFSS、光学仿真调用VPI、数字信号处理调用Matlab等，从而确保封装模型的准确性，同时实现对原有模型的充分复用。当然，也可以选择已经由专业仿真工具(特指商用EDA工具软件)构建好的子模型。

在信号分离处理后，相应的子模型各自接收纯信号数据或纯噪声数据进行仿真处理，用于计算纯信号的子模型将仅接收并处理纯信号数据，而用于计算噪声的子模型将仅接受并处理纯噪声数据。

最后，将处理后的信号支路数据和噪声支路数据以统一数据格式复用为一路，并作为该异构模型的输出接口。

优选地，将子模型的仿真计算结果写入文件，便于将该结果向后一级的数据处理环节进行传递。

本实施例提供的方法，具有以下几个特点：1)适用于微波光子系统射频前端链路异构模型封装，以及利用封装模型对微波光子系统射频前端链路进行时域仿真；2)带有噪声特性，可完成噪声传递和噪声仿真，提高系统的准确度；3)提供统一的数据接口、数据格式，可支持微波光子阵列系统的多学科协同仿真。一般来讲，异构模型的封装和仿真方法在多学科协同的微波光子阵列系统仿真中具有重大意义，可显著提升仿真系统中模型的兼容性，提高仿真精度。因此本方法能够提升微波、光学、数字等多学科协同仿真的能力和准确度，在微波光子阵列系统的系统级仿真领域具有重大意义与应用价值。

下面，给出一个实施实例。

本实例以一个典型的微波光子射频前端的模型封装为例对上述实施例提到的方法进行阐述。为了保证前端模型的准确度，这里可以调用专用的射频仿真软件ADS来进行前端主要部分的建模。但是，利用ADS软件构建的模型无法直接与其他专业的仿真工具所开发的光学模型、数字模型等连接，因此需要进行异构模型封装，其基本过程如图2所示：

1、信号、噪声数据的提取。

将输入的信号数据进行二位数组降维，生产两个一维数组，从而匹配ADS的数据传输关系。其输出的两个数组分别为纯信号数据和纯噪声数据，如图3所示。

2、数据的存储和读取。

分别读取分离出来的纯信号数据和纯噪声数据，并分别存储进相应的模型中。

3、专业模型的构建。

按照微波前端的实际构成，利用射频专业的仿真工具ADS进行模型构建，并首先选择S参数仿真，得到模型的整体增益和噪声系数，并传给下一级子模型；选择数据流驱动的仿真方法，完成前端模型的时域仿真。值得注意的是，为了保证仿真的精确度，信号支路和噪声支路上用到的子模型都利用ADS软件进行建模和仿真。

4、数据的存储和读取。

这一步主要完成读取涉及利用ADS软件构建的射频模型解算得到的数据并进行传递。

5、信号、噪声融合。

将两个输入的一维数组合并成一个二维数组，包含信号和噪声数据，保证模型封装时数据接口形式的统一，从而完成微波光子射频前端异构模型建模过程。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种面向微波光子阵列系统射频前端异构模型的实现方法，其特征在于，包括：

采用动态数据写入的方式将时域信号输入至异构模型的输入端口；

将异构模型输入端口获取的时域信号进行信号分离，分成纯信号数据和纯噪声数据；

围绕仿真目的和对象，构建异构模型中的子模型；

相应的子模型各自接收纯信号数据或纯噪声数据并进行仿真计算处理，将子模型的仿真计算结果写入文件，便于将计算结果在子模型之间传递；具体包括：用于计算纯信号的子模型接收处理纯信号数据，用于计算噪声信号的子模型接收并处理纯噪声数据；

将被处理后的纯信号数据和纯噪声数据以统一数据格式复用为一路数据，作为异构模型的输出接口。

2.根据权利要求1所述的一种面向微波光子阵列系统射频前端异构模型的实现方法，其特征在于，构建子模型的步骤中，采用专业的仿真工具构建子模型；所述专业的仿真工具包括：ADS、HFSS、VPI和Matlab。

3.根据权利要求1所述的一种面向微波光子阵列系统射频前端异构模型的实现方法，其特征在于，所述动态数据写入方式具体为：

在一个完整仿真周期内按仿真节拍动态地将时域信号在某一时间窗下形成的数据序列进行写磁盘操作。

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