CN114120612B - 一种多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置 - Google Patents

一种多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置 Download PDF

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张忠奎
杨庆坤
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    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本申请提供了一种多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置，属于航空声纳浮标应用技术领域，具体包括信号发生板、触摸屏和发射天线，所述信号发生板包括处理模块、外部接口和数模转模块；触摸屏和外部接口进行发射参数设置，所述数据处理模块根据不同参数输入产生多种信号数字信息，所述信号数字信息通过所述数模转换模块转换成浮标模拟信号，多种所述浮标模拟信号通过所述发射天线发射。通过本申请的处理方案，可以模拟各型声纳浮标无线电信号。

Description

一种多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置
技术领域
本申请涉及航空声纳浮标应用的领域，尤其是涉及一种多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置。
背景技术
航空声纳搜潜系统属于水下目标探测设备，通常由各型声纳浮标和机载接收、处理、显示控制设备组成，接收处理需要同时完成多枚浮标信号的并行接收处理。为了能够充分验证机载接收、处理、显示控制设备的功能和性能，需要一种设备能够产生多种类型的浮标无线电模拟信号来模拟各型浮标。
在地面科研、教学、培训等使用场景中，还需要将实际海洋环境中目标的实测数据进行分析、二次处理或培训声纳员识别特定目标信号，需要将实际海洋环境中目标的实测数据通过浮标信号模拟装置发射出来反复使用。
函数信号发生器仅能产生常用的信号形式，无法产生多种类型的调制信号，矢量信号源虽能够产生符合协议的信号形式，但能够加载的基带数据长度非常有限，不超过1s的数据量；矢量信号源产生多路信号时生成的数据量过大，经常加载失败，无法满足使用要求。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置，解决了现有技术中的问题，可以模拟各型声纳浮标无线电信号。
本申请提供的一种多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置采用如下的技术方案：
一种多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置，包括信号发生板、触摸屏和发射天线，所述信号发生板包括处理模块、外部接口和数模转模块；
触摸屏和外部接口进行发射参数设置，所述数据处理模块根据不同参数输入产生多种信号数字信息，所述信号数字信息通过所述数模转换模块转换成浮标模拟信号，多种所述浮标模拟信号通过所述发射天线发射。
可选的，所述数据处理模块包括处理芯片和存储单元，所述存储单元储存通过外部接口输入的音频数据，每路浮标模拟信号通过处理芯片加载不同的音频数据作为模拟数据的数据源。
可选的，所述处理芯片通过正交调制产生所需要的调制信号，表达式为:
Figure GDA0003944755270000031
S(t)信号频率为ωc1+ωc2，信号的频率为ωc1。其中：
Figure GDA0003944755270000032
Figure GDA0003944755270000033
即I、Q为基带信号，经过第一次上变频，载波频率为ωc1，生成信号I'、Q'，I'、Q'信号经过第二次上变频，载波频率为ωc2，I'、Q'需要按上述公式产生，最终生成信号频率为ωc1+ωc2。
在单片集成电路上产生多路浮标无线电模拟信号的方法为描述如下。
第一路信号，频率为ωc1，表达式：
Figure GDA0003944755270000034
Figure GDA0003944755270000035
第二路信号，频率为ωc2，表达式：
Figure GDA0003944755270000041
Figure GDA0003944755270000042
IM＝I'1+I'2
QM＝Q'1+Q'2
S(t)＝IMcos(ωct)-QMsin(ωct)
即IM、QM为频率为ωc1和ωc2两路信号的合成，IM、QM信号经过第二次上变频，载波频率为ωc，最终生成信号频率为ωc1+ωc和ωc2+ωc两路频率不同的信号，ωc的频率采取固定方式，由集成在DA内部PLL进行实现，ωc1和ωc2由集成电路内部DDS实现。
可选的，需要两路以上频率不同的信号时，采用多个DDS可以在实现多路频率不同的信号，增加ωcn，获得I'n、Q'n，进而获得：
IM＝I'1+I'2……I'n
QM＝Q'1+Q'2……Q'n
即可得生成信号频率为ωc1+ωc、ωc2+ωc……ωcn+ωc多路频率不同的信号。
可选的，通过改变I、Q信号的表达方式可以生成不同调制方式的信号，所述调制方式包括FM、AM、FSK、GMSK。
可选的，FM信号数字化对应的表达式为：
Figure GDA0003944755270000043
其中I、Q为基带数据,s(n)为音频信号，
I＝cos(kf∑s(n))
Q＝sin(kf∑s(n))。
可选的，AM信号的产生方法描述为：AM信号数字化对应的表达式为：
Figure GDA0003944755270000051
其中I、Q为基带数据,s(n)为音频信号，
I＝s(n)
Q＝0。
可选的，FSK信号的产生方法为：FSK比特流数据为：
Figure GDA0003944755270000052
FSK信号数字化对应的表达式为：
Figure GDA0003944755270000053
Figure GDA0003944755270000054
Figure GDA0003944755270000055
其中I、Q为基带已调数据,其中ak＝±1。
可选的，GMSK信号的产生方法为：GMSK信号的表达式为：
Figure GDA0003944755270000061
其中
Figure GDA0003944755270000062
为经过高斯低通滤波器后信号的相位积分：
Figure GDA0003944755270000063
g(t)为高斯滤波器的矩形脉冲击响应，其中ak＝±1，ak原始比特数据差分编码，Tb为码元周期，
其中I、Q为基带已调数据,
Figure GDA0003944755270000064
高斯低通滤波器后信号的相位积分，
Figure GDA0003944755270000065
可选的，还包括数控衰减器，通过改变I'、Q'信号的幅值可以生成不同功率的信号。I'1、Q'1、I'2、Q'2、I'N、Q'N位宽均为16位，通过调整I'1、Q'1、I'2、Q'2、I'N、Q'N的幅度可实现不同频率信号不同输出功率的要求，同时结合数控衰减器调整发射功率，某一路I'、Q'信号的幅值设置为0时，该路信号无输出，实现信号的发射和关闭控制。
综上所述，本申请包括以下有益技术效果：
1、通过软件无线电的方式产生所需要的信号，在单片集成电路上实现了多频多模声纳浮标无线电信号的产生，射频调制方式支持FM、AM、2FSK、GMSK四种调制方式，音频调制方式支持无调制、FSK两种选择，发射频率可以支持在136MHz～200MHz、300MHz～400MHz范围内任意频率，频率分辨率4Hz；
2、音频数据通过网口导入到多路浮标信号模拟装置内部的存储器中，以文件的形式进行存储，每路浮标模拟信号可以加载不同的文件作为模拟数据的数据源；
3、浮标信号模拟装置通过软件无线电方式结合数控衰减器调整发射功率，发射功率可以在-90dBm～0dBm范围内步进1dB进行调整。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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它的附图。
图1为本申请浮标无线电信号模拟装置调制信号生成框图；
图2为本申请浮标无线电信号模拟装置多频多模信号生成框图；
图3为本申请浮标无线电信号模拟装置实现框图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本申请实施例提供一种多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置。
如图1所示，一种多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置，信号发生板、触摸屏和发射天线，所述信号发生板包括处理模块、外部接口和数模转模块。
触摸屏和外部接口进行发射参数设置，所述数据处理模块根据不同参数输入产生多种信号数字信息，所述信号数字信息通过所述数模转换模块转换成浮标模拟信号，多种所述浮标模拟信号通过所述发射天线发射。
所述数据处理模块包括处理芯片和存储单元，所述存储单元储存通过外部接口输入的音频数据，每路浮标模拟信号通过处理芯片加载不同的音频数据作为模拟数据的数据源。音频数据通过网口导入到模拟装置内部的NAND flash存储器中，以文件的形式进行存储，每路浮标模拟信号可以加载不同的文件作为模拟数据的数据源。
多频多模声纳浮标无线电信号模拟装置，可以模拟各型声纳浮标无线电信号，可通过触摸屏和外部接口进行发射参数设置，可以设置发射多路无线电信号、每路发射频率、发射功率、调制方式、调制速率、音频数据可以单独进行设置，多路浮标无线电信号可以通过天线进行无线发射，也可通过有线方式传输到接收处理系统。
如图2和图3所示，所述处理芯片通过正交调制产生所需要的调制信号，表达式为:
Figure GDA0003944755270000101
S(t)信号频率为ωc1+ωc2，信号的频率为ωc1。其中：
Figure GDA0003944755270000102
Figure GDA0003944755270000103
即I、Q为基带信号，经过第一次上变频，载波频率为ωc1，生成信号I'、Q'，I'、Q'信号经过第二次上变频，载波频率为ωc2，I'、Q'需要按上述公式产生，最终生成信号频率为ωc1+ωc2。
在单片集成电路上产生多路浮标无线电模拟信号的方法为描述如下。
第一路信号，频率为ωc1，表达式：
Figure GDA0003944755270000104
Figure GDA0003944755270000105
第二路信号，频率为ωc2，表达式：
Figure GDA0003944755270000111
IM＝I'1+I'2
QM＝Q'1+Q'2
S(t)＝IMcos(ωct)-QMsin(ωct)
即IM、QM为频率为ωc1和ωc2两路信号的合成，IM、QM信号经过第二次上变频，载波频率为ωc，最终生成信号频率为ωc1+ωc和ωc2+ωc两路频率不同的信号，ωc的频率采取固定方式，由集成在DA内部PLL进行实现，ωc1和ωc2由集成电路内部DDS实现。同理可以生成多路频率不同的信号。本发明中，在多路不同频率信号的实现过程，将信号产生过程拆分为两次变频，ωc的频率采取固定方式，由集成在DA内部PLL进行实现，ωc1和ωc2由集成电路内部DDS实现，采用多个DDS可以在实现多路频率不同的信号。
通过改变I、Q信号的表达方式可以生成不同调制方式的信号，所述调制方式包括FM、AM、FSK、GMSK。
FM信号数字化对应的表达式为：
Figure GDA0003944755270000112
其中I、Q为基带数据,s(n)为音频信号，
I＝cos(kf∑s(n))
Q＝sin(kf∑s(n))。
AM信号的产生方法描述为：AM信号数字化对应的表达式为：
Figure GDA0003944755270000121
其中I、Q为基带数据,s(n)为音频信号，
I＝s(n)
Q＝0。
FSK信号的产生方法为：FSK比特流数据为：
Figure GDA0003944755270000122
FSK信号数字化对应的表达式为：
Figure GDA0003944755270000123
Figure GDA0003944755270000124
Figure GDA0003944755270000125
其中I、Q为基带已调数据,其中ak＝±1。
GMSK信号的产生方法为：GMSK信号的表达式为：
Figure GDA0003944755270000131
其中
Figure GDA0003944755270000132
为经过高斯低通滤波器后信号的相位积分：
Figure GDA0003944755270000133
g(t)为高斯滤波器的矩形脉冲击响应，其中ak＝±1，ak原始比特数据差分编码，Tb为码元周期，
其中I、Q为基带已调数据,
Figure GDA0003944755270000134
高斯低通滤波器后信号的相位积分，
Figure GDA0003944755270000135
通过触摸屏和外部接口进行发射参数设置，发射频率通道号可设置为1～103，功率可设置为-90dBm～0dBm，调制方式可设置为FM、AM、FSK、GMSK，调制速率可设置为64kbps、128kbps、256kbps，每路信号的输出可发设置为发射/关闭。参数设置后自动存储在信号发生板内部EEPROM，再次上电后自动重新加载，无需反复设置。
多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置还包括数控衰减器，通过改变I'、Q'信号的幅值可以生成不同功率的信号。I'1、Q'1、I'2、Q'2、I'N、Q'N位宽均为16位，通过调整I'1、Q'1、I'2、Q'2、I'N、Q'N的幅度可实现不同频率信号不同输出功率的要求，同时结合数控衰减器调整发射功率，某一路I'、Q'信号的幅值设置为0时，该路信号无输出，实现信号的发射和关闭控制。
通过改变I'、Q'信号的幅值可以生成不同功率的信号。I'1、Q'1、I'2、Q'2、I'N、Q'N位宽均为16位，通过调整I'1、Q'1、I'2、Q'2、I'N、Q'N的幅度可实现不同频率信号不同输出功率的要求，同时结合数控衰减器调整发射功率，发射功率可以在-90dBm～0dBm范围内步进1dB进行调整，当某一路I'、Q'信号的幅值设置为0时，该路信号无输出，实现信号的发射和关闭控制。
通过改变I、Q信号的速率可以生成不同调制速率的信号、Q'2、I'N、Q'N位宽均为16位，通过调整I'1、Q'1、I'2、Q'2、I'N、Q'N的幅度可实现不同频率信号不同输出功率的要求，同时结合数控衰减器调整发射功率，发射功率可以在-90dBm～0dBm范围内步进1dB进行调整。
通过触摸屏和外部输入的发射参数，将参数发送给信号发生板内部的调制软件，控制选择对应的调制方式，调制速率、音频文件、发射功率、发射/关闭。参数设置后自动存储在信号发生板内部EEPROM。
本申请通过软件无线电的方式产生所需要的浮标无线电模拟信号，射频调制方式支持FM、AM、FSK、GMSK四种调制方式，音频调制方式支持无调制、FSK两种选择，发射频率可以在136MHz～200MHz、300MHz～400MHz范围内任意设置，频率分辨率4Hz。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置，其特征在于，包括信号发生板、触摸屏和发射天线，所述信号发生板包括处理模块、外部接口和数模转模块；
触摸屏和外部接口进行发射参数设置，所述处理模块根据不同参数输入产生多种信号数字信息，所述信号数字信息通过所述数模转换模块转换成浮标模拟信号，多种所述浮标模拟信号通过所述发射天线发射；
所述处理模块包括处理芯片和存储单元，所述存储单元储存通过外部接口输入的音频数据，每路浮标模拟信号通过处理芯片加载不同的音频数据作为模拟数据的数据源；
所述处理芯片通过正交调制产生所需要的调制信号，表达式为:
Figure FDA0003944755260000011
S(t)信号频率为ωc1+ωc2，信号的频率为ωc1，其中：
Figure FDA0003944755260000021
Figure FDA0003944755260000022
即I、Q为基带信号，经过第一次上变频，载波频率为ωc1，生成信号I'、Q'，I'、Q'信号经过第二次上变频，载波频率为ωc2，I'、Q'需要按上述公式产生，最终生成信号频率为ωc1+ωc2；
在单片集成电路上产生多路浮标无线电模拟信号的方法为描述如下，
第一路信号，频率为ωc1，表达式：
Figure FDA0003944755260000023
Figure FDA0003944755260000024
第二路信号，频率为ωc2，表达式：
Figure FDA0003944755260000025
Figure FDA0003944755260000026
IM＝I’1+I’2
QM＝Q'1+Q'2
S(t)＝IMcos(ωct)-QMsin(ωct)
即IM、QM为频率为ωc1和ωc2两路信号的合成，IM、QM信号经过第二次上变频，载波频率为ωc，最终生成信号频率为ωc1+ωc和ωc2+ωc两路频率不同的信号，ωc的频率采取固定方式，由集成在DA内部PLL进行实现，ωc1和ωc2由集成电路内部DDS实现。
2.根据权利要求1所述的多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置，其特征在于，需要两路以上频率不同的信号时，采用多个DDS可以在实现多路频率不同的信号，增加ωcn，获得I'n、Q'n，进而获得：
IM＝I’1+I’2……I’n
QM＝Q’1+Q’2……Q’n
即可得生成信号频率为ωc1+ωc、ωc2+ωc……ωcn+ωc多路频率不同的信号。
3.根据权利要求2所述的多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置，其特征在于，通过改变I、Q信号的表达方式可以生成不同调制方式的信号，所述调制方式包括FM、AM、FSK、GMSK。
4.根据权利要求3所述的多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置，其特征在于，FM信号数字化对应的表达式为：
Figure FDA0003944755260000031
其中I、Q为基带数据,s(n)为音频信号，
I＝cos(kf∑s(n))
Q＝sin(kf∑s(n))。
5.根据权利要求3所述的多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置，其特征在于，AM信号的产生方法描述为：AM信号数字化对应的表达式为：
Figure FDA0003944755260000041
其中I、Q为基带数据,s(n)为音频信号，
I＝s(n)
Q＝0。
6.根据权利要求3所述的多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置，其特征在于，FSK信号的产生方法为：FSK比特流数据为：
Figure FDA0003944755260000042
FSK信号数字化对应的表达式为：
Figure FDA0003944755260000043
Figure FDA0003944755260000044
Figure FDA0003944755260000045
其中I、Q为基带已调数据,其中ak＝±1。
7.根据权利要求3所述的多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置，其特征在于，GMSK信号的产生方法为：GMSK信号的表达式为：
Figure FDA0003944755260000046
其中
Figure FDA0003944755260000051
为经过高斯低通滤波器后信号的相位积分：
Figure FDA0003944755260000052
g(t)为高斯滤波器的矩形脉冲击响应，其中ak＝±1，ak原始比特数据差分编码，Tb为码元周期，
其中I、Q为基带已调数据,
Figure FDA0003944755260000053
高斯低通滤波器后信号的相位积分，
I＝cos(φ(t))
Q＝sin(φ(t))。
8.根据权利要求3-7中任一项所述的多频多模声纳浮标模拟信号模拟装置，其特征在于，还包括数控衰减器，通过改变I'、Q'信号的幅值可以生成不同功率的信号，I'1、Q'1、I'2、Q'2、I'N、Q'N位宽均为16位，通过调整I'1、Q'1、I'2、Q'2、I'N、Q'N的幅度可实现不同频率信号不同输出功率的要求，同时结合数控衰减器调整发射功率，某一路I'、Q'信号的幅值设置为0时，该路信号无输出，实现信号的发射和关闭控制。
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