CN114520697A - 一种数字域多信号合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字域多信号合成方法，属于复杂通信信号模拟仿真和通信装备测试技术领域，在一个信号带宽内可产生多种样式的信号，包括FDMA、TDMA、CDMA等信号；可将仿真产生的信号和采集的实际信号样本进行合成，形成复杂的宽带多载波信号，信号逼真度高，便于模拟多种信号场景；采用了噪声拟合、线性重采样、频域滤波等技术，在进行多载波合成时将仿真信号和实采信号的噪声进行了校准，保持了宽带信号底噪的一致性。

Description

一种数字域多信号合成方法

技术领域

本发明属于复杂通信信号模拟仿真和通信装备测试技术领域，具体涉及一种数字域多信号合成方法。

背景技术

在通信装备测试时，需要产生不同测试场景下的多类信号，以满足测试的需求；而进行复杂电磁环境仿真时，为了尽可能地模拟真实的情况，需要在一个带宽内产生多个载波，每个载波的样式都不尽相同。针对此类问题，国内外的研究机构和各大公司对该问题均开展了广泛的研究，目前在该领域也已存在一些专利。

如中国专利申请号CN201710769091.9公开了一种快速多目标信号合成方法。该专利主要用于雷达目标信号产生与模拟领域。该方法通过信号包络信息处理得到多目标信号合成后的包络信息，以及单个信号与合成信号之间的包络关系；并通过合成信号脉内信息处理对合成信号添加脉内调制信息，形成多目标波形文件。该方法主要针对雷达多目标信号，适应的应用场景有限。

如中国专利申请号CN201310044803.2公开了一种多信号流的信号合成方法和装置。该方法利用多个天线同时接收一路信号，并对每一路信号分别进行乘积处理，最后将得到的多个乘积结果进行相加，得到最终的合成信号。该方法通过对接收同一信号的多个天线信号进行合成，以达到提升信号信噪比的目的，其采用的方法并不适用于宽带多载波信号的合成。

现有的信号合成方法主要针对预设格式的信号，在合成宽带信号的逼真度和复杂度，以及应用场景的普适性，存在一定的局限性。

因此，现阶段需设计一种数字域多信号合成方法，来解决以上问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种数字域多信号合成方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题，现有的信号合成方法主要针对预设格式的信号，在合成宽带信号的逼真度和复杂度，以及应用场景的普适性，存在一定的局限性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种数字域多信号合成系统，包括样本编辑模块、仿真信号产生模块、噪声拟合及信号合成模块；其中，

所述样本编辑模块用于：对通过模拟采集得到的数字信号样本进行编辑，所述数字信号样本来自实际的空中信号，编辑处理的过程包括数字滤波、重采样、数字变频、噪声叠加，从而得到待合成的数字信号样本；

所述仿真信号产生模块用于：产生预设格式的仿真信号，依次通过信息成帧、数字调制、信道编码和噪声产生过程，形成仿真的数字信号样本；

所述噪声拟合及信号合成模块用于：对编辑后的数字信号样本和仿真的数字信号样本进行合成；且在合成前对各个信号样本进行噪声测量，并拟合至相同的水平，再进行信号的叠加，形成合成的宽带多载波信号。

进一步的，所述样本编辑模块中，

数据源选择伪随机序列或用户指定的二进制文件；

采用模块化的设计，扰码、内码、交织、外码、差分、成帧、扩频模块进行灵活组合，形成多种规格信号；

采用开放式的设计架构，通过加载信号规格描述文件产生不同的仿真信号；

通过重采样和信号合成，在一个带宽内产生多个不同类型的信号。

进一步的，所述仿真信号产生模块中还涉及频域数字滤波和基于线性插值的重采样；其中，

所述频域数字滤波具体如下：

进行数字下变频处理，将选中的信号变换到基带；

分段对信号进行FFT变换，得到信号的频谱数据，同时根据信号带宽计算出信号在频域系数的取值范围；

将在信号频域系数取值范围之外的系数置为0，等效于进行矩形滤波；

对频域数据进行IFFT变换，得到滤波后的信号数据；

所述基于线性插值的重采样具体如下：

在对采集的信号进行带宽变换时，其插值倍数或抽取倍数为任意值，此时通过线性插值技术对信号进行重采样；即，

假定输入信号序列为X(n)，过采样倍数为m1，输出信号序列为Y(n)，过采样倍数为m2；

令Y(t)为输出序列中的任意一点，则其计算公式为：

Y(t)=X(k-1)+(X(k)-X(k-1))*Δt

上式中，k=floor(t*m1/m2), Δt= t*m1/m2-k；

利用线性插值技术实现任意倍数的重采样倍数的转换，从而实现对信号带宽的变换。

进一步的，在所述噪声拟合及信号合成模块中，具体如下：

假定宽带信号样本为

，采样率为

，长度为L；

产生不带噪声的仿真信号

；

选择信号带宽

，对宽带样本信号进行滤波，得到滤波后的样本信号

；

在宽带信号中选择一段连续噪声，其带宽为

，对宽带信号进行频域滤波，得到纯噪声

；

计算噪声谱密度：

；

产生均值为0，方差为1的宽带高斯白噪声

,噪声数据长度为L；按照带宽

对宽带噪声进行滤波，得到滤波后的噪声

；

根据宽带信号的噪声谱密度调整噪声

的幅度，得到合成信号噪声

为：

；

将仿真信号、滤波后的宽带信号和噪声信号进行叠加，得到最终的宽带合成信号

为：

。

一种数字域多信号合成方法，包括以下步骤：

S1：启动处理流程，分别进入仿真样本产生流程和样本编辑流程；

S2：仿真样本生成如下：首先设置仿真信号的数据源类型、编码参数和调制参数，然后进行数据成帧和编码调制处理，得到仿真信号样本；

S3：样本编辑流程如下：首先设置样本编辑的参数，包括源信号样本路径，源、目标信号样本采样率、频率及带宽，然后通过数字滤波得到待编辑的信号，再经过重采样得到目标信号的样本；

S4：产生的仿真信号样本无噪声，而经过编辑的模采样本是含噪声的。因此，在合成前，需先产生一个全带宽的高斯白噪声，同时将模采样本信号对应带宽的噪声滤除；

S5：根据测量出的各模采样本信号的噪声水平，在信号合成前分别调整各个模采样本的幅度，使得待合成的各个仿真样本和模采样本噪声水平一致；

S6：将各个仿真样本和编辑后的模采样本进行叠加，完成最终的幅度调整，得到宽带多载波的合成信号。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

本方案其中一个有益效果在于，在一个信号带宽内可产生多种样式的信号，包括FDMA、TDMA、CDMA等信号；可将仿真产生的信号和采集的实际信号样本进行合成，形成复杂的宽带多载波信号，信号逼真度高，便于模拟多种信号场景；采用了噪声拟合、线性重采样、频域滤波等技术，在进行多载波合成时将仿真信号和实采信号的噪声进行了校准，保持了宽带信号底噪的一致性。

附图说明

图1为本申请实施例的信号合成流程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图1，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的信号合成方法主要针对预设格式的信号，在合成宽带信号的逼真度和复杂度，以及应用场景的普适性，存在一定的局限性。

一种数字域的多信号合成系统。其组成主要包括三个部分：样本编辑模块、仿真信号产生模块、噪声拟合及信号合成模块。

样本编辑模块用于对通过模拟采集得到的数字信号样本进行编辑，这些数字信号样本来自实际的空中信号，因此在信号样式上与真实情况完全一致。处理的过程包括数字滤波、重采样、数字变频、噪声叠加等，从而得到待合成的数字信号样本。

仿真信号产生模块用于产生预设格式的仿真信号，依次通过信息成帧、数字调制、信道编码和噪声产生过程，形成仿真的数字信号样本。

噪声拟合及信号合成模块对编辑后的数字信号样本和仿真的数字信号样本进行合成。为了确保合成后的宽带信号底噪水平相同，在合成前需要对各个信号样本进行噪声测量，并拟合至相同的水平，再进行信号的叠加，形成合成的宽带多载波信号。

下面对系统的各组成部分进行详细的阐述。

仿真信号产生模块，该模块可通过内置的编码、调制等模块，产生各类仿真的信号样本。该模块可以仿真多类不同规格的复杂信号，具有下列特点：

数据源可以选择伪随机序列，也可以选择用户指定的二进制文件；

采用模块化的设计，扰码、内码、交织、外码、差分、成帧、扩频等模块可灵活进行组合，形成各种复杂规格信号；

采用开放式的设计架构，通过加载信号规格描述文件产生不同的仿真信号，便于用户扩展信号的样式；

通过重采样和信号合成技术，在一个带宽内可以产生多个不同类型的信号。

利用该模块可以仿真宽带的多载波信号，包含多个FDMA和TDMA载波。

样本编辑模块，在无线通信环境中，通过模拟采集各类真实信号，可以积累丰富的信号样本。将这些样本作为素材，通过选取其中感兴趣的信号，对其频率、带宽进行编辑后，即可作为信号合成的样本来源。

对于频域数字滤波，实际通信环境中采集得到的信号样本通常较为复杂，包含多类不同的信号，在进行合成前需要选择所需的信号，进行数字滤波，滤除其他的信号，这样才能确保在多个样本信号进行合成时，不发生频谱混叠的情况。数字信号处理中常用的滤波器是FIR滤波器，由于理想滤波器是无法实现的，实际的数字滤波器都存在一定的过渡带，当需要将多个滤波后的信号样本进行合成时，过渡带将与信号发生重叠，影响合成后的信号质量。

为了解决这个问题，我们采用了频域滤波技术。其处理流程如下：

进行数字下变频处理，将选中的信号变换到基带；

分段对信号进行FFT变换，得到信号的频谱数据，同时根据信号带宽计算出信号在频域系数的取值范围；

将在信号频域系数取值范围之外的系数置为0，等效于进行矩形滤波；

对频域数据进行IFFT变换，得到滤波后的信号数据。

在频域将系数置0等效于一个理想的低通滤波，这将导致在时域产生信号幅度的振荡，同时由于FFT的长度有限，在数据边界处频谱不连续。为了减小这个问题对信号的影响，使得频域滤波引入的噪声能量处于一个较低的水平，在进行FFT变换时，需要将数据进行交叠。

采用频域滤波方法时过渡带很窄，同时对于带外的抑制很高，很适合于样本编辑的使用场景。

对于基于线性插值的重采样，在对采集的信号进行带宽变换时，其插值倍数或抽取倍数为任意值，此时需要通过线性插值技术对信号进行重采样。

假定输入信号序列为X(n)，过采样倍数为m1，输出信号序列为Y(n)，过采样倍数为m2。

令Y(t)为输出序列中的任意一点，则其计算公式为：

Y(t)=X(k-1)+(X(k)-X(k-1))*Δt

上式中，k=floor(t*m1/m2), Δt= t*m1/m2-k。

利用线性插值技术，可以实现任意倍数的重采样倍数的转换，从而实现对信号带宽的变换。

噪声拟合及信号合成模块，将仿真信号与样本编辑后的信号进行合成时，一方面需要确保合成后的宽带信号底噪保持一致，另一方面也要确保样本信号的噪声叠加到仿真信号中，影响仿真信号的信噪比。

因此，在信号合成前，首先需要测量样本信号的噪声谱密度，产生仿真信号噪声时，其噪声谱密度与样本信号保持一致，同时，将样本信号进行带通滤波，滤除仿真信号带宽内的噪声，确保信号叠加不影响仿真信号的信噪比。在所述噪声拟合及信号合成模块中，具体如下：

假定宽带信号样本为

，采样率为

，长度为L；

产生不带噪声的仿真信号

；

选择信号带宽

，对宽带样本信号进行滤波，得到滤波后的样本信号

；

在宽带信号中选择一段连续噪声，其带宽为

，对宽带信号进行频域滤波，得到纯噪声

；

计算噪声谱密度：

；

产生均值为0，方差为1的宽带高斯白噪声

,噪声数据长度为L；按照带宽

对宽带噪声进行滤波，得到滤波后的噪声

；

根据宽带信号的噪声谱密度调整噪声

的幅度，得到合成信号噪声

为：

；

将仿真信号、滤波后的宽带信号和噪声信号进行叠加，得到最终的宽带合成信号

为：

。

一种数字域多信号合成方法，包括以下步骤：

S1：启动处理流程，分别进入仿真样本产生流程和样本编辑流程；

S2：仿真样本生成如下：首先设置仿真信号的数据源类型、编码参数和调制参数，然后进行数据成帧和编码调制处理，得到仿真信号样本；

S3：样本编辑流程如下：首先设置样本编辑的参数，包括源信号样本路径，源、目标信号样本采样率、频率及带宽，然后通过数字滤波得到待编辑的信号，再经过重采样得到目标信号的样本；

S4：产生的仿真信号样本无噪声，而经过编辑的模采样本是含噪声的。因此，在合成前，需先产生一个全带宽的高斯白噪声，同时将模采样本信号对应带宽的噪声滤除；

S5：根据测量出的各模采样本信号的噪声水平，在信号合成前分别调整各个模采样本的幅度，使得待合成的各个仿真样本和模采样本噪声水平一致；

S6：将各个仿真样本和编辑后的模采样本进行叠加，完成最终的幅度调整，得到宽带多载波的合成信号。

Claims (5)

1.一种数字域多信号合成方法，其特征在于，所述数字域多信号合成方法基于一种数字域多信号合成系统进行，该系统包括样本编辑模块、仿真信号产生模块、噪声拟合及信号合成模块；其中，

所述样本编辑模块用于：对通过模拟采集得到的数字信号样本进行编辑，所述数字信号样本来自实际的空中信号，编辑处理的过程包括数字滤波、重采样、数字变频、噪声叠加，从而得到待合成的数字信号样本；

所述仿真信号产生模块用于：产生预设格式的仿真信号，依次通过信息成帧、数字调制、信道编码和噪声产生过程，形成仿真的数字信号样本；

所述噪声拟合及信号合成模块用于：对编辑后的数字信号样本和仿真的数字信号样本进行合成；且在合成前对各个信号样本进行噪声测量，并拟合至相同的水平，再进行信号的叠加，形成合成的宽带多载波信号。

2.如权利要求1所述的一种数字域多信号合成方法，其特征在于，所述样本编辑模块中，

数据源选择伪随机序列或用户指定的二进制文件；

采用模块化的设计，扰码、内码、交织、外码、差分、成帧、扩频模块进行灵活组合，形成多种规格信号；

采用开放式的设计架构，通过加载信号规格描述文件产生不同的仿真信号；

通过重采样和信号合成，在一个带宽内产生多个不同类型的信号。

3.如权利要求2所述的一种数字域多信号合成方法，其特征在于，所述仿真信号产生模块中还涉及频域数字滤波和基于线性插值的重采样；其中，

所述频域数字滤波具体如下：

进行数字下变频处理，将选中的信号变换到基带；

分段对信号进行FFT变换，得到信号的频谱数据，同时根据信号带宽计算出信号在频域系数的取值范围；

将在信号频域系数取值范围之外的系数置为0，等效于进行矩形滤波；

对频域数据进行IFFT变换，得到滤波后的信号数据；

所述基于线性插值的重采样具体如下：

在对采集的信号进行带宽变换时，其插值倍数或抽取倍数为任意值，此时通过线性插值技术对信号进行重采样；即，

假定输入信号序列为X(n)，过采样倍数为m1，输出信号序列为Y(n)，过采样倍数为m2；

令Y(t)为输出序列中的任意一点，则其计算公式为：

Y(t)=X(k-1)+(X(k)-X(k-1))*Δt

上式中，k=floor(t*m1/m2), Δt= t*m1/m2-k；

利用线性插值技术实现任意倍数的重采样倍数的转换，从而实现对信号带宽的变换。

4.如权利要求3所述的一种数字域多信号合成方法，其特征在于，在所述噪声拟合及信号合成模块中，具体如下：

假定宽带信号样本为

，采样率为

，长度为L；

产生不带噪声的仿真信号

；

选择信号带宽

，对宽带样本信号进行滤波，得到滤波后的样本信号

；

在宽带信号中选择一段连续噪声，其带宽为

，对宽带信号进行频域滤波，得到纯噪声

；

计算噪声谱密度：

；

产生均值为0，方差为1的宽带高斯白噪声

,噪声数据长度为L；按照带宽

对宽带噪声进行滤波，得到滤波后的噪声

；

根据宽带信号的噪声谱密度调整噪声

的幅度，得到合成信号噪声

为：

；

将仿真信号、滤波后的宽带信号和噪声信号进行叠加，得到最终的宽带合成信号

为：

。

5.一种数字域多信号合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：启动处理流程，分别进入仿真样本产生流程和样本编辑流程；

S2：仿真样本生成如下：首先设置仿真信号的数据源类型、编码参数和调制参数，然后进行数据成帧和编码调制处理，得到仿真信号样本；

S3：样本编辑流程如下：首先设置样本编辑的参数，包括源信号样本路径，源、目标信号样本采样率、频率及带宽，然后通过数字滤波得到待编辑的信号，再经过重采样得到目标信号的样本；

S4：产生的仿真信号样本无噪声，而经过编辑的模采样本是含噪声的；

因此，在合成前，需先产生一个全带宽的高斯白噪声，同时将模采样本信号对应带宽的噪声滤除；

S5：根据测量出的各模采样本信号的噪声水平，在信号合成前分别调整各个模采样本的幅度，使得待合成的各个仿真样本和模采样本噪声水平一致；

S6：将各个仿真样本和编辑后的模采样本进行叠加，完成最终的幅度调整，得到宽带多载波的合成信号。

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