CN115021848B - 一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法及装置 - Google Patents

一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电通信技术领域,尤其涉及一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法及装置,方法包括:获取机械天线调速过程中电机转速随时间的变化关系;建立码元改变后辐射信号频率随时间的变化关系;获取当前码元的初始相位,获取当前码元内累积的相位变化,获取任意时刻信号的相位;根据信号的频率,获取信号的归一化幅度值;建立码元连续变化时机械天线的频率调制信号模型;将预设的调频参数输入频率调制信号模型中,通过频率调制信号模型输出机械天线的降压调速时间,输出频率调制信号。本发明提供充分考虑了机械天线信号调制过程的特点,有利于对机械天线的频率调制信号进行解调分析,能够正确反应机械天线频率调制信号的波形。

Description

一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法及装置
技术领域
本发明涉及电通信技术领域,尤其涉及一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法及装置。
背景技术
机械天线是电机学、电磁学等多领域综合发展的最新研究成果,通过驱动含有稳定磁场、电场的物质进行往复的机械运动,可以产生频率与机械运动频率相同的辐射信号,由此产生的低频信号,能够在水下、地下等场景中实现较远距离的传输,有很高的实用价值,因而备受瞩目。
相较于振动偶极子的机械天线,旋转偶极子式机械天线有更强的辐射功率,可以进行更远距离的信号传输,因而有更好的发展前景。旋转偶极子式机械天线常用的调制方式有频率调制、幅度调制等,其中频率调制所需设备简单,更有利于相关研究的进行。机械天线通过控制驱动电机的转速转换来产生不同频率的信号,从而实现频率调制。由于电机转速转换不能瞬时完成,导致机械天线产生信号的频率和相位的变化都是连续的,目前机械天线的频率调制研究所使用的电天线的传统调频信号模型不能正确反映信号的频率和幅值变化;这是由于在常规电天线的调频信号模型中,频率变化是非连续的,相位变化是连续或非连续的,这样导致在基于常规电天线的调频信号模型对机械天线输出的频率调制信号进行解调时会有较高的误码率,常规模型准确性较差。
发明内容
本发明提供一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法及装置,用以解决现有技术中不能正确反映机械天线调频信号波形变化的缺陷,建立了电机无极调速的转速变化模型,然后创新性地将此模型运用于机械天线频率调制信号模型的构建,结合机械天线的辐射场特性,建立了更符合实际的机械天线频率调制模型,有利于对机械天线的频率调制信号进行仿真和进一步的解调分析,能够正确反应机械天线频率调制信号的波形,并对模型的准确性进行了检验。
本发明提供一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法,包括:
S1获取机械天线调速过程中电机转速随时间的变化关系;
S2基于所述电机转速随时间的变化关系,建立码元改变后辐射信号频率随时间的变化关系;
S3基于所述信号频率随时间的变化关系,对任意时刻,获取当前码元的初始相位,获取当前码元内累积的相位变化,获取任意时刻信号的相位;根据信号的频率,获取信号的归一化幅度值;
进一步建立码元连续变化时机械天线的频率调制信号模型;
S4将预设的调频参数输入所述频率调制信号模型中,输出模拟机械天线频率调制信号。
进一步,步骤S4之后,所述频率调制信号分析方法还包括:
S5对所述频率调制信号模型进行验证:
获取所述频率调制信号模型输出的信号频率、信号波形以及最终调速所用时间;
在信号接收端接收机械天线调制得到的信号,若接收信号的信号频率、信号波形以及最终调速所用时间均与信号模型输出的对应数值一致,则所述频率调制信号模型通过初步验证。
具体的,步骤S5中还包括:
基于步骤S1中获取所述电机转速随时间的变化关系,计算转速稳定时的频率调制的两个不同频率分量的频率数值,对所述模拟机械天线频率调制信号进行相关性验证;
根据本发明提供的一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法,在步骤S1中,获取机械天线调速过程中电机转速随时间的变化关系,包括:
获取电机动态运动方程;
基于基尔霍夫电压定律,获取电机输入电压U与电机反电动势Ea、电枢电流Ia的关系表达式:
Figure 967434DEST_PATH_IMAGE001
;
其中,
Figure 618995DEST_PATH_IMAGE002
U为电机输入电压,Ea(t)为时刻t的电机反电动势,Ra为电机电枢回路总电阻,La为电枢回路电感,KE为直流电机电势常数,n(t)表示电机在时刻t的实时转速;
获取电机角速度与时间的微分方程:
Figure 133153DEST_PATH_IMAGE003
将转速的初始条件和最终条件代入所述微分方程,得机械天线调速过程中电机转速随时间变化的表达式:
Figure 262783DEST_PATH_IMAGE004
Figure 811576DEST_PATH_IMAGE005
;
其中,λ 1 λ 2 为参数,U 1 U 2 分别为码元变化前后的输入电压,ω 1 ω 2 分别为所述初始条件和所述最终条件的稳定转速,Um为转速的最终条件对应的输入电压;J为系统总转动惯量,TL为输入负载转矩,Tf为输出端库仑摩擦扭矩,KT为直流电机转矩常数,Bm为粘性摩擦系数,Bm ω为粘性摩擦的扭矩。
根据本发明提供的一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法,步骤S2中,建立码元改变后辐射信号频率随时间的变化关系表达式为:
Figure 634039DEST_PATH_IMAGE006
;
其中,
Figure 369914DEST_PATH_IMAGE007
为电压改变后的信号相位。
根据本发明提供的一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法,步骤S3中,任意时刻信号的相位为当前码元的初始相位与当前码元内累积的相位变化之和,相位表达式为:
Figure 568814DEST_PATH_IMAGE008
;
其中,初始相位为
Figure 972113DEST_PATH_IMAGE009
;
ω i(t)为对应码元周期内的频率变化。
根据本发明提供的一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法,步骤S3中,获取信号的幅度,包括:
获取机械天线在频率调制时的最高角速度ω high ,基于所述电机转速随时间变化的表达式ω(t),得信号的幅度A(t)为:
A(t)=ω(t)/ω high
根据本发明提供的一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法,基于所述相位表达式和所述信号的幅度,得机械天线发射端生成的频率调制信号s(t)的频率调制信号模型为:
Figure 949165DEST_PATH_IMAGE010
另一方面,本发明还提供一种旋转式机械天线的信号频率调制装置,所述机械天线包括信号发射端和信号接收端,所述信号频率调制装置设置于所述信号接收端内,所述装置包括:
调速控制单元,用于获取机械天线调速过程中电机转速随时间的变化关系;
模型建立单元,基于所述调速控制单元输出的电机转速随时间的变化关系,建立码元改变后辐射信号频率随时间的变化关系;对任意时刻,获取当前码元的初始相位,获取当前码元内累积的相位变化,获取任意时刻信号的相位;根据信号的频率,获取信号的归一化幅度值;基于所述相位和幅度建立码元连续变化时机械天线的频率调制信号模型;
信号调制单元,获取预设的调频参数,输入所述频率调制信号模型中,输出模拟机械天线频率调制信号。
所述信号接收端接收另一信号发射端输出的频率调制信号,对信号进行滤波、解调,并输出解调信号,获取所述频率调制信号模型输出的信号频率、信号波形以及最终调速所用时间;
在信号接收端接收机械天线调制得到的信号,并与频率调制信号模型输出的模拟机械天线频率调制信号进行比对验证;
若接收信号的信号频率、信号波形以及最终调速所用时间均与信号模型输出的对应数值一致,则所述频率调制信号模型通过验证。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述频率调制信号分析方法的步骤。
本发明提供的一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法及装置,相较于现有技术,至少具有如下技术效果:
(1)通过对机械天线电机转速随时间变化的关系进行分析,获取机械天线调速各个阶段所需时间,输出码元周期中目标频率信号所占时间的比例,为后续的信号分析提供了依据;机械天线的频率调制信号模型的建立充分考虑了机械天线信号调制过程的特点,优先满足天线降压调速时间,有利于提高信号调制的效率;
(2)基于建立的频率调制信号模型进行电机和信号的参数设置,可基于频率调制信号模型产生的信号进行误码率分析,从而有利于优化电机输入电压、负载转动惯量等参数设置,可以在机械天线的电机端使用更大的输入电压和更大的负载,从而能够获取更强的辐射信号强度,有利于提高信号传输距离,使机械天线系统的搭建更加科学、经济,误码率更低;
(3)将所建立的模型运用机械天线频率调制的模拟仿真以及实践中,能够用于计算要产生特定频率的调频信号所需的系统参数设置、计算转速变化的瞬态响应特性所需时间,并且有利于研究如何获取更高的辐射强度、进行更远距离的信息传输,也有助于设计新的解调采样方案,使机械天线通信系统的设计更加科学、经济。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图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。
图1是本发明提供的频率调制信号分析方法的流程示意图;
图2是本发明提供的频率调制信号分析方法的码元与接收信号互相关图样;
图3是本发明提供的频率调制信号分析方法的传统窄带信号的互相关图样;
图4是本发明提供的频率调制信号分析方法的机械天线电机负载转动时的受力分析示意图;
图5是本发明提供的频率调制信号分析方法的机械天线频率变化曲线图;
图6是本发明提供的频率调制信号分析方法的机械天线频率调频信号的时域示意图之一;
图7是本发明提供的频率调制信号分析方法的机械天线频率调频信号的时域示意图之二;
图8是本发明提供的频率调制信号分析方法的机械天线频率调制信号的时域示意图之三;
图9是本发明提供的频率调制信号分析方法的传统调制信号的时域示意图;
图10是本发明提供的频率调制信号分析方法的机械天线调制信号与常规频率调制信号的频域对比示意图之一;
图11是本发明提供的频率调制信号分析方法的机械天线调制信号与常规频率调制信号的频域对比示意图之二;
图12是本发明提供的频率调制信号分析方法在信号接收端接收到的机械天线频率调制信号的示意图;
图13是本发明提供的频率调制信号分析方法的机械天线通信系统示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例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,都属于本发明保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块,而是可选地还包括没有列出的步骤或模块,或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或模块。
需要说明的是,机械天线由电机驱动辐射源转动,机械天线的辐射信号频率与转速相等,机械天线频率调制需要通过对电机进行频繁调速来实现;其中,在电机调速过程中,电机角加速度的大小时刻变化,转速改变先快后慢;
随着码元速率的提高,调速时间在码元周期中所占比例逐渐增大,有用频率信号的时间就越短,信号质量逐渐变差,然而目前机械天线频率调制所使用的电天线频率调制模型不能排除这种影响导致的误码率,不能实现机械天线模拟信号的仿真,不能正确反应机械天线频率调制信号的波形和相关数据,也就不能够实现对机械天线频率调制信号的进一步分析,不利于对机械天线频率调制信号的进一步研究;
本发明通过对电机调速过程建模分析,获得调速各个阶段所需的时间,计算转速稳定时的频率调制的两个不同频率分量的频率数值;
在一个实施例中,如图1所示,本发明提供一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法,用于获取频率调制时信号的频率连续变化规律,从而建立机械天线的频率调制信号模型,具体包括步骤:
S1获取机械天线调速过程中电机转速随时间的变化关系;
S2基于所述电机转速随时间的变化关系,建立码元改变后辐射信号频率随时间的变化关系;
S3基于所述信号频率随时间的变化关系,对任意时刻,获取当前码元的初始相位,获取当前码元内累积的相位变化,获取任意时刻信号的相位;根据信号的频率,获取信号的归一化幅度值;进一步建立码元连续变化时机械天线的频率调制信号模型;
S4将预设的调频参数输入所述频率调制信号模型中,输出模拟机械天线频率调制信号。
进一步,步骤S4之后,所述频率调制信号分析方法还包括:
S5对所述频率调制信号模型进行验证:
获取所述频率调制信号模型输出的信号频率、信号波形以及最终调速所用时间;
在信号接收端接收机械天线调制得到的信号,若接收信号的信号频率、信号波形以及最终调速所用时间均与信号模型输出的对应数值一致,则所述频率调制信号模型通过初步验证;
上述步骤S5只能证明通过模型输出的模拟机械天线频率调制信号和接收到的调制信号在频率稳定时频率大小相等,而不能证明电机调速过程中,两类信号有相同的频率变化曲线;
由此,必须对模拟信号和接收信号的数据进行显著性与相关性分析,计算两类信号的频率变化曲线近似程度的高低,量化建立的模型的可靠性程度;
具体的,步骤S5中还包括:
基于步骤S1中获取所述电机转速随时间的变化关系,计算转速稳定时的频率调制的两个不同频率分量的频率数值,对所述模拟机械天线频率调制信号进行相关性验证;
其中,对解调的信号进行相关性、显著性检测,如图2所示,对于一段频率连续变化的信号,所得的相关图样应如图2所示在某段时间内有较高的峰值,有多个较高的峰值就意味着模型所建立的频率连续信号与接收信号中相应的频率变化部分有较显著的相关性,可认为模型建立成功;
具体的,图2为截取的一个码元周期长度内频率连续升高的一段模拟信号,将其与接收到的机械天线频率调制信号做相关性分析,机械天线接收信号的带宽与中心频率之比大于20%,信号属于超宽带信号,超宽带信号在相互匹配的时间内都会有较高的相关系数;
图2中可以看到多个峰值,表明模拟信号和接收信号有较高的相关性,可以很好地匹配上,且表明在接收信号中可以找到多段与模型信号相匹配的信号。
对于传统窄带信号或某几个固定频率的信号,获取的互相关图样应该有一非常突兀的峰值,而不是在某个时间段内出现若干个较高的幅值,一般信号的互相关图样如图3所示;
其中,步骤S1包括:
分析在电机调速过程中电机输入电压改变之后的信号频率变化过程以及电机驱动负载转动时的受力:
其中,受力如图4所示,其中ω为负载旋转角速度,单位为rad/s,Tem为电磁转矩,TL为输入负载转矩,Tf为输出端库仑摩擦扭矩,Bm为粘性摩擦系数,Bm ω为粘性摩擦的扭矩;
当电机驱动负载匀速转动时,负载受力平衡,系统运动方程为:
Tem=TL+Tf+Bm ω
当改变电机输入电压时,电磁转矩Tem会改变,输入负载转矩TL和输出端库仑摩擦扭矩Tf基本不变,此时系统不再处于受力平衡状态,负载运动状态改变,由此会产生与合力方向相同的加速度,最终导致电机转速发生改变,此时系统动态运动方程为:
Tem(t)-TL-Tf-Bm ω(t)=Jdω(t)/dt
其中,Tem(t)=KTIa(t),J=J 0+J 1
J 0为电机转子转动惯量,J 1为负载转动惯量,J为系统总转动惯量,dω/dt为系统角加速度,KT为直流电机转矩常数,Ia为电枢电流;
具体的,t=0时刻即电压改变的时刻,在此之前,系统保持稳定的初始状态;
改变输入电压之后,其他物理量随时间发生相应改变,电磁转矩Tem与电枢电流Ia成正比,改变输入电压后,电机电流受电机内部电感的影响,其大小不随时间线性变化,因此电磁转矩Tem也不随时间线性变化,系统角加速度的数值随时间变化;
由此,获取电机转速随时间的变化规律,包括:
根据基尔霍夫电压定律,电机内部回路中电机输入电压U与电机反电动势Ea、电枢电流Ia的关系如下:
Figure 703495DEST_PATH_IMAGE011
;
具体的,上式中,将反电动势与时间的关系表达式Ea(t)代入,则能够得到电压与电流、转速之间的关系;
其中,
Figure 174927DEST_PATH_IMAGE012
其中,U为电机输入电压,Ea(t)为时刻t的电机反电动势,Ra为电机电枢回路总电阻,La为电枢回路电感,KE为直流电机电势常数,n(t)表示电机在时刻t的实时转速;
基于上述各式,得电机系统角速度与时间的微分方程如下:
Figure 432733DEST_PATH_IMAGE013
其中,Um为码元变换后的输入电压;
代入初始和最终转速条件可得负载旋转角速度ω在输入电压改变之后随时间t的变化规律,即转速-时间方程如下:
Figure 862578DEST_PATH_IMAGE014
Figure 838624DEST_PATH_IMAGE005
;
其中:
Figure 848168DEST_PATH_IMAGE015
Figure 226060DEST_PATH_IMAGE016
;
Figure 295647DEST_PATH_IMAGE017
;
其中,KT为直流电机转矩常数,λ 1 λ 2 为参数,U 1 U 2 分别为码元变化前后的输入电压,Um为转速的最终条件对应的输入电压;ω 1 ω 2 分别为在输入电压U 1 U 2 下的稳定转速;ω 1 ω 2 分别为所述初始条件和所述最终条件;
上述式中ω(t)即为所述电机输入电压改变后的转速随时间的变化关系,由此可知,在机械天线的电机调速过程中电机的角加速度随时间非线性变化;
通过上式ω(t)可计算得到所需的调速时间;
进一步,在步骤S2中,获取码元改变后机械天线辐射信号频率随时间的变化关系:
机械天线中,电机的转速即为辐射信号的频率,基于上式转速-时间方程ω(t),获取码元变化时机械天线的相位变化关系表达式:
Figure 24569DEST_PATH_IMAGE018
;
具体的,绘制得到码元变化后,机械天线频率变化曲线如图5所示;
需要说明的是,上式
Figure 837804DEST_PATH_IMAGE019
仅仅表示电压改变一次之后的相位
Figure 818005DEST_PATH_IMAGE020
的变化,然而,在机械天线频率调制时,输入电压是否变化由相邻码元之间的关系决定;具体的,当码元前后相同时,输入电压不变,信号频率不变;若码元前后发生变化,则输入电压也会相应发生变化,由此导致信号频率的变化;
因此,即使相同的码元也会有不同的相位变化,信号任意时刻的相位受此前所有的码元影响。要获取码元连续改变时的信号模型,必须结合信号相位的连续变化来进行分析;
进一步,在步骤S3中,建立机械天线频率调制信号的时域模型,包括:任意时刻信号的相位为当前码元的初始相位与当前码元内累积的相位变化之和,相位表达式为:
Figure 324073DEST_PATH_IMAGE008
;
其中,初始相位为
Figure 9132DEST_PATH_IMAGE021
;
ω i(t)为对应码元周期内的频率变化。
具体的,以二进制码元为例,计算如下:
获取第一个码元对应的初始相位,令初始相位
Figure 891637DEST_PATH_IMAGE022
;
对任意码元,初始相位
Figure 978542DEST_PATH_IMAGE023
为:
Figure 655511DEST_PATH_IMAGE024
;
其中,a、b、c、d分别表示码元变化0→1、1→0、0→0、1→1变化的次数,ω 1(t)、ω 2(t)、ω 3(t)、ω 4(t)分别表示对应码元周期内的频率变化;
任意时刻的相位
Figure 827866DEST_PATH_IMAGE025
为对应码元的初始相位
Figure 248483DEST_PATH_IMAGE023
与该码元内相位变化的和,即:
Figure 455474DEST_PATH_IMAGE026
;
需要说明的是,上述以二进制码元为例的计算仅仅作为对本发明的示例,事实上,本发明的方法适用于包括但不限于二进制、十进制、十六进制等在内的多种进制码元下的信号模型构建,并用于对信号的仿真/解调;
其中,
Figure 303344DEST_PATH_IMAGE027
表示在第n个码元内累积的相位变化;
需要说明的是,由于现有的机械天线辐射强度较弱,信号的传播距离远小于其波长,因此机械天线通常只能进行近场区的通信;
相较于磁场分量,机械天线信号的电场分量受环境干扰更严重,因此常用磁场分量进行通信;
进一步,获取频率调制信号的幅度:
在机械天线的近场区中,当辐射源的大小确定时,发射端辐射信号的强度与信号频率正相关,得信号的幅度A(t)为:
A(t)=ω(t)/ω high
其中,ω high 为信号在频率调制时所能达到的最高角速度;
由此,机械天线发射端生成的频率调制信号s(t)的时域模型为:
Figure 212263DEST_PATH_IMAGE028
上述式s(t)即为所述码元连续变化时的机械天线频率调制信号模型。
进一步,在步骤S4中,基于上式s(t)生成调频信号,输入电压、负载转动惯量、码元周期,获取的时域频域图如图6、图7和图8所示;而传统频率调制信号模型时域如图9所示;
其中,t1、t2时间段表示机械天线频率调制时频率逐渐变化的阶段,波形如图7和图8所示;其中,t1是频率降低所需时间,t2是频率升高所需时间;
需要说明的是,t1>t2,如图7和图8中示例的,t1约为700ms,t2约为610ms,从电机角度分析可知,在对机械天线的电机进行调速时,施加的电压越高,调速所需时间越短;
为保证机械天线调速能够完成,能够完成指电机调速过程能够完成,调速时间必须小于码元周期,否则调速未结束就频繁改变输入电压会损坏电机,若不能达到频率调制所需的稳定的频率则无法实现频率调制;
进一步,在上述建立的信号模型的基础上,对产生的调制信号作傅里叶变换,获取机械天线频率调制信号的频域,并将机械天线频率调制信号的频域与常规天线频率调制信号的频域对比,分别如图10-11所示;相较于常规电天线的频率调制信号,机械天线的频率调制信号能量更为集中,如图11所示,接收的常规天线频率调制信号中有较强的谐波分量,势必导致机械天线通信系统误码率的提高;
进一步,在步骤S5中,还包括对步骤S1-S4建立的模型进行验证,可选的,在测试过程中,选取理论调速时间和码元周期为1s;
作为示例的,接收端接收到的机械天线调制信号的时域图如图6-8所示;
由图7-12可知,接收信号恰好在一个码元周期内完成调速,最终调速所用时间与模型计算结果基本一致;从频域结果来看,接收信号的能量集中于两个调制频率之间,与模型仿真结果相同,由此可知本发明所述的方法获取的调制信号准确性高,信号误码率低,解决了现有技术中机械天线产生的信号频率改变缓慢导致的误码率增加的问题。
另一方面,本发明还提供一种旋转式机械天线的频率调制信号分析装置,与上文描述的频率调制信号分析方法可相互对应参照,此处的装置用于实现上述的频率调制信号分析方法;
所述信号调制装置设置于机械天线的信号接收端,用于对频率调制信号进行解调;
所述装置包括:
调速控制单元,用于获取机械天线调速过程中电机转速随时间的变化关系;
模型建立单元,基于所述调速控制单元输出的电机转速随时间的变化关系,建立码元改变后辐射信号频率随时间的变化关系;对任意时刻,获取当前码元的初始相位,获取当前码元内累积的相位变化,获取任意时刻信号的相位;根据信号的频率,获取信号的归一化幅度值;基于所述相位和幅度建立码元连续变化时机械天线的频率调制信号模型;
信号调制单元,通过所述频率调制信号模型输出模拟机械天线频率调制信号;
所述装置还包括模型检验单元,用于对所述频率调制信号模型进行验证:
获取所述频率调制信号模型输出的信号频率、信号波形以及最终调速所用时间;
在信号接收端接收机械天线调制得到的信号,若接收信号的信号频率、信号波形以及最终调速所用时间均与信号模型输出的对应数值一致,则所述频率调制信号模型通过初步验证;
具体的,通过模型检验单元进行检验包括:
获取所述电机转速随时间的变化关系,计算转速稳定时的频率调制的两个不同频率分量的频率数值,对所述模拟机械天线频率调制信号进行相关性验证,验证对比如图2-3所示。
具体的机械天线通信系统如图13所示,在信号发射端设置码元,加载外部信息,通过机械天线电机运动控制模块输出控制信号至电机,由传统系统驱动辐射源从而输出频率调制信号,可以通过本发明提供的频率调制信号分析装置在信号接收端对信号进行解调和分析,有利于对机械天线的频率调制信号进行解调分析,能够正确反应机械天线频率调制信号的波形;
在缺少信号源时,也可通过本发明提供的方法及装置,仿真生成机械天线的频率调制信号,有利于对机械天线调制信号的进一步研究。
另一方面,本发明还提供一种电子设备,该电子设备可以包括:处理器(processor)、通信接口(CommunicationsInterface)、存储器(memory)和通信总线,其中,处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令,以执行上述各方法所提供的频率调制信号分析方法。
此外,上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM,RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面,本发明还提供一种计算机程序产品,所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序,所述计算机程序包括程序指令,当所述程序指令被计算机执行时,计算机能够执行上述各方法所提供的频率调制信号分析方法。
又一方面,本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法所提供的频率调制信号分析方法。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下,即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件。基于这样的理解,上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法,其特征在于,包括:
S1获取机械天线调速过程中电机转速随时间的变化关系;
S2基于所述电机转速随时间的变化关系,建立码元改变后辐射信号频率随时间的变化关系;
S3基于所述信号频率随时间的变化关系,对任意时刻,获取当前码元的初始相位,获取当前码元内累积的相位变化,获取任意时刻信号的相位;根据信号的频率,获取信号的归一化幅度值;进一步建立码元连续变化时机械天线的频率调制信号模型;
S4将预设的调频参数输入所述频率调制信号模型中,输出模拟机械天线频率调制信号;
步骤S4之后,包括:
S5对所述频率调制信号模型进行验证:
获取所述频率调制信号模型输出的信号频率、信号波形以及最终调速所用时间;
在信号接收端接收机械天线调制得到的信号,若接收信号的信号频率、信号波形以及最终调速所用时间均与信号模型输出的对应数值一致,则所述频率调制信号模型通过初步验证;
步骤S5中,包括:
基于所述电机转速随时间的变化关系,计算转速稳定时的频率调制的两个不同频率分量的频率数值,对所述模拟机械天线频率调制信号进行相关性验证。
2.根据权利要求1所述的一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法,其特征在于,步骤S1中,获取机械天线调速过程中电机转速随时间的变化关系,包括:
获取电机动态运动方程;
基于基尔霍夫电压定律,获取电机输入电压U与电机反电动势Ea、电枢电流Ia的关系表达式:
Figure FDA0003826635160000021
其中,Ea(t)=KEn(t)=60KEω(t)/2π;
U为电机输入电压,Ea(t)为时刻t的电机反电动势,Ra为电机电枢回路总电阻,La为电枢回路电感,KE为直流电机电势常数,n(t)表示电机在时刻t的实时转速;
获取电机角速度与时间的微分方程:
Figure FDA0003826635160000022
将转速的初始条件和最终条件代入所述微分方程,得机械天线调速过程中电机转速随时间变化的表达式:
Figure FDA0003826635160000023
其中,λ1、λ2为参数,U1、U2分别为码元变化前后的输入电压,ω1、ω2分别为所述初始条件和所述最终条件的稳定转速,Um为转速的最终条件对应的输入电压;J为系统总转动惯量,TL为输入负载转矩,Tf为输出端库仑摩擦扭矩,KT为直流电机转矩常数,Bm为粘性摩擦系数。
3.根据权利要求2所述的一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法,其特征在于,步骤S2中,建立码元改变后辐射信号频率随时间的相位变化为:
Figure FDA0003826635160000031
其中,
Figure FDA0003826635160000032
为电压改变后的信号相位。
4.根据权利要求3所述的一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法,其特征在于,步骤S3中,任意时刻信号的相位为当前码元的初始相位与当前码元内累积的相位变化之和,相位表达式为:
Figure FDA0003826635160000033
其中,初始相位为
Figure FDA0003826635160000034
ωi(t)为对应码元周期内的频率变化。
5.根据权利要求4所述的一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法,其特征在于,步骤S3中,获取信号的幅度,包括:
获取机械天线在频率调制时的最高角速度ωhigh,基于所述电机转速随时间变化的表达式ω(t),得信号的幅度A(t)为:
A(t)=ω(t)/ωhigh
6.根据权利要求5所述的一种旋转式机械天线的频率调制信号分析方法,其特征在于,基于所述相位表达式和所述信号的幅度,得机械天线发射端生成的频率调制信号s(t)的频率调制信号模型为:
Figure FDA0003826635160000035
7.一种旋转式机械天线的频率调制信号分析装置,所述机械天线包括信号发射端和信号接收端,其特征在于,所述信号频率调制装置设置于所述信号接收端内,所述装置包括:
调速控制单元,用于获取机械天线调速过程中电机转速随时间的变化关系;
模型建立单元,基于所述调速控制单元输出的电机转速随时间的变化关系,建立码元改变后辐射信号频率随时间的变化关系;对任意时刻,获取当前码元的初始相位,获取当前码元内累积的相位变化,获取任意时刻信号的相位;根据信号的频率,获取信号的归一化幅度值;基于所述相位和幅度建立码元连续变化时机械天线的频率调制信号模型;
信号调制单元,获取预设的调频参数,输入所述频率调制信号模型中,输出模拟机械天线频率调制信号;
所述装置还包括模型检验单元,用于对所述频率调制信号模型进行验证:
所述模型检验单元获取所述频率调制信号模型输出的信号频率、信号波形以及最终调速所用时间;
在信号接收端接收机械天线调制得到的信号,若接收信号的信号频率、信号波形以及最终调速所用时间均与信号模型输出的对应数值一致,则所述频率调制信号模型通过初步验证;
通过模型检验单元进行验证,包括:
获取所述电机转速随时间的变化关系,计算转速稳定时的频率调制的两个不同频率分量的频率数值,对所述模拟机械天线频率调制信号进行相关性验证。
8.一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述频率调制信号分析方法的步骤。
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