CN117131232B - 一种电磁信号数据库自动化生成方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁信号数据库自动化生成方法及系统,所述方法包括以下步骤:步骤S1.电磁信号仿真的基本参数设置;步骤S2.初始化数据库包含的信号类型;步骤S3.创建电磁信号生成器,模拟真实信道环境;步骤S4.电磁信号数据集生成;电磁信号特征参数设置,然后创建波形生成仿真电磁信号;S5.电磁信号数据集的数据库存储和管理。本电磁信号数据库生成方法及系统可根据实际使用需求进行参数调整,根据任务工程构建可用基准数据集,支撑电磁域的信号处理。
Description
技术领域
本发明涉及电磁信号仿真领域,特别涉及一种电磁信号数据库自动化生成方法及系统。
背景技术
现代信息化的背景下,当今世界的环境形态已经发生了根本性的变化,由过去的机械化环境转变为现在的信息化环境。民用信息设施的快速增长,导致电磁空间中的电磁信号复杂且密集。如何从复杂的电磁环境中获取信息优势,主要困难就是对复杂电磁信号的分析处理,所以在复杂环境中对电磁信号的研究是具有重要意义的。
电磁信号仿真生成技术越来越受到人们的关注和重视,而且电磁信号数据集的仿真生成已经成为了电磁场和电磁场问题研究和实践中的重要工具。电磁波的仿真技术研究进展涉及到有限元方法、时域有限差分法、时域积分方程法、频域有限差分法、模态分析法等多个方面。同时该技术在雷达探测、优化天线设计、预测电磁辐射和兼容性、分析电磁屏蔽效果等方面有着广泛的应用,能够提高工作效率、降低成本和风险,取得良好的效果。随着科学技术和需求的不断发展,电磁波信号仿真分析技术的相关研究和应用也必将不断扩展和深化。
面对信息化环境,电磁信号处理面临复杂电磁环境中密集多变的信号分析问题,构建复杂电磁场景获取电磁信号会耗费大量人力、物力和财力,经济投入太大,而通过计算机进行电磁信号的数字化建模和仿真无疑是最有效的解决方案之一。所以,电磁信号的模拟仿真是十分有必要的,可以为电子设备提供宽频带、高密度、多样式的电磁信号环境,并在一定程度上真实地模拟出通信环境。
发明内容
针对电子领域中对复杂信号研究以及工程试验上的电磁信号模拟仿真需求,本发明的目的在于研制一套电磁信号数据库自动化生成方法及系统。该方法及系统可根据用户需求设置信号的采样参数、调制参数以及特征参数等,进而初始化生成多种电磁信号类型,然后创建电磁信号生成器,考虑数据传输过程中的信道传输影响因子,进一步自动化生成电磁信号数据集,最后将生成的多种电磁信号数据存储到用户标识的数据库中,完成数据生成。
为实现上述目的,本发明提供一种电磁信号数据库自动化生成方法,所述方法包括以下步骤:
S1. 电磁信号仿真的基本参数设置,设置用户定义参数,用于用户根据需求自设定的信号采样参数;
S2. 初始化数据库包含的信号类型,指定生成的电磁信号中包含哪些调制类型的信号及每种信号采集的样本数;
S3. 创建电磁信号生成器,模拟真实信道环境,在每一次目标信号生成时,调用生成器,为生成信号添加实际采样时会影响信号接收的影响因子;
S4. 电磁信号数据集生成,首先进行电磁信号特征参数设置,创建波形,然后调用电磁信号生成器,获取信道传输的影响因子添加到信号波形中,完成电磁信号生成;
S5. 电磁信号数据集的数据库存储和管理,对生成的电磁信号数据进行数据库存储,需要时可调用数据库接口从数据库中拿取。
进一步,步骤S1中所述的电磁信号仿真的基本参数设置,用户可根据实际信号需求设置采样参数,包括采样率及采样周期等,用户也可自定义其他信号采样参数添加到系统中。
进一步,步骤S2中初始化数据库包含的信号类型,用户可指定生成的信号类型,多种调制方式的信号类型同时指定,可根据指定的具体类型一次性生成多种信号。
进一步,步骤S3中所述的创建电磁信号生成器,基于无线通信的信道情况进行模拟,添加无线通信的影响因子,所述影响因子包括多路径时延、多路径平均信道增益、信道衰落K因子、最大多普勒频移以及补偿PAM、PSK或QAM信号的相位频率偏移。
进一步,步骤S3中所述的创建电磁信号生成器,每生成一种信号时,就会触发一次生成器,进而达到仿真真实环境的信道传输。
进一步,步骤S4中所述的电磁信号数据集生成,首先进行电磁信号的特征参数设置,创建波形,根据信号特征参数生成波形信号,然后为信号添加随机噪声,再调用电磁信号生成器,获取信号通过信道传输的影响因子添加到接收信号中,完成电磁信号采样和数据生成。
进一步,步骤S4具体实现流程如下:
S401.首先进行电磁信号的特征参数设置,包括中心频率、带宽、脉宽、脉冲重复间隔、单个信号样本采样数和/或信噪比;
S402.创建电磁信号波形,设置采样率为步骤S1设置的数值,设置信号输出格式为离散信号样本;
其中,波形创建采用矩形脉冲波形,生成的波形信号为以下形式:
,
式中,为生成的矩形波形,/>表示载波频率,/>表示载波频率的开关矩形幅度调制,解调后,/>的复包络是持续时间为/>秒的实值矩形脉冲;
其中,的计算公式如下:
,
式中,表示一个区间右端点值;
S403. 为创建波形赋值信号特征,在步骤S401设置的信号特征参数范围内随机选取数值作为生成信号的特征参数;
S404.为已赋值特征的波形信号添加高斯噪声,先估计信号功率,然后根据设置的信噪比,计算噪声功率,进一步生成功率对应的高斯噪声添加到波形信号中;
其中,信号功率的计算公式如下:
式中,为离散的信号数据,/>为离散信号的采样数;
噪声功率的计算公式为:
,
其中,SNR指系统设置的信噪比或随机生成的信噪比;为信号功率,/>为噪声功率;
S405.调用电磁信号生成器,为波形信号添加频率偏移及多路径衰落;
S406.完成电磁信号生成,输出离散电磁信号样本。
进一步,步骤S5中所述的电磁信号数据集的数据库存储和管理,基于步骤S4生成的多种信号数据集,根据信号类型和信号参数自动连接数据库接口存储到数据库中;对于多种类型信号数据集的调用使用,也可连接数据库,调用数据库接口,根据信号信息获取指定信号进而进行电磁信号处理。
进一步,在完成信号特征参数设置后,系统自动化生成多种类型信号数据集,并自动化存储到数据库中,用户可根据需求将数据存储到已有数据库或新建数据库中。
另一方面,本发明提供一种电磁信号数据库自动化生成系统,所述系统用于实现根据本发明所述的电磁信号数据库自动化生成方法。
本发明的有益效果在于:
本发明的电磁信号数据库自动化生成方法及系统,能够自动化的生成多种调制类型的电磁信号,并且在一定程度上能够模拟真实的信道环境,充分考虑了信道传输过程中多路径衰落及频率偏移等影响因子,使生成的电磁信号数据能够更加接近真实情况。另外,该电磁信号数据库生成系统能够根据用户需求灵活应用,包括试验数据的生成,存储以及管理等都可一步到位。也可根据工程任务构建基准数据集,支撑电磁域的信号处理。
附图说明
图1为根据本发明实施例的电磁信号数据库自动化生成系统流程图;
图2为根据本发明实施例的步骤S3中电磁信号生成器的元素结构图;
图3为根据本发明实施例的步骤S4中电磁信号数据集生成流程图;
图4为根据本发明实施例的电磁信号数据库自动化生成系统生成的多种调制信号时域图。
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明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。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
下面参照图1-图4描述根据本发明实施例提出的电磁信号数据库自动化生成方法及系统。
根据本发明实施例提出的电磁信号数据库自动化生成方法及系统,所述系统具体的运转流程包括电磁信号仿真的基本参数设置、初始化数据库的信号类型、创建电磁信号生成器、电磁信号数据集生成、电磁信号数据集的数据库的存储与管理的功能模块。其构思在于从用户的角度出发,通过用户自定义灵活的设置参数,初始化信号调制类型,考虑信道传输影响,利用电磁信号生成器模拟真实信道传输,然后根据具体的信号特征参数生成波形信号,并进一步添加噪声影响,调用电磁信号生成器完成电磁信号数据集的生成,并且自动化将生成的信号数据集存储到数据库中供用户使用。
如图1所示,本发明提供一种电磁信号数据库自动化生成方法,所述方法包括以下步骤:
步骤S1,电磁信号仿真的基本参数设置。用户可以自定义设置信号采样的基本参数,电磁信号仿真的基本参数设置,用户可根据实际信号需求设置采样参数,包括采样率及采样周期等,用户也可自定义其他信号采样参数添加到系统中。本实施例中设置采样率为1e6,采样周期为1/1e6;
步骤S2,初始化数据库包含的信号类型。用户可以指定一次生成多种调制信号,并指出每种信号的调制类型及生成的每种信号的样本数量。本实施例指定生成的信号类型为“LFM”、“Rect”、“Barker”、“Frank”四种类型信号,并且设置生成每种信号的样本数量为30;
步骤S3,创建电磁信号生成器,模拟真实信道环境。在每一次目标信号生成时,调用电磁信号生成器,为生成信号添加实际采样时会影响信号接收的影响因子;
电磁信号生成器主要基于无线通信的信道情况进行模拟,属于信道模拟软件,在信号生成器内设置无线通信的信道传输影响因子,包括但不限于多路径、信道衰落因子、多普勒频移、频率偏移等。每生成一种信号时,就会触发一次生成器,进而达到仿真真实环境的信道传输。
考虑无线通信信道传输的实际情况,对信道进行模拟,具体的可在生成器内设置多径衰落的参数,包括多路径时延、多路径平均信道增益、信道衰落K因子、最大多普勒频移以及补偿PAM、PSK或QAM信号的相位频率偏移等。如图2所示。
其中,信道模拟选择有限离散多径信道模型,假设信道的延迟功率分布和多普勒频谱是可分离的,则多径衰落信道被建模为线性有限脉冲响应的滤波器。设表示通道输入处的样本集,则通道输出处的样本/>通过以下方式与/>相关:
,
式中,为多径衰落信道的冲击响应,表示信道在第n个采样时刻的响应,具体计算公式如下:
,
式中,表示采样时刻,/>和/>分别为信道的前向和后向延迟,/>是通道输入的采样周期,/>是多路径延迟的集合,/>是多径衰落信道中的路径总数,/>是多径衰落信道的复数路径增益的集合,且各路径增益彼此并不相关,/>和/>的选择要使得当n小于/>或大于/>时/>较小。
相位频率偏移的计算采用以下模型,如果输入信号是,那么输出信号是:
,
式中,表示时间,/>表示信号的频率函数或频率调制函数,表示信号频率的累积变化,即以t为起点的时间段内信号的频率变化,是相位的信号函数,表示在以t为起点的时间段内信号的相位变化。
而离散的信号输出为:
,
式中,,/>为采样时间。/>为0时刻的单位阶跃函数值,/>表示0时刻的相位值,/>表示i时刻的采样信号,/>为i时刻的单位阶跃函数值,/>为n时刻的频率值,/>为i时刻的相位值。
根据本实施例的实施,在本实施例创建电磁信号生成器时,设置多径衰落的多路径时延为{0,1.8,3.4}/采样率,多径各路径的平均信道增益矢量为{0,-2,-10}dB,信道衰落的K因子数值为4,最大多普勒频移为4Hz,然后设置频率偏移的函数,具体的偏移量在步骤S4生成电磁信号时设置为信号的中心频率大小。
本发明实施例的具体实施,在每一种信号生成时,都会调用一次电磁信号生成器,为信号生成添加信号传输过程中的多径衰落以及频率偏移,使得信号的传输更加接近真实信道,生成信号的仿真效果也更真实。
步骤S4. 电磁信号数据集生成。首先进行电磁信号特征参数设置,创建波形,为波形赋值信号特征,添加高斯噪声,然后调用电磁信号生成器,模拟信道传输,将信道传输的影响因子添加到信号波形中,完成电磁信号生成;
具体地,根据本实施例的具体实施,其详细步骤如下:
S401.首先进行电磁信号的特征参数设置,包括中心频率、带宽、脉宽、脉冲重复间隔、单个信号样本采样数等,甚至是天线扫描方向以及噪声添加后的信噪比都可在该步骤进行设置。
根据本实施例的具体实施,中心频率设置为Fs/6~Fs/5,带宽设置为{100, 200,300}*1e3Hz,脉宽设置为{50, 100, 150}*1e-6s,脉冲重复间隔设置为{200, 300, 500}*1e-6s,单个信号的采样点设置为1024,信噪比设置为-20~20。
S402.创建电磁信号波形,设置采样率为步骤S1设置的数值,设置信号输出格式为离散信号样本。
其中,波形创建采用矩形脉冲波形,生成的波形信号为以下形式:
,
式中,为生成的矩形波形,/>表示载波频率,/>表示载波频率的开关矩形幅度调制,解调后,/>的复包络是持续时间为/>秒的实值矩形脉冲。
其中,的计算公式如下:
,
式中,表示一个区间右端点值;
S403. 为创建波形赋值信号特征,在步骤S401设置的信号特征参数范围内随机选取数值作为生成信号的特征参数。
S404.为已赋值特征的波形信号添加高斯噪声,信号生成系统会先估计信号功率,然后根据设置的信噪比,计算噪声功率,进一步生成功率对应的高斯噪声添加到波形信号中。
其中,信号功率的计算公式如下:
式中,为离散的信号数据,/>为离散信号的采样数。
噪声功率的计算公式为:
,
其中,SNR指系统设置的信噪比或随机生成的信噪比,为信号功率,/>为噪声功率。
S405.调用电磁信号生成器,为波形信号添加频率偏移及多路径衰落。
根据本实施例的具体实施,频率偏移的偏移量设置为中心频率大小,多路径衰落的具体参数因子设置见步骤S3。
S406.完成电磁信号生成,输出离散电磁信号样本。输出的电磁信号数据为离散采样的复值信号,具体包括步骤S2中设置所有调制类型信号,生成每种调制类型的信号样本数与步骤S2设置的一致。
以上为本实施例的电磁信号数据集生成的具体流程步骤,如图3所示。
步骤S5.电磁信号数据集的数据库存储和管理。对生成的电磁信号数据进行数据库存储,需要时可调用数据库接口从数据库中拿取。基于步骤S4生成的多种信号数据集,根据信号类型,信号参数等自动连接数据库接口存储到数据库中。对于多种类型信号数据集的调用使用,也可连接数据库,调用数据库接口,根据信号信息获取指定信号进而进行电磁信号处理等。
从多种调制类型的电磁信号生成到数据库存储都是自动化的过程,用户只需提前设置好生成信号的参数以及数据库信息等,系统会根据用户提交信息自动生成电磁信号并将数据存储到数据库中。
本实施例的具体实施为根据信号的不同调制类型作为标签将生成的离散信号数据存储到新设的数据库中。
另外,针对步骤S5中对于电磁信号数据库的管理,用户可根据需求调用数据库接口,获取数据以及存储数据都可灵活应用,系统可实现新类型信号的添加,新数据集的独立存储以及根据信号类型、信号参数等特征获取对应的信号数据。
根据本发明电磁信号自动化生成系统的实施例的具体实施,将生成的离散信号数据画图显示,其生成的不同调制类型的信号时域图如图4所示,包括LFM波形信号时域图、Barker波形信号时域图、Rect波形信号时域图、Frank波形信号时域图。
此外,本发明还提供一种电磁信号自动化生成系统,用于实现根据本发明的电磁信号自动化生成方法。本系统中,从多种调制类型的电磁信号生成到数据库存储都是自动化的过程,用户只需提前设置好生成信号的参数以及数据库信息等,系统会根据用户提交信息自动生成电磁信号并将数据存储到数据库中。
本发明流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为表示包括一个或多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分,可以实现在任何计算机刻度介质中,以供指令执行系统、装置或设备,所述计算机可读介质可以是任何包含存储、通信、传播或传输程序以供执行系统、装置或设备使用。包括只读存储器、磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中,参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外,本领域的技术人员可以在不产生矛盾的情况下,将本说明书中描述的不同实施例或示例以及其中的特征进行结合或组合。
上述内容虽然已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型等更新操作。
Claims (8)
1.一种电磁信号数据库自动化生成方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
S1. 电磁信号仿真的基本参数设置,设置用户定义参数;
S2. 初始化数据库包含的信号类型,指定生成的电磁信号中包含哪些调制类型的信号及每种信号采集的样本数;
S3. 创建电磁信号生成器,模拟真实信道环境,在每一次目标信号生成时,调用生成器,为生成信号添加实际采样时会影响信号接收的影响因子;
S4. 电磁信号数据集生成,首先进行电磁信号特征参数设置,创建波形,然后调用电磁信号生成器,获取信道传输的影响因子添加到信号波形中,完成电磁信号生成;
S5. 电磁信号数据集的数据库存储和管理,对生成的电磁信号数据进行数据库存储,需要时调用数据库接口从数据库中拿取;
步骤S4中所述的电磁信号数据集生成,首先进行电磁信号的特征参数设置,创建波形,根据信号特征参数生成波形信号,然后为信号添加随机噪声,再调用电磁信号生成器,获取信号通过信道传输的影响因子添加到接收信号中,完成电磁信号采样和数据生成;
步骤S4具体实现流程如下:
S401.首先进行电磁信号的特征参数设置,包括中心频率、带宽、脉宽、脉冲重复间隔、单个信号样本采样数和/或信噪比;
S402.创建电磁信号波形,设置采样率为步骤S1设置的数值,设置信号输出格式为离散信号样本;
其中,波形创建采用矩形脉冲波形,生成的波形信号为以下形式:
,
式中,为生成的矩形波形,/>表示载波频率,/>表示载波频率的开关矩形幅度调制,解调后,/>的复包络是持续时间为/>秒的实值矩形脉冲;
其中,的计算公式如下:
,
式中,表示一个区间右端点值;
S403. 为创建波形赋值信号特征,在步骤S401设置的信号特征参数范围内随机选取数值作为生成信号的特征参数;
S404.为已赋值特征的波形信号添加高斯噪声,先估计信号功率,然后根据设置的信噪比,计算噪声功率,进一步生成功率对应的高斯噪声添加到波形信号中;
其中,信号功率的计算公式如下:
式中,为离散的信号数据,/>为离散信号的采样数;
噪声功率的计算公式为:
,
其中,SNR指系统设置的信噪比或随机生成的信噪比;为信号功率,/>为噪声功率;
S405.调用电磁信号生成器,为波形信号添加频率偏移及多路径衰落;
S406.完成电磁信号生成,输出离散电磁信号样本。
2.根据权利要求1所述的电磁信号数据库自动化生成方法,其特征在于,步骤S1中所述的电磁信号仿真的基本参数设置,用户根据实际信号需求设置采样参数,包括采样率及采样周期。
3.根据权利要求1所述的电磁信号数据库自动化生成方法,其特征在于,步骤S2中初始化数据库包含的信号类型,用户指定生成的信号类型,多种调制方式的信号类型同时指定,根据指定的具体类型一次性生成多种信号。
4.根据权利要求1所述的电磁信号数据库自动化生成方法,其特征在于,步骤S3中所述的创建电磁信号生成器,基于无线通信的信道情况进行模拟,添加无线通信的影响因子,所述影响因子包括多路径时延、多路径平均信道增益、信道衰落K因子、最大多普勒频移以及补偿PAM、PSK或QAM信号的相位频率偏移。
5.根据权利要求1所述的电磁信号数据库自动化生成方法,其特征在于,步骤S3中所述的创建电磁信号生成器,每生成一种信号时,就会触发一次生成器,进而达到仿真真实环境的信道传输。
6.根据权利要求1所述的电磁信号数据库自动化生成方法,其特征在于,步骤S5中所述的电磁信号数据集的数据库存储和管理,基于步骤S4生成的多种信号数据集,根据信号类型和信号参数自动连接数据库接口存储到数据库中;对于多种类型信号数据集的调用使用,通过连接数据库,调用数据库接口,根据信号信息获取指定信号进而进行电磁信号处理。
7.根据权利要求1所述的电磁信号数据库自动化生成方法,其特征在于,在完成信号特征参数设置后,系统自动化生成多种类型信号数据集,并自动化存储到数据库中,用户根据需求将数据存储到已有数据库或新建数据库中。
8.一种电磁信号数据库自动化生成系统,其特征在于,所述系统用于实现根据权利要求1-7任一项所述的电磁信号数据库自动化生成方法。
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CN202311395028.5A CN117131232B (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 一种电磁信号数据库自动化生成方法及系统 |
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CN202311395028.5A CN117131232B (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 一种电磁信号数据库自动化生成方法及系统 |
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CN113946949A (zh) * | 2021-10-12 | 2022-01-18 | 中国人民解放军火箭军工程大学 | 面向射频探测器典型电磁环境信号多层次多粒度仿真方法 |
CN114358046A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-04-15 | 合肥工业大学 | 一种多复杂度等级复杂电磁干扰环境模拟生成方法及系统 |
CN115828576A (zh) * | 2022-11-28 | 2023-03-21 | 杭州电子科技大学 | 基于Qt和MATLAB联合的多模式电磁环境信号仿真系统及其方法 |
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2023
- 2023-10-26 CN CN202311395028.5A patent/CN117131232B/zh active Active
Patent Citations (4)
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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基于屏蔽室的武器系统超短波通信距离评估方法;王琨 等;火炮发射与控制学报;第43卷(第2期);全文 * |
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