CN117519423A - 基于zynq的信噪比与带宽可控单音信号产生器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器及方法，应用于中频采样的仿真程序中，通过ZYNQ芯片进行实现，噪声产生模块产生噪声样本序列，噪声衰减模块在控制模块的控制下对其进行衰减；单音信号产生模块产生单音信号样本序列，单音信号衰减模块在控制模块的控制下对其进行衰减；混频模块产生带噪声的单音信号样本序列，带宽选择模块在控制模块的控制下对带噪声的单音信号样本序列进行带宽整形滤波，并输出信噪比和带宽可控的单音信号样本序列。所述方法通过所述单音信号产生器进行实现。本发明可模拟小功率信号，也可以模拟大功率信号，并实现任意功率和任意信噪比的控制，且输出的单音信号的信噪比精度高。
Description
技术领域
本发明属于信号采集技术领域，应用于中频采样的仿真程序中，尤其涉及一种基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器及方法。
背景技术
在信号采集系统中，采样电路利用高速ADC来实现中频信号的采集，将信号从模拟域转变到数字域，然后在数字域进行后续的信号处理。但是采样电路从设计到投板、从投板到贴片、再从贴片到可正常采集信号——这个时间往往需要花费数周甚至数月。在此期间，由于缺少中频信号的样本数据，信号处理算法的仿真工作将受到影响，这降低了开发效率，增加了开发周期。所以有必要找到一种可以模拟中频信号实际特征的方法，产生模拟的中频信号样本数据供仿真使用，使信号处理算法的仿真不受采样电路的影响。
如图1所示为现有技术的一种中频信号发生器，其包括控制模块单片机、信号产生模块FPGA和数模转换模块，如图2所示为其实现中频信号输出原理，在FPGA芯片内部利用数字频率合成器产生一个不带噪声的中频信号；再利用M序列生成器生成一段伪随机序列，根据M序列的性质，这段伪随机序列在频谱上呈现与噪声类似的特征，因此可以用来模拟噪声；这段伪随机序列经过M序列量化模块量化之后，便可与不带噪声的中频信号混频产生带噪声的中频信号序列；然后FPGA将这段带噪声的中频信号序列输出给数模转换模块，最终输出中频信号。此种现有技术的方案存在噪声功率不可调、信号功率不可调、信号带宽不可调、噪声种类单一等问题，其输出的中频信号无法充分体现真实信号的特征，使用局限性大、应用面窄。
发明内容
针对上述相关现有技术不足，本发明提供一种基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器及方法，可模拟小功率信号，也可以模拟大功率信号，并实现任意功率和任意信噪比的控制，且输出的单音信号的信噪比精度高。
为了实现本发明的目的，拟采用以下方案：
基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器，包括通过ZYNQ芯片实现的控制模块、噪声产生模块、噪声衰减模块、单音信号产生模块、单音信号衰减模块、混频模块和带宽选择模块。
噪声产生模块连接噪声衰减模块，噪声衰减模块连接混频模块的一个输入端口；单音信号产生模块连接单音信号衰减模块，单音信号衰减模块连接混频模块的另一个输入端口；混频模块的输出端口连接带宽选择模块；控制模块连接噪声衰减模块、单音信号衰减模块和带宽选择模块。
噪声产生模块用于产生噪声样本序列并输出到噪声衰减模块，噪声衰减模块用于在控制模块的控制下对噪声样本序列进行衰减控制后输出到混频模块；
单音信号产生模块用于产生单音信号样本序列并输出到单音信号衰减模块，单音信号衰减模块用于在控制模块的控制下对单音信号样本序列进行衰减控制并输出混频模块；
混频模块用于产生带噪声的单音信号样本序列并输出到带宽选择模块，带宽选择模块用于在控制模块的控制下对带噪声的单音信号样本序列进行带宽整形滤波，并输出信噪比和带宽可控的单音信号样本序列。
进一步，噪声产生模块中通过一个ROM存储噪声样本序列，并通过一个计数器作为ROM的地址输入，ROM用于在计数器的驱动下循环对外依次输出噪声样本序列。
进一步，控制模块用于输出噪声乘法因子，以提供给噪声衰减模块中的乘法器，以将噪声乘法因子和从噪声产生模块输出的噪声样本序列相乘，实现对噪声样本序列的衰减控制。
进一步，单音信号产生模块中通过一个DDS自动循环对外输出单音信号样本序列。
进一步，控制模块用于输出单音信号乘法因子，以提供给单音信号衰减模块的乘法器，以将单音信号乘法因子和从单音信号产生模块输出的单音信号样本序列相乘，实现对单音信号样本序列的衰减控制。
进一步，混频模块中通过一个加法器将一个输入端口获取的噪声样本序列和另一输入端口获取的单音信号样本序列相加，输出带噪声的单音信号样本序列。
进一步，带宽选择模块通过一个FIR预存若干组不同带宽系数，FIR用于根据控制模块提供的带宽选择参数从预存的系数中选择一组，并根据所选择的带宽系数对带噪声的单音信号样本序列进行带宽整形滤波，以实现带宽可控。
基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生方法，采用所述的基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器进行实现，包括步骤：
利用ZYNQ的处理系统PS实现控制模块的作用，首先确定需要的信噪比，然后设定一个需要的单音信号乘法因子，然后将设定的单音信号乘法因子代入信噪比公式，得到所需信噪比对应的噪声乘法因子；并由处理系统PS产生带宽选择参数；然后处理系统PS将单音信号乘法因子、噪声乘法因子、带宽选择参数分别输出给单音信号衰减模块、噪声衰减模块和带宽选择模块；
利用工具产生若干组不同的带宽系数，并预先存储于带宽选择模块的FIR中；
利用噪声产生模块产生噪声样本序列并输出到噪声衰减模块，然后利用噪声衰减模块根据噪声乘法因子对噪声样本序列进行衰减控制后输出到混频模块；并利用单音信号产生模块产生单音信号样本序列并输出到单音信号衰减模块，然后利用单音信号衰减模块根据单音信号乘法因子对单音信号样本序列进行衰减控制并输出到混频模块；
利用混频模块中将衰减控制后的噪声样本序列加入到衰减控制后的单音信号样本序列中，以产生带噪声的单音信号样本序列并输出到带宽选择模块；
利用带宽选择模块的FIR根据带宽选择参数从预存的系数中选择一组，对带噪声的单音信号样本序列进行带宽整形滤波，最终输出信噪比和带宽可控的单音信号样本序列。
本发明的有益效果在于：
本发明既可以模拟小功率信号，也可以模拟大功率信号，并能够实现任意功率和任意信噪比的控制，且输出的单音信号的信噪比精度高。
附图说明
图1示出了现有技术的一种中频信号发生器结构。
图2示出了现有技术的一种中频信号发生器的信号产生原理图。
图3示出了本申请实施例的基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器结构。
图4示出了本申请实施例的基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生方法原理图。
图5示出了本申请实施例的方法中控制模块的实现流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明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。
本申请实施例提供一种基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器，如图3所示，其包括通过ZYNQ芯片实现的控制模块、噪声产生模块、噪声衰减模块、单音信号产生模块、单音信号衰减模块、混频模块和带宽选择模块。
其中，噪声产生模块连接噪声衰减模块，噪声衰减模块连接混频模块的一个输入端口；单音信号产生模块连接单音信号衰减模块，单音信号衰减模块连接混频模块的另一个输入端口；混频模块的输出端口连接带宽选择模块；控制模块连接噪声衰减模块、单音信号衰减模块和带宽选择模块。
噪声产生模块用于产生噪声样本序列并输出到噪声衰减模块，噪声衰减模块用于在控制模块的控制下对噪声样本序列进行衰减控制后输出到混频模块；单音信号产生模块用于产生单音信号样本序列并输出到单音信号衰减模块，单音信号衰减模块用于在控制模块的控制下对单音信号样本序列进行衰减控制并输出到混频模块。
混频模块用于产生带噪声的单音信号样本序列并输出到带宽选择模块，带宽选择模块用于在控制模块的控制下对带噪声的单音信号样本序列进行带宽整形滤波，并输出最终的信噪比和带宽可控的单音信号样本序列。
本申请实施例同时提供一种基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生方法，采用所述的基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器实现，实现原理如图4所示。具体的，在本实施例中，噪声样本序列和单音信号样本序列的位宽为16bit作为示例进行说明。当噪声样本序列和单音信号样本序列的位宽为16bit时，噪声样本序列和单音信号样本序列的有效范围为[-215~+215-1]，即[-32768~+32767]。
在本实施例中，首先在Vivado软件中调用一个ROM用于存储噪声样本序列，宽度为16bit，深度为65536，即寻址范围为[0~65535]。然后利用MATLAB（或者其他工具）产生一组个数为65536、标准差δ为1000的噪声样本序列，并将此序列存储在所述ROM中。因为噪声信号的有效电平等于其标准差，所以其有效电平为1000。然后利用一个16bit的计数器作为所述ROM的地址输入，所述计数器的计数范围为[0~65535]，与所述ROM的寻址范围[0~65535]一一对应。当所述计数器计数达到最大值65535时，计数器将自动归0并重新开始计数。然后所述ROM在计数器的驱动下，循环对外依次输出65536个噪声样本序列。即实现了噪声产生模块的输出噪声样本序列的功能，从所述噪声产生模块输出的噪声样本序列将进入到所述噪声衰减模块的输入。
根据此构思，在本实施例中，创建一个“噪声乘法因子”变量，宽度为16bit，值由所述控制模块写入，变量值的范围为[0~16]，精度为0.000244。所述噪声乘法因子与所述噪声产生模块输出的噪声样本序列相乘，如此便可实现对噪声样本序列的衰减控制。从所述噪声衰减模块输出的噪声样本序列将进入到所述混频模块的一个输入端口。
根据此构思，在本实施例中，在Vivado软件中调用一个DDS用于产生单音信号样本序列，频率为20MHz，宽度为16bit，其幅度为215=32768。根据DDS的特性，所述DDS在工作时会自动循环对外输出单音信号样本序列，如此便实现了在本实施例的单音信号产生模块中产生单音信号样本序列的功能。从所述单音信号产生模块输出的单音信号样本序列将进入到所述单音信号衰减模块的输入。
根据此构思，在本实施例中，创建一个“单音信号乘法因子”变量，宽度为16bit，值由所述控制模块写入，变量值的范围为[0~1]，精度为0.000244。所述单音信号乘法因子与所述单音信号产生模块输出的单音信号样本序列相乘，如此便可实现对单音信号样本序列的衰减控制。从所述单音信号衰减模块输出的单音信号样本序列将进入到所述混频模块的另一个输入端口。
根据此构思，在本实施例中，将所述噪声衰减模块输出的噪声样本序列与所述单音信号衰减模块输出的单音信号样本序列分别输入给加法器的2个输入端口，实现在单音信号中加入噪声的作用，加法器的输出便是带噪声单音信号样本序列。所述加法器的2个输入端口便是所述混频模块的两个输入端口，加法器的输出便是所述混频模块的输出。从所述混频模块输出的带噪声单音信号样本序列将输出到带宽选择模块的输入。
根据此构思，在本实施例中，在Vivado软件中调用一个FIR用于对所述混频模块输出的带噪声单音信号样本序列进行带宽控制。利用MATLAB（或者其他工具）产生16组不同带宽的系数，带宽分别为：0.5MHz、1MHz、1.5MHz、2MHz、2.5MHz、3MHz、……、7.5MHz、8MHz。然后将所述16组系数存储在所述FIR中。然后所述FIR根据所述控制模块输出的带宽选择参数选择具体的某一组系数，并根据这组系数对所述带噪声单音信号样本序列进行带宽整形滤波，以此实现带宽可控。
带宽选择模块的输出便是本发明的最终输出，即信噪比与带宽可控的单音信号。
根据此发明，在本实施例中，利用ZYNQ的处理系统PS（Processor System）来实现控制模块的作用。由所述PS来产生所述噪声乘法因子、所述单音信号乘法因子和所述带宽选择参数的具体值，并分别输出给所述噪声衰减模块、单音信号衰减模块和带宽选择模块。
根据信噪比公式：
，
其中，SNR表示信噪比，V signal 表示单音信号的有效电压，V noise 表示噪声信号的有效电压。单音信号的有效电压等于其幅度除以，噪声信号的有效电压等于其标准差δ，所以信噪比公式可以进一步写为：
，
式中，AMP signal 表示单音信号的幅度，等于单音信号样本序列的幅度乘以单音信号乘法因子，即AMP signal =32768×单音信号乘法因子；δ noise 表示噪声信号的标准差，等于噪声样本序列的标准差乘以噪声乘法因子，即δ noise =1000×噪声乘法因子。所以在本实施例中，信噪比公式可以进一步写为：
。
基于此公式，在本实施例的控制模块的实现时，如图5所示流程，首先确定需要的信噪比，然后设定一个需要的单音信号乘法因子，然后将设定的单音信号乘法因子代入公式，并根据此公式求得所需信噪比对应的噪声乘法因子。然后所述PS便可以将单音信号乘法因子和噪声乘法因子分别输出给单音信号衰减模块和噪声衰减模块。
以上仅为本发明的优选实施例，并不表示是唯一的或是限制本发明。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围情况下，对本发明进行的各种改变或同等替换，均属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器，其特征在于，包括通过ZYNQ芯片实现的控制模块、噪声产生模块、噪声衰减模块、单音信号产生模块、单音信号衰减模块、混频模块和带宽选择模块；
噪声产生模块连接噪声衰减模块，噪声衰减模块连接混频模块的一个输入端口；
单音信号产生模块连接单音信号衰减模块，单音信号衰减模块连接混频模块的另一个输入端口；
混频模块的输出端口连接带宽选择模块；
控制模块连接噪声衰减模块、单音信号衰减模块和带宽选择模块；
噪声产生模块用于产生噪声样本序列并输出到噪声衰减模块，噪声衰减模块用于在控制模块的控制下对噪声样本序列进行衰减控制后输出到混频模块；
单音信号产生模块用于产生单音信号样本序列并输出到单音信号衰减模块，单音信号衰减模块用于在控制模块的控制下对单音信号样本序列进行衰减控制并输出到混频模块；
混频模块用于产生带噪声的单音信号样本序列并输出到带宽选择模块，带宽选择模块用于在控制模块的控制下对带噪声的单音信号样本序列进行带宽整形滤波，并输出信噪比和带宽可控的单音信号样本序列。
2.根据权利要求1所述的基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器，其特征在于，噪声产生模块中通过一个ROM存储噪声样本序列，并通过一个计数器作为ROM的地址输入，ROM用于在计数器的驱动下循环对外依次输出噪声样本序列。
3.根据权利要求1所述的基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器，其特征在于，控制模块用于输出噪声乘法因子，以提供给噪声衰减模块中的乘法器，以将噪声乘法因子和从噪声产生模块输出的噪声样本序列相乘，实现对噪声样本序列的衰减控制。
4.根据权利要求1所述的基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器，其特征在于，单音信号产生模块中通过一个DDS自动循环对外输出单音信号样本序列。
5.根据权利要求1所述的基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器，其特征在于，控制模块用于输出单音信号乘法因子，以提供给单音信号衰减模块的乘法器，以将单音信号乘法因子和从单音信号产生模块输出的单音信号样本序列相乘，实现对单音信号样本序列的衰减控制。
6.根据权利要求1所述的基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器，其特征在于，混频模块中通过一个加法器将一个输入端口获取的噪声样本序列和另一输入端口获取的单音信号样本序列相加，输出带噪声的单音信号样本序列。
7.根据权利要求1所述的基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器，其特征在于，带宽选择模块通过一个FIR预存若干组不同带宽系数，FIR用于根据控制模块提供的带宽选择参数从预存的系数中选择一组，并根据所选择的带宽系数对带噪声的单音信号样本序列进行带宽整形滤波，以实现带宽可控。
8.基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任意一项所述的基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生器进行实现，包括步骤：
利用ZYNQ的处理系统PS实现控制模块的作用，首先确定需要的信噪比，然后设定一个需要的单音信号乘法因子，然后将设定的单音信号乘法因子代入信噪比公式，得到所需信噪比对应的噪声乘法因子；并由处理系统PS产生带宽选择参数；然后处理系统PS将单音信号乘法因子、噪声乘法因子、带宽选择参数分别输出给单音信号衰减模块、噪声衰减模块和带宽选择模块；
利用工具产生若干组不同的带宽系数，并预先存储于带宽选择模块的FIR中；
利用噪声产生模块产生噪声样本序列并输出到噪声衰减模块，然后利用噪声衰减模块根据噪声乘法因子对噪声样本序列进行衰减控制后输出到混频模块；并利用单音信号产生模块产生单音信号样本序列并输出连接到单音信号衰减模块，然后利用单音信号衰减模块根据单音信号乘法因子对单音信号样本序列进行衰减控制并输出到混频模块；
利用混频模块中将衰减控制后的噪声样本序列加入到衰减控制后的单音信号样本序列中，以产生带噪声的单音信号样本序列并输出带宽选择模块；
利用带宽选择模块的FIR根据带宽选择参数从预存的系数中选择一组，对带噪声的单音信号样本序列进行带宽整形滤波，最终输出信噪比和带宽可控的单音信号样本序列。
9.根据权利要求8所述的基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生方法，其特征在于，所述信噪比公式为：
；
其中，SNR表示信噪比，AMP signal 表示单音信号的幅度，等于单音信号样本序列的幅度乘以单音信号乘法因子，δ noise 表示噪声信号的标准差，等于噪声样本序列的标准差乘以噪声乘法因子。
10.根据权利要求8所述的基于ZYNQ的信噪比与带宽可控单音信号产生方法，其特征在于，噪声样本序列和单音信号样本序列具有相同的位宽。
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