CN109525340B - 一种发射机等效建模及时频信号预测方法 - Google Patents

一种发射机等效建模及时频信号预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发射机等效建模及时频信号预测方法，将发射机等效为信号调制模块和发射机信道两个部分，对发射机信道输出信号数据进行归一化处理，对于时域信号，对其采样速率进行归一化处理，使其具有相同的采样速率；对于频域信号，对频谱分辨率进行归一化处理，使其具有相同的频谱分辨率，并且保证时域、频域数据点数是相同的；步骤三，基于平稳信道频率特性连续的原理，选择目标频点的邻近两个频点数据，采用线性插值或样条插值的拟合方法，预测发射机目标发射频点的时域、频域信号。本发明能够对发射机进行等效建模并利用已知信号对未知发射频点的时频信号进行拟合预测，形成发射机全发射频点数据库。

Description

一种发射机等效建模及时频信号预测方法
技术领域
本发明属于电磁特性建模及预测领域，尤其涉及一种发射机等效建模及时频信号预测方法。
背景技术
为了进行电磁兼容性分析，通常需要对雷达、通信设备发射源进行精确建模。实测数据可以准确反映设备的工作状态和辐射的电磁特性。由于雷达、通信设备的发射频点众多，获取发射机全部发射频点的时频信号耗时长、难度大且工作频点受到严格管制，很难测试到所有发射频点数据。并且各发射频点信号受到物理器件的影响，辐射特性不完全相同，因此需要建立发射机模型，利用已知的测试数据，预测发射机所有发射频点的时频信号，为电磁兼容性分析和电磁特性数据库构建提供条件。
目前常采用邻近点近似的方式对未知频点的时域信号进行表征，这种方式虽然简单，但没有反映出发射机物理辐射信道对不同频点频率特性的不同，若邻近点与未知频点的频率间隔较大，会造成较大的预测误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种发射机等效建模及时频信号预测方法，能够对发射机进行等效建模并利用已知信号对未知发射频点的时频信号进行拟合预测，形成发射机全发射频点数据库。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种发射机等效建模及时频信号预测方法，该方法包括以下步骤，步骤一，将发射机等效为信号调制模块和发射机信道两个部分，其中信号调制模块包含信号的编码、调制和上变频过程，发射机信道包含物理器件的频率特性，建立发射机时域及频域等效模型；步骤二，对发射机信道输出信号数据进行归一化处理，对于时域信号，对其采样速率进行归一化处理，使其具有相同的采样速率；对于频域信号，对频谱分辨率进行归一化处理，使其具有相同的频谱分辨率，并且保证时域、频域数据点数是相同的；步骤三，基于平稳信道频率特性连续的原理，选择目标频点的邻近两个频点数据，采用线性插值或样条插值(立方插值、三次样条函数插值)的拟合方法，预测发射机目标发射频点的时域、频域信号。发射机信道包含功率放大器、耦合器、带限滤波器、功率分配器和T/R组件。
按上述技术方案，在相同的发射工况下，建立等效的发射机模型，包括信号调制模块和发射信道模块，其中信号调制模块中对于发射机不同发射频点的信号，信号调制模块的输出的信号包络是一样的，仅信号的中心频率不同；发射信道模块包含物理器件的频率特性，等效为具有频率响应特性连续特征的信道。
按上述技术方案，所述步骤二、步骤三中，对于频域信号，首先对采集到的频谱数据进行归一化处理，使所有数据的频率分辨率是相同的，若数据的频率分辨率不同，则对较大分辨率的数据进行插值处理，使其与最小频率分辨率保持一致，然后通过对相邻发射频点的频谱数据插值拟合的方式预测出目标频点的频谱数据；对于时域信号，首先对数据进行归一化处理，使所有数据的采样速率是相同的，若数据的采样速率不同，则对较小采样速率的数据进行插值处理，使其与最大采样速率保持一致；然后进行傅里叶变换，将数据转换成频域，利用相邻发射频点数据插值拟合后，再进行傅里叶逆变换到时域，形成目标发射频点的时域信号。
按上述技术方案，所述步骤二中发射机信道输出信号的等效频域模型描述和时域信号预测模型分别为：Y(f)＝S(f)·H(f) (1)
y(t)＝s(t)*h(t)＝IFFT(S(f)·H(f)) (2)
其中，H(f)为等效的发射机频域特性模型，h(t)为对应的时域脉冲响应，s(t)，y(t)分别为发射机的数字基带信号和最终输出信号，Y(f),S(f)分别为y(t),s(t)对应的频域信号，所述步骤三中，根据平稳信道频率特性连续的原理，建立的等效发射机频域模型H(f)的输入和输出关系如下：
S(fp)＝S(fm)＝S(fq) (3)
Y(fm)＝Interp(Y(fp),Y(fq)) (4)
其中S(fp),S(fm)和S(fq)分别为发射机数字基带信号中幅值值相等的三个频率分量，Y(fp),Y(fm)和Y(fq)分别为这三个频率分量通过等效发射机信道之后的幅度值。
其中fp<fm<fq，当连续的三个频率分量在频域的幅度值相等时，通过信道模型H(f)后，其对应频域幅度值是连续的，如果已知经过H(f)后fp和fq对应的频域幅度值Y(fp)和Y(fq)，fp和fq之间任一频率fm均可通过插值的方法得到；为了提高预测的准确性，可以采用多个已知的fp和fq频点来预测频点fm对应的频域输出幅度。当信号的所有频率分量对应的频域输出幅度已知后，通过傅里叶逆变换获得信号的时域波形。
本发明产生的有益效果是：本发明基于平稳信道频率特性连续的原理，通过时频信号归一化处理和邻近频点插值拟合的方法，预测出未知发射频点时频信号，解决了利用有限发射频点测试数据对发射机等效建模及全发射频点时频信号预测的难题，工程实用性强。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例发射机等效建模及时频信号预测方法中发射机结构组成；
图2是本发明实施例中发射机等效模型；
图3是本发明实施例中电子设备全发射频点频域信号预测处理流程；
图4是本发明实施例中电子设备全发射频点时域信号预测处理流程；
图5是本发明实施例中基于平稳信道频率特性连续原理的拟合技术示意图；
图6是本发明实施例中发射机发射谱拟合建模计算结果；
图7是本发明实施例中发射机不同频点频谱拟合和实测发射谱均方根误差(RMSE)比较；
图8是本发明实施例中发射机基于有限实测频点的全发射频点频域数据拟合。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，提供一种发射机等效建模及时频信号预测方法，该方法包括以下步骤，步骤一，将发射机等效为信号调制模块和发射机信道两个部分，如图1、图2所示，其中信号调制模块包含信号的编码、调制和上变频过程，发射机信道包含物理器件的频率特性，建立发射机时域及频域等效模型；步骤二，对发射机信道输出信号数据进行归一化处理，对于时域信号，对其采样速率进行归一化处理，使其具有相同的采样速率；对于频域信号，对频谱分辨率进行归一化处理，使其具有相同的频谱分辨率，并且保证时域、频域数据点数是相同的；步骤三，基于平稳信道频率特性连续的原理，选择目标频点的邻近两个频点数据，采用线性插值或样条插值(立方插值、三次样条函数插值)的拟合方法，预测发射机目标发射频点的时域、频域信号。发射机信道包含功率放大器、耦合器、带限滤波器、功率分配器和T/R组件。如果这些器件是理想的，即具有无限大的频带宽度，则在相同发射工况下，发射机发射的信号频谱特征相同，仅中心频率不一样。然而在实际发射机中，因为器件的差异性和非平坦频率特性，发射信号不仅中心频率不一样，频谱特征也不相同。
进一步地，在相同的发射工况下，建立等效的发射机模型，包括信号调制模块和发射信道模块，其中信号调制模块中对于发射机不同发射频点的信号，信号调制模块的输出的信号包络是一样的，仅信号的中心频率不同；发射信道模块包含物理器件的频率特性，等效为具有频率响应特性连续特征的信道。
进一步地，如图3、图4所述，步骤二、步骤三中，对于频域信号，首先对采集到的频谱数据进行归一化处理，使所有数据的频率分辨率是相同的，若数据的频率分辨率不同，则对较大分辨率的数据进行插值处理，使其与最小频率分辨率保持一致，然后通过对相邻发射频点的频谱数据插值拟合的方式预测出目标频点的频谱数据；对于时域信号，首先对数据进行归一化处理，使所有数据的采样速率是相同的，若数据的采样速率不同，则对较小采样速率的数据进行插值处理，使其与最大采样速率保持一致；然后进行傅里叶变换，将数据转换成频域，利用相邻发射频点数据插值拟合后，再进行傅里叶逆变换到时域，形成目标发射频点的时域信号。
进一步地，所述步骤二中发射机信道输出信号的等效频域模型描述和时域信号预测模型分别为：
Y(f)＝S(f)·H(f) (1)
y(t)＝s(t)*h(t)＝IFFT(S(f)·H(f)) (2)
其中，H(f)为等效的发射机频域特性模型，h(t)为对应的时域脉冲响应，s(t)，y(t)分别为发射机的数字基带信号和最终输出信号，Y(f),S(f)分别为y(t),s(t)对应的频域信号，所述步骤三中，根据平稳信道频率特性连续的原理，建立的等效发射机频域模型H(f)的输入和输出关系如下：
S(fp)＝S(fm)＝S(fq) (3)
Y(fm)＝Interp(Y(fp),Y(fq)) (4)
其中S(fp),S(fm)和S(fq)分别为发射机数字基带信号中幅值值相等的三个频率分量，Y(fp),Y(fm)和Y(fq)分别为这三个频率分量通过等效发射机信道之后的幅度值。其中fp<fm<fq，当连续的三个频率分量在频域的幅度值相等时，通过信道模型H(f)后，其对应频域幅度值是连续的，如果已知经过H(f)后fp和fq对应的频域幅度值Y(fp)和Y(fq)，fp和fq之间任一频率fm均可通过插值的方法得到；为了提高预测的准确性，可以采用多个已知的fp和fq频点来预测频点fm对应的频域输出幅度。当信号的所有频率分量对应的频域输出幅度已知后，通过傅里叶逆变换获得信号的时域波形。
图5所示为基于平稳信道频率特性连续原理的拟合技术示意图。图5中(a)(c)(e)三个信号的中心频率分别为f1,f2和f3。由于对于不同发射频率发射信道频率特性不同，信号通过发射机信道后功率幅度会发生变化。考虑三个信号中三个与中心频率间隔相等的频率分量f11,f21和f31，在通过发射机信道之前，功率幅度相同，经过发射机信道之后，幅值发生改变。通常，发射机信道的频率特性是连续且慢变的，则通过f11和f31的功率幅度可以拟合出f21的功率幅值，如图5中(h)所示。改变选取的频率分量组f11和f31，则可以拟合出与中心频率f2间隔不同的分量f21，从而实现对发射频点f2的频谱拟合。如下所示为采用线性插值和样条插值(立方插值)的表达式，其中p,q为线性插值的权重系数，N为归一化数据的总点数，k为立方插值所需要的已知频点数。
Fli(n)＝p·F1(n)+q·F2(n) (n＝1,2,...N) (5)
Fcu(n)＝{F1(n),F2(n),...Fk(n)} (n＝1,2,...N) (6)
均方根误差(RMSE)用来衡量观测值和真值之间的偏差，对特大或特小误差反映非常敏感，能够很好地反映出观测量的近似度，因此将采用RMSE来衡量本发明提出的建模和预测效果。图6所示为某设备利用已知的3.15GHz和3.25GHz发射频点的信号对3.2GHz处的发射信号的预测结果及3.2GHz发射频点信号的实测结果。采用了线性拟合的方式对3.2GHz处发射信号进行预测，与实测数据相比，其RMSE＝2.05dB，而将邻近的3.15GHz处发射信号进行目标频点近似时，其RMSE＝3.05dB。
图7所示为对某发射机3.15GHz、3.2GHz、3.25GHz、3.3GHz、3.35GHz处的发射信号的拟合预测结果、实测结果和邻近点近似结果的比较，其中采用线性插值拟合预测选用的邻近频点为目标频点±0.05GHz的数据，采用样条插值(立方插值)拟合预测选用的邻近频点数为7个，包括3.1GHz、3.15GHz、3.2GHz、3.25GHz、3.3GHz、3.35GHz、3.4GHz。邻近点近似方法采用目标频点-0.05GHz的数据进行近似。与实测结果相比，两种插值拟合方法的RMSE是接近的，并且均优于邻近点近似的方法，预测性能提升的最大值在2dB左右。
图8所示为利用本发明提出的建模和预测方法对发射机全发射频点信号的预测结果。可以看出，对于已知的两个发射频点信号，可以预测出在这两个发射频点之间任意发射频点的信号。同时，随着已知的两个发射频点信号的频率间隔的减小，对未知频点预测的准确度将提升。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种发射机等效建模及时频信号预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，将发射机等效为信号调制模块和发射机信道两个部分，其中信号调制模块包含信号的编码、调制和上变频过程，发射机信道包含物理器件的频率特性，建立发射机时域及频域等效模型；步骤二，对发射机信道输出信号数据进行归一化处理，对于时域信号，对其采样速率进行归一化处理，使其具有相同的采样速率；对于频域信号，对频谱分辨率进行归一化处理，使其具有相同的频谱分辨率，并且保证时域、频域数据点数是相同的；步骤三，基于平稳信道频率特性连续的原理，选择目标频点的邻近两个频点数据，采用线性插值或样条插值的拟合方法，预测发射机目标发射频点的时域、频域信号，所述步骤二、步骤三中，对于频域信号，首先对采集到的频谱数据进行归一化处理，使所有数据的频率分辨率是相同的，若数据的频率分辨率不同，则对较大分辨率的数据进行插值处理，使其与最小频率分辨率保持一致，然后通过对相邻发射频点的频谱数据插值拟合的方式预测出目标频点的频谱数据；对于时域信号，首先对数据进行归一化处理，使所有数据的采样速率是相同的，若数据的采样速率不同，则对较小采样速率的数据进行插值处理，使其与最大采样速率保持一致；然后进行傅里叶变换，将数据转换成频域，利用相邻发射频点数据插值拟合后，再进行傅里叶逆变换到时域，形成目标发射频点的时域信号。
2.根据权利要求1所述的发射机等效建模及时频信号预测方法，其特征在于，在相同的发射工况下，建立等效的发射机模型，包括信号调制模块和发射信道模块，其中信号调制模块中对于发射机不同发射频点的信号，信号调制模块的输出的信号包络是一样的，仅信号的中心频率不同；发射信道模块包含物理器件的频率特性，等效为具有频率响应特性连续特征的信道。
3.根据权利要求1或2所述的发射机等效建模及时频信号预测方法，其特征在于，
所述步骤二中发射机信道输出信号的等效频域模型描述和时域信号预测模型分别为：
Y(f)＝S(f)·H(f) (1)
y(t)＝s(t)*h(t)＝IFFT(S(f)·H(f)) (2)
其中，H(f)为等效的发射机频域特性模型，h(t)为对应的时域脉冲响应，s(t)，y(t)分别为发射机的数字基带信号和最终输出信号，Y(f),S(f)分别为y(t),s(t)对应的频域信号，所述步骤三中，根据平稳信道频率特性连续的原理，建立的等效发射机频域模型H(f)的输入和输出关系如下：
S(fp)＝S(fm)＝S(fq) (3)
Y(fm)＝Interp(Y(fp),Y(fq)) (4)
其中S(fp),S(fm)和S(fq)分别为发射机数字基带信号中幅值相等的三个频率分量，Y(fp),Y(fm)和Y(fq)分别为这三个频率分量通过等效发射机信道之后的幅度值；
其中fp<fm<fq，当连续的三个频率分量在频域的幅度值相等时，通过信道模型H(f)后，其对应频域幅度值是连续的，如果已知经过H(f)后fp和fq对应的频域幅度值Y(fp)和Y(fq)，fp和fq之间任一频率fm均可通过插值的方法得到；当信号的所有频率分量对应的频域输出幅度已知后，通过傅里叶逆变换获得信号的时域波形。
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