CN116781184B - 软件定义的帧突发射频信号模拟方法、介质和系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种软件定义的帧突发射频信号模拟方法、介质和系统，对射频信号模拟真实性和质量进行了优化，通过信源控制、组帧控制、帧间隔控制、调制类型控制、时间戳标签控制、FPGA控制和射频控制，实现了灵活设置信号每帧的起始时间、帧长度和帧间隔，因此可以模拟任意帧结构的帧突发射频信号，从而更加逼真地生成复杂电磁背景信号。采用本方法和系统所产生的高拟真度真实环境信号不仅可以进行内场的模拟电磁环境测评，也可进行外场实地的复杂电磁环境演示测量，不仅提高了性能测试效果，也极大降低了测试成本。

Description

软件定义的帧突发射频信号模拟方法、介质和系统

技术领域

本申请涉及射频信号模拟领域，特别是涉及一种软件定义的帧突发射频信号模拟方法、介质和系统。

背景技术

随着射频信号技术的发展，出现了射频信号模拟方法，射频信号模拟方法通过模拟电路或模拟信号处理技术生成和处理射频信号。在设备性能测试方面，可以通过模拟复杂的射频信号作为真实环境信号，进而可以模拟出真实环境中复杂的电磁环境，从而达到对设备进行测试的作用。在复杂射频信号模拟过程中，需要把采集的信号进行组合后构建复杂电磁环境。

然而，现有的射频背景信号模拟器，只能模拟连续数据流的射频背景信号，或者具有简单重复周期的帧结构射频信号，因此目前模拟的复杂射频信号有很大的局限性，不能很好地模拟出真实的复杂电磁环境，影响设备的测试效果。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种软件定义的帧突发射频信号模拟方法、介质和系统，优化射频信号模拟真实性差的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一方面，本发明实施例提供一种软件定义的帧突发射频信号模拟方法，包括以下步骤：

采集信号作为基带信号，设置基带信号类型；

检查基带信号是否有帧旁路标志，若无则对基带信号进行组帧，若有则不进行组帧；检查基带信号的帧同步码，根据帧同步码控制基带信号的帧同步；

选择固定设置方式或分布随机方式，若选择固定设置方式，则人工设置固定帧间隔长度，若选择分布随机方式，则分布随机产生帧间隔长度；

根据基带信号类型设置调制类型；

根据基带信号的帧长度、帧间隔长度和帧传输速率，计算得到基带信号每一数据帧的起始时间，根据起始时间给每一数据帧添加时间戳标签；

根据时间戳标签对基带信号进行严格时序数据帧发送；

将接收到的基带信号变频为中频信号，对中频信号的帧数据流进行射频变换，将射频变换后的信号作为帧突发射频信号进行发射。

在其中一个实施例中，采集信号作为基带信号的过程，包括：

采集自然界中的实际信源信号作为基带信号，或通过软件生成的仿真信源信号作为基带信号。

在其中一个实施例中，检查基带信号是否有帧旁路标志，若无则对基带信号进行组帧的过程，包括：

检查基带信号是否有帧旁路标志，若无则选择手动设置模式或随机设置模式，若选择手动设置模式，则人工设置每帧长度，若选择随机设置模式，则分布随机产生每帧长度。

在其中一个实施例中，根据基带信号类型设置调制类型，其中，调制类型包括：幅移键控、频移键控、正交振幅调制和正交相移键控。

在其中一个实施例中，时间戳标签包括：时戳标签、突发起始标签、突发结束标签；

时戳标签包含数据帧的时间起点信息；

突发起始标签包含数据帧的起始位置信息；

所述突发结束标签包含数据帧的结束位置信息。

在其中一个实施例中，检查基带信号的帧同步码，根据帧同步码控制基带信号的帧同步的过程之后，还包括：

检查基带信号是否有数据白化标志，若有则对基带信号进行数据白化，若无则不进行白化。

一方面，本发明实施例提供一种可读存储介质，其上存储有驱动程序，驱动程序被处理器执行时实现上述任一种软件定义的帧突发射频信号模拟方法的步骤。

一方面，本发明实施例提供一种软件定义的帧突发射频信号模拟系统，包括帧突发射频信号模拟平台和帧突发射频信号模拟软件；

帧突发射频信号模拟平台包括CPU子系统、FPGA子系统和宽带射频变换子系统；

帧突发射频信号模拟软件包括用户操作界面模块、软件无线电操作模块和组件化帧突发信号波形模块；用户操作界面模块用于用户操作和波形显示，软件无线电操作模块用于执行软件无线电操作，组件化帧突发信号波形模块用于生成帧突发信号，包括CPU子模块、FPGA子模块和宽带射频变换子模块；

CPU子模块用于控制CPU子系统，包括信源组件、组帧组件、调制组件和时间戳标签组件；

FPGA子模块用于控制FPGA子系统，包括时间戳提取组件和射频控制组件；

宽带射频变换子模块用于控制宽带射频变换子系统。

在其中一个实施例中，CPU子模块用于控制CPU子系统，包括信源组件、组帧组件、调制组件和时间戳标签组件，包括：

信源组件用于信源控制，采集信号作为基带信号，设置基带信号类型；

组帧组件用于组帧控制和帧间隔控制，检查基带信号是否有帧旁路标志，若无则对基带信号进行组帧，若有则不进行组帧；检查基带信号的帧同步码，根据帧同步码控制基带信号的帧同步；选择固定设置方式或分布随机方式，若选择固定设置方式，则人工设置固定帧间隔长度，若选择分布随机方式，则分布随机产生帧间隔长度；

调制组件用于调制类型控制，根据基带信号类型设置调制类型；

调制组件用于时间戳标签控制，根据基带信号的帧长度、帧间隔长度和帧传输速率，计算得到基带信号每一数据帧的起始时间，根据起始时间给每一数据帧添加时间戳标签；

时间戳标签组件用于时间戳标签控制，根据基带信号的帧长度、帧间隔长度和帧传输速率，计算得到基带信号每一数据帧的起始时间，根据起始时间给每一数据帧添加时间戳标签。

在其中一个实施例中，FPGA子模块用于控制FPGA子系统，包括时间戳提取组件和射频控制组件，包括：

时间戳提取组件用于FPGA控制，根据时间戳标签对基带信号进行严格时序数据帧发送；

射频控制组件用于射频控制，将接收到的基带信号变频为中频信号，对中频信号的帧数据流进行射频变换，将射频变换后的信号作为帧突发射频信号进行发射。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

上述一种软件定义的帧突发射频信号模拟方法、介质和系统，对射频信号模拟真实性和质量进行了优化，通过信源控制、组帧控制、帧间隔控制、调制类型控制、时间戳标签控制、FPGA控制和射频控制，实现了灵活设置信号每帧的起始时间、帧长度和帧间隔，因此可以模拟任意帧结构的帧突发射频信号，并且在随机间隔时间内无冗余数据帧，从而更加逼真地生成复杂电磁背景信号。采用本方法和系统所产生的高拟真度真实环境信号不仅可以进行内场的模拟电磁环境测评，也可进行外场实地的复杂电磁环境演示测量，不仅提高了性能测试效果，也极大降低了测试成本。

附图说明

图1为一个实施例中一种软件定义的帧突发射频信号模拟方法的步骤流程图；

图2为一个实施例中一种软件定义的帧突发射频信号模拟系统软硬件体系架构图；

图3为一个实施例中组件化帧突发信号波形模块架构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本申请提供了一种软件定义的帧突发射频信号模拟方法，如图1所示，包括以下步骤：

102：采集信号作为基带信号，设置基带信号类型；

104：检查基带信号是否有帧旁路标志，若无则对基带信号进行组帧，若有则不进行组帧；检查基带信号的帧同步码，根据帧同步码控制基带信号的帧同步；

106：选择固定设置方式或分布随机方式，若选择固定设置方式，则人工设置固定帧间隔长度，若选择分布随机方式，则分布随机产生帧间隔长度；

108：根据基带信号类型设置调制类型；

110：根据基带信号的帧长度、帧间隔长度和帧传输速率，计算得到基带信号每一数据帧的起始时间，根据起始时间给每一数据帧添加时间戳标签；

112：根据时间戳标签对基带信号进行严格时序数据帧发送；

114：将接收到的基带信号变频为中频信号，对中频信号的帧数据流进行射频变换，将射频变换后的信号作为帧突发射频信号进行发射。

可以理解，信源在本例中是指待传输或待处理的原始信息，例如语音、图像、视频或数据等，信源控制通过对信源的采样、编码、压缩和调整等处理，使得信源产生的信号能够适应通信系统的特性和限制；

可以理解，组帧是将原始数据按照一定规则和格式进行分组和编码的过程。在本例中，组帧是为了将待传输的数据划分为适当大小的数据块，并添加必要的控制信息，以便接收端可以正确地接收和解码数据；

可以理解，帧同步码是一种特定的模式或序列，位于数据帧的开头，用于帮助接收方正确地识别和定位每个数据帧的起始位置，从而实现帧同步，通过帧同步码，接收方可以识别数据流中的帧边界，确保正确地接收和处理每个数据帧；

可以理解，帧传输速率主要取决采样率，另外还有每符号采样数、每符号比特数；

可以理解，FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，用于构建数字电路和逻辑功能的硬件平台，它是一种可重构的集成电路，允许用户根据特定需求对其内部的逻辑门和连线进行编程和配置，在本例中通过程序实现FPGA控制，从而完成对基带信号进行严格时序数据帧发送；

可以理解，严格时序数据帧发送是指以确定的时间间隔发送数据帧，要求发送方和接收方在时钟同步和数据传输方面具有严格的时间一致性。

在其中一个实施例中，采集信号作为基带信号的过程，包括：

采集自然界中的实际信源信号作为基带信号，或通过软件生成的仿真信源信号作为基带信号。

可以理解，根据具体的需求选择MATLAB、Python、GNU Radio和Simulink等软件生成仿真信源信号，根据需要，还可以结合各种信号处理技术和算法，对生成的信号进行进一步处理和分析。

在一个实施例中，检查基带信号是否有帧旁路标志，若无则对基带信号进行组帧的过程，包括：

检查基带信号是否有帧旁路标志，若无则选择手动设置模式或随机设置模式，若选择手动设置模式，则人工设置每帧长度，若选择随机设置模式，则分布随机产生每帧长度。

可以理解，在本例中，通过生成随机数的方式实现分布随机产生每帧长度。

在一个实施例中，根据基带信号类型设置调制类型，其中，调制类型包括：幅移键控、频移键控、正交振幅调制和正交相移键控。

可以理解，幅移键控、频移键控、正交振幅调制和正交相移键控都属于数字调制技术，可以根据实际情况进行组合使用；幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）是一种简单的数字调制技术，其中数字数据被映射到不同的振幅水平，具体而言，当数字为1时，调制信号的振幅为高水平，当数字为0时，调制信号的振幅为低水平，幅移键控适用于噪声较小的传输环境；频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）是一种调制技术，其中数字数据被映射到不同的频率，适用于抵抗干扰和频率偏移的传输环境；正交振幅调制（QuadratureAmplitude Modulation，QAM）是一种复杂的数字调制技术，其在分布在I（实数轴）和Q（虚数轴）两个正交信道上独立调制信号的振幅和相位，从而将数字数据映射到复数信号空间，具体而言，正交振幅调制中的数字数据被分为一组比特，根据每组比特的值，在I和Q信道上选择相应的振幅和相位。正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）是一种常用的数字调制技术，其中数字数据被映射到不同的相位，正交相移键控可以在有限的频带宽度内实现高比特率，并且具有相对较低的误码率。

在一个实施例中，时间戳标签包括：时戳标签、突发起始标签、突发结束标签；

时戳标签包含数据帧的时间起点信息；

突发起始标签包含数据帧的起始位置信息；

突发结束标签包含数据帧的结束位置信息。

可以理解，时戳标签（TIME）用于确定帧的开始位置，它包含一组特定的信号模式，用于在传输中指示新的帧的开始；突发起始标签（SOB）在传输信号中标志着帧的开始，它是在时戳标签后出现的特定信号模式，用于进一步确认帧的边界并指示帧的开始；突发结束标签（EOB）用于标志一个帧的结束，它是在传输信号中的特定位置出现的信号模式，用于指示一个帧的传输完成。通过这些标签的组合，可以确定传输信号的帧信息，包括帧的起始位置、帧的边界和帧的长度，接收端在接收到这些标签后，可以解析传输信号，提取出每个帧的有效数据，并进行后续的处理和解码。

在一个实施例中，检查基带信号的帧同步码，根据帧同步码控制基带信号的帧同步的过程之后，还包括：

检查基带信号是否有数据白化标志，若有则对基带信号进行数据白化，若无则不进行白化。

可以理解，数据白化是一种用于基带信号的前处理技术，旨在减少传输信号中的冗余性和相关性，主要目的是改变信号的统计特性，使信号的功率谱密度在频率上更均匀分布。通过对基带信号进行数据白化处理，有助于提高信号传输的可靠性和抗干扰性，白化后的信号更接近于高斯白噪声的统计特性，使得接收端可以更有效地识别和解调信号。

一方面，本发明实施例提供一种可读存储介质，其上存储有驱动程序，驱动程序被处理器执行时实现上述任一种软件定义的帧突发射频信号模拟方法的步骤。

可以理解，本例中，可读存储介质可以是硬盘驱动器、固态盘、光盘、闪存卡等。

一方面，本发明实施例提供一种软件定义的帧突发射频信号模拟系统，如图2所示，包括帧突发射频信号模拟平台和帧突发射频信号模拟软件；

帧突发射频信号模拟平台包括CPU子系统、FPGA子系统和宽带射频变换子系统；

帧突发射频信号模拟软件包括用户操作界面模块、软件无线电操作模块和组件化帧突发信号波形模块；用户操作界面模块用于用户操作和波形显示，软件无线电操作模块用于执行软件无线电操作，组件化帧突发信号波形模块用于生成帧突发信号，包括CPU子模块、FPGA子模块和宽带射频变换子模块；

CPU子模块用于控制CPU子系统，包括信源组件、组帧组件、调制组件和时间戳标签组件；

FPGA子模块用于控制FPGA子系统，包括时间戳提取组件和射频控制组件；

宽带射频变换子模块用于控制宽带射频变换子系统。

可以理解，组件化帧突发信号波形模块在软件设计上与可重构的帧突发射频信号模拟平台的相关硬件一一对应，即构成软件的CPU子模块、FPGA子模块和宽带射频变换子模块分别在相应的硬件CPU子系统、FPGA子系统和宽带射频变换子系统上运行。

可以理解，本方案组件化帧突发信号波形模块的软件设计，保证可靠性的同时注重提升软件性能，模块高内聚低耦合的独立特性则保证了软件部署与软件维护的便捷性。简单来说，在此软件系统架构下，某一组件用同一类型的相似组件替换后，与其交互的相关组件不会受到影响。

在一个实施例中，组件化帧突发信号波形模块架构如图3所示，CPU子模块用于控制CPU子系统，包括信源组件、组帧组件、调制组件和时间戳标签组件，包括：

信源组件用于信源控制，采集信号作为基带信号，设置基带信号类型；

组帧组件用于组帧控制和帧间隔控制，检查基带信号是否有帧旁路标志，若无则对基带信号进行组帧，若有则不进行组帧；检查基带信号的帧同步码，根据帧同步码控制基带信号的帧同步；选择固定设置方式或分布随机方式，若选择固定设置方式，则人工设置固定帧间隔长度，若选择分布随机方式，则分布随机产生帧间隔长度；

调制组件用于调制类型控制，根据基带信号类型设置调制类型；

调制组件用于时间戳标签控制，根据基带信号的帧长度、帧间隔长度和帧传输速率，计算得到基带信号每一数据帧的起始时间，根据起始时间给每一数据帧添加时间戳标签；

时间戳标签组件用于时间戳标签控制，根据基带信号的帧长度、帧间隔长度和帧传输速率，计算得到基带信号每一数据帧的起始时间，根据起始时间给每一数据帧添加时间戳标签。

可以理解，当信号模拟系统采用分布随机方式时，虽然每次运行有固定的帧传输速率，但由于帧长度、帧间隔是动态随机可变的，因此计算出的每帧实际起始时间也是动态随机可变的，即时间戳的增长方式是动态随机的。

在一个实施例中，FPGA子模块用于控制FPGA子系统，包括时间戳提取组件和射频控制组件，包括：

时间戳提取组件用于FPGA控制，根据时间戳标签对基带信号进行严格时序数据帧发送；

射频控制组件用于射频控制，将接收到的基带信号变频为中频信号，对中频信号的帧数据流进行射频变换，将射频变换后的信号作为帧突发射频信号进行发射。

可以理解， FPGA子模块根据从CPU子模块获取的时间戳来实现严格时序的帧发送，FPGA内部维护一个时间计数器，时间计数器单位为FPGA的时钟，例如200MHz；FPGA根据接收到的每个帧的时间，检索时间戳，如果时间还没有到，则先进行缓冲；如果时间到了，则通过射频控制组件将帧数据流发送给宽带射频变换模块，最终实现从宽带射频变换模块发射出的数据帧是突发帧。如果上一数据帧发送的结束位置点已过，而下一数据帧发送的时间起点还未来临，那这一段间隔时间是无信号状态。对不同数据帧而言，无论相邻数据帧的长度是否相等，它们之间的这一段间隔时间都是随机变化的，即每一帧的起始时间都是随机，因而数据流的每一帧都是突发帧。

可以理解，本例在CPU子模块的时间戳标签组件与FPGA子模块的时间戳提取模块之间，设计一条独立异构系统平台通信机制，使得标签通信与数据通信相互隔离，而进行单独处理从而提高响应速度。在具体设计上，为降低CPU的负担并提高异构系统通信速率，时间戳标签组件数据直接通过DMA写入AXI总线，而AXI总线另一端连接FPGA，这就大大提高了FPGA进行时间戳提取的速度。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种软件定义的帧突发射频信号模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集自然界中的实际信源信号作为基带信号，或通过软件生成的仿真信源信号作为基带信号，设置所述基带信号类型；

检查所述基带信号是否有帧旁路标志，若无则选择手动设置模式或随机设置模式，若选择所述手动设置模式，则人工设置每帧长度，若选择所述随机设置模式，则分布随机产生每帧长度，若有则不进行组帧；检查所述基带信号的帧同步码，根据所述帧同步码控制所述基带信号的帧同步；

选择固定设置方式或分布随机方式，若选择所述固定设置方式，则人工设置固定帧间隔长度，若选择所述分布随机方式，则分布随机产生帧间隔长度；

根据所述基带信号类型设置调制类型；

根据所述基带信号的帧长度、帧间隔长度和帧传输速率，计算得到所述基带信号每一数据帧的起始时间，根据所述起始时间给所述每一数据帧添加时间戳标签；所述时间戳标签包括：时戳标签、突发起始标签、突发结束标签；所述时戳标签包含数据帧的时间起点信息；所述突发起始标签包含数据帧的起始位置信息；所述突发结束标签包含数据帧的结束位置信息；

根据所述时间戳标签对所述基带信号进行严格时序数据帧发送；

将接收到的所述基带信号变频为中频信号，对所述中频信号的帧数据流进行射频变换，将所述射频变换后的信号作为帧突发射频信号进行发射。

2.根据权利要求1所述的软件定义的帧突发射频信号模拟方法，其特征在于，所述根据所述基带信号类型设置调制类型，其中，调制类型包括：幅移键控、频移键控、正交振幅调制和正交相移键控。

3.根据权利要求1所述的软件定义的帧突发射频信号模拟方法，其特征在于，所述检查所述基带信号的帧同步码，根据所述帧同步码控制所述基带信号的帧同步的过程之后，还包括：

检查所述基带信号是否有数据白化标志，若有则对所述基带信号进行数据白化，若无则不进行白化。

4.一种可读存储介质，其上存储有驱动程序，其特征在于，所述驱动程序被处理器执行时实现权利要求1至3中任一项所述的软件定义的帧突发射频信号模拟方法的步骤。

5.一种帧突发射频信号模拟系统，其特征在于，包括帧突发射频信号模拟平台和帧突发射频信号模拟软件；

所述帧突发射频信号模拟平台包括CPU子系统、FPGA子系统和宽带射频变换子系统；

所述帧突发射频信号模拟软件包括用户操作界面模块、软件无线电操作模块和组件化帧突发信号波形模块；所述用户操作界面模块用于用户操作和波形显示，所述软件无线电操作模块用于执行软件无线电操作，所述组件化帧突发信号波形模块用于生成帧突发信号，包括CPU子模块、FPGA子模块和宽带射频变换子模块；

所述CPU子模块用于控制所述CPU子系统，包括信源组件、组帧组件、调制组件和时间戳标签组件；所述信源组件用于信源控制，采集信号作为基带信号，设置所述基带信号类型；所述组帧组件用于组帧控制和帧间隔控制，检查所述基带信号是否有帧旁路标志，若无则对所述基带信号进行组帧，若有则不进行组帧；检查所述基带信号的帧同步码，根据所述帧同步码控制所述基带信号的帧同步；选择固定设置方式或分布随机方式，若选择所述固定设置方式，则人工设置固定帧间隔长度，若选择所述分布随机方式，则分布随机产生帧间隔长度；所述调制组件用于调制类型控制，根据所述基带信号类型设置调制类型；所述时间戳标签组件用于时间戳标签控制，根据所述基带信号的帧长度、帧间隔长度和帧传输速率，计算得到所述基带信号每一数据帧的起始时间，根据所述起始时间给所述每一数据帧添加时间戳标签；所述时间戳标签组件数据直接通过DMA写入AXI总线，所述AXI总线另一端连接所述FPGA子模块；

所述FPGA子模块用于控制所述FPGA子系统，包括时间戳提取组件和射频控制组件；所述时间戳提取组件用于FPGA控制，根据所述时间戳标签对所述基带信号进行严格时序数据帧发送；所述射频控制组件用于射频控制，将接收到的所述基带信号变频为中频信号，对所述中频信号的帧数据流进行射频变换，将所述射频变换后的信号作为帧突发射频信号进行发射；

所述宽带射频变换子模块用于控制所述宽带射频变换子系统。