一种动态背景信号生成系统
阅读说明：本技术 一种动态背景信号生成系统 (Dynamic background signal generation system ) 是由 王满喜 钱志升 朱健东 陆科宇 李坤 王得旺 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种动态背景信号生成系统,其包括监测接收模块、信息处理计算模块、信号发射模块；其中,监测接收模块,用于对目标信号进行侦察感知,识别信号载频、调制类型、带宽信息,生成目标信号描述子；信息处理计算模块,用于制定不同复杂度等级的复杂背景信号,基于目标信号描述子,生成背景信号的参数配置文件；信号发射模块,用于产生满足参数配置文件要求的不同频率、幅度、调制样式的背景信号。本发明能够提高复杂电磁环境构建能力,便于更好地检验设备复杂电磁环境下的工作性能。(The invention discloses a dynamic background signal generation system, which comprises a monitoring receiving module, an information processing and calculating module and a signal transmitting module, wherein the monitoring receiving module is used for receiving a signal transmitted by a user; the monitoring receiving module is used for carrying out reconnaissance perception on a target signal, identifying signal carrier frequency, modulation type and bandwidth information and generating a target signal descriptor; the information processing and calculating module is used for formulating complex background signals with different complexity levels and generating a parameter configuration file of the background signals based on the target signal descriptor; and the signal transmitting module is used for generating background signals with different frequencies, amplitudes and modulation patterns meeting the requirements of the parameter configuration file. The invention can improve the construction capability of the complex electromagnetic environment and is convenient for better checking the working performance of the equipment in the complex electromagnetic environment.)
技术领域
本发明涉及通信信号处理技术领域，尤其是涉及一种动态背景信号生成系统。
背景技术
在通信设备测试中，为了检验设备在复杂电磁环境下的适应性，需要营造逼真的复杂背景信号环境。在逼真的背景信号环境下测试设备的工作状态、指标参数等，为设备的实际使用提供真实可信的技术依据。若全部利用实体设备采取空间分布、堆累的方法来产生背景信号环境，不仅代价大，效率低，难以获得真实情况下的信号密度，而且不容易满足具有认知功能的通信设备复杂电磁环境测试需求。
通过前期复杂电磁环境设备测试发现，现有的背景信号模拟方法的优点是易于产生高密度、可重复的信号环境。但目前背景信号模拟设备的载频点、调制样式、幅度等参数无法实时控制，要切换背景只能通过事先计算定义信号的频率、调制样式等参数，重新生成波形数据存入存储器。也就是说静态背景是“死背景”，无法满足下一步具有认知功能的通信设备测试要求。
针对未来的具有认知功能的通信设备，测试环境必须从原来的信号生成陪试环境转变为电磁频谱博弈环境，其背景信号模拟应该能够根据目标信号发射频率和调制参数自适应实时调整频率和参数，与目标信号一起形成博弈态势。现有的背景信号模拟设备不具有侦察感知能力，生成信号的载频点、调制样式、幅度等参数无法实时控制，且缺少不同复杂度等级背景信号生成规则，只能通过事先规划生成，实时性较差。
发明内容
为解决现有技术中背景信号无法侦察感知、动态交互、实时控制的问题，本发明的目的是提供一种动态背景信号生成系统及生成方法，其能够使背景信号根据目标信号发射频率和调制样式自适应实时调整频率等参数，快速生成不同复杂度等级的背景信号，与试验设备共同构建“博弈交互”环境，提高了复杂电磁环境构建能力，便于更好地检验设备复杂电磁环境下的工作性能。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种动态背景信号生成系统，其包括监测接收模块、信息处理计算模块、信号发射模块；其中，
监测接收模块，用于对目标信号进行侦察感知，识别信号载频、调制类型、带宽信息，生成目标信号描述子；
信息处理计算模块，用于制定不同复杂度等级的复杂背景信号，基于目标信号描述子，生成背景信号的参数配置文件；
信号发射模块，用于产生满足参数配置文件要求的不同频率、幅度、调制样式的背景信号。
进一步地，上述的监测接收模块，其主要由基础硬件单元、主控单元、GPU单元、高速信号采集处理单元、高速数据存储单元、下变频单元、本振单元组成；其中，
基础硬件单元，由高速背板、机箱、电源、风扇、电源及风扇控制单元组成，高速背板为各个功能单元之间提供物理互连通道；
主控单元，主要用于进行指令解析并下发至各功能单元，完成各功能单元工作状态控制；
GPU单元，主要用于进行复杂数据高速计算，与主控单元互联，实现大数据实时信号分析、绘图显示功能；
高速信号采集处理单元，主要用于进行外部输入的中频信号采集，通过PCIe接口将数据传给主控单元；
下变频单元，主要用于进行射频信号到中频信号的转换，并送给高速信号采集处理单元；
本振单元，主要用于进行所需频段的本振信号的产生，为下变频单元提供变频的本振接口；
高速数据存储单元，主要用于进行数据文件的高速记录。
进一步地，上述的信号发射模块，其包括基础硬件单元、主控单元、时钟接口单元、信号发生单元、高速存储单元、信号调理及监测单元；其中，
基础硬件单元，包含机箱、背板、电源，是整个信号发射模块运行的基础，为各个功能单元提供电源和数据传输通道；
主控单元，主要用于进行整个信号发射模块的控制，提供信号发射机硬件控制软件运行平台，与时钟接口单元通过PCIe互联；
时钟接口单元，主要用于进行主控单元和信号发生单元之间的控制和数据传输；
信号发生单元，主要用于进行模拟信号的生成或者从高速存储单元中通过SRIO8x接口读取数据进行信号生成；
高速存储单元，主要用于进行信号参数及信号数据存储，提供回放模式下的信号数据；
信号调理及监测单元，主要用于对信号发生单元输出的信号滤波、放大处理，并对输出信号进行耦合提供观测通道。
一种动态背景信号生成方法，利用上述的动态背景信号生成系统来生成，其包括以下步骤：
S1、对目标信号侦察感知，获取目标信号的载频、调制类型、带宽信息；
S2、制定背景信号生成规则，根据目标信号侦察感知结果，产生信号生成模块所需的参数配置信息；操作方法为：
S2.1、制定背景信号生成规则
(1)、重点频段带宽复杂度设置原则：根据目标信号侦察感知结果，获取目标信号频率范围和出现概率信息，确定目标信号重点频段；
Li＝(fhigh-flow)×x％
式中，Li为模拟的重点区域带宽，fhigh为工作频段的高段或跳频带宽的高端，flow为工作频段的低段或跳频带宽的低端，x％依据电磁环境的规模来设定；
(2)、信号数目复杂度设置原则：根据重点频段带宽和被试对象信道带宽，依据不同级别的复杂度，设置不同的信号数量；
式中，wi为通信设备信道带宽；
(3)、信号强度复杂度设置原则：背景信号强度起伏范围反映了背景信号在能量域上对被试设备的干扰程度，信号强度复杂度设置方法为：
En＝P+P*x_P_n
式中，P为目标信号强度，En为背景信号强度，x_P_n为不同等级复杂电磁环境强度因子；
(4)、信号样式复杂度设置原则：信号样式复杂度的设置基于被试设备面临的诸多电子设备样式而定，体现出随着复杂度提高而呈现多样的特点，根据试验测试需要，I级、II级、III级复杂电磁环境的信号样式设置应逐步复杂；
S2.2、制定背景信号生成规则
判断侦察感知结果中载频、调制类型等参数是否发现变化，若发生变化，根据步骤S2.1中的背景信号生成规则重新生成参数配置信息；若无变化，则保持之前的参数配置信息，仅仅刷新信号强度；
S3、根据参数配置信息生成信号。
进一步地，上述的步骤S1中，实现方法如下：
S1.1、目标信号的载频估计
采用时域的过零检测法进行频率的估计；过零检测法是通过对输入信号序列x(n)做过零检测，如果x(ni)和x(ni+1)有不同的符号，就能够确定在时间段(ni/Fs,(ni+1)/Fs)间存在零点，其中，Fs表示采样率，零点的位置使用线性内插公式计算
由检测到的零点的时刻组成过零序列{α(i)},i＝1,2,…,M，其中，M是检测到的过零点数；定义{α(i)}的一阶差分序列为过零间距序列{β(i)}，即
β(i)＝α(i+1)-α(i),i＝1,2,…,M-1
对于噪声中的单频信号，两个零点之间的距离为
ε(i)为服从零均值分布的随机数，Fc表示信号频率；由E[ε(I)]＝0得到由此，由β(I)的均值估计频率fC，即
S1.2、目标信号的调制类型识别
S1.21、首先，利用步骤S1.1的载频估计结果，对信号进行下变频处理；
S1.22、调制信号特征参数选取，采用判决数的方法对由幅度调制、频率调制、幅移键控、频移键控、二进制相移键控构成的数字特征集进行识别；分类特征包括零中心归一化瞬时幅度之谱密度最大值、零中心非线性瞬时相位标准偏差、谱对称度、零中心非线性瞬时相位绝对值的标准偏差、零中心归一化瞬时幅度绝对值的标准偏差、零中心归一化瞬时频率绝对值的标准偏差；具体为：
(1)、零中心归一化瞬时幅度之谱密度最大值γmax
式中，Ns为采样点数；acn(i)为归一化瞬时幅度取零中心后的序列，其由下式计算得出
acn(k)＝an(k)-1
式中，a(k)是采样信号序列，ma为信号序列的平均值，an(k)为信号瞬时幅度序列；
(2)、零中心非线性瞬时相位标准偏差σdp
式中，at为强信号判决门限，c为抽样序列中强信号的个数，是经过零中心归一化处理的非线性瞬时相位序列，σdp表示非线性相位的变化程度，用于对AM、DSB信号的识别分类；
(3)、谱对称度P
式中，X(k)为信号x(k)的傅里叶变换后得到的FFT序列，N为载频点在FFT序列中对应的序号；
(4)、零中心非线性瞬时相位绝对值的标准偏差σap
式中，aT为强信号判断门限，c为抽样序列中强信号的个数，是过零中心归一化处理的非线性瞬时相位序列，其用于将BPSK信号从{BPSK、QPSK、2FSK、4FSK}中识别开来；
(5)、零中心归一化瞬时幅度绝对值的标准偏差σaa
式中，σaa主要是用来区分2ASK和4ASK信号，和σap原理一样，2ASK信号幅值只有两种，其零中心归一化瞬时幅度绝对值标准差σaa≈0；4ASK信号幅值四种，其对应参数σaa＞0；
(6)、零中心归一化瞬时频率绝对值的标准偏差σaf
式中，fN(k)是零中心归一化瞬时频率序列，σaf主要是用来区分2FSK和4FSK信号；
S1.23、采用基于信号瞬时特征的调制识别方法对不同调制样式的信号进行识别；其中，调制识别系统中的分类器采用决策树分类器。
进一步地，上述的步骤S3中，背景信号产生方式包括信号回放方式和自主生成方式两种；其中，
规范样本集信号回放方式：信号发射模块的主控单元接收信息处理计算模块发送的参数配置信息并解析后，依据参数从数据库中检索基带信号样本库数据，并存储在高速存储单元，在需要回放输出时，从高速存储单元读取数据到DAC回放输出，同时调节信号的频率和功率；
自主生成方式：信号发射模块的主控单元接收信息处理计算模块发送的参数配置信息并解析后，依据参数在本地信号发射模块内部调整生成信号的参数，然后下发给信号发生单元，实现信号的生成。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
该动态背景信号生成系统，其采用具有实时侦察感知功能的监测模块对目标信号进行监测分析，依据信号分析结果，根据预先制定的不同等级的复杂背景信号生成规则，指导信号发射模块的信号生成，产生多辐射源、多体制、宽频段、高密度的复杂通信背景信号环境，满足通信设备试验测试等需求，提高了背景信号模拟的逼真性、博弈性，提升了通信设备复杂电磁环境测试能力。
附图说明
图1是本发明动态背景信号生成系统的结构框图；
图2是本发明动态背景信号生成系统的原理方框图；
图3是本发明动态背景信号生成系统的工作流程图；
图4是本发明动态背景信号生成系统的信号发射模块的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示，该动态背景信号生成系统，其包括监测接收模块、信息处理计算模块、信号发射模块；其中，
监测接收模块，用于对目标信号进行侦察感知，识别信号载频、调制类型、带宽信息，生成目标信号描述子；
信息处理计算模块，用于制定不同复杂度等级的复杂背景信号，基于目标信号描述子，生成背景信号的参数配置文件；
信号发射模块，用于产生满足参数配置文件要求的不同频率、幅度、调制样式的背景信号；
本发明动态背景信号生成系统，其通过监测接收模块接收目标信号，并对目标信号频率、幅度、调制方式等信息进行自动识别和参数测量，将自动识别和参数测量结果发送至信息处理计算模块，在信息处理计算模块中，根据所选的背景信号生成策略算法及识别和参数测量结果生成背景信号生成策略文件，发送至信号发射模块，信号发射模块对背景信号生成策略文件进行解析，根据解析结果产生所需的背景信号并进行发射，最终实现动态背景信号环境的构建。
上述的监测接收模块，其采用PXIe架构实现，主要由基础硬件单元、主控单元、GPU单元、高速信号采集处理单元、高速数据存储单元、下变频单元、本振单元组成；其中，
基础硬件单元，由高速背板、机箱、电源、风扇、电源及风扇控制单元组成，高速背板为各个功能单元之间提供物理互连通道，采用标准的PXIe 3U 10槽结构；
主控单元，主要用于进行指令解析并下发至各功能单元，完成各功能单元工作状态控制；
GPU单元，主要用于进行复杂数据高速计算，与主控单元互联，实现大数据实时信号分析、绘图显示功能；
高速信号采集处理单元，主要用于进行外部输入的中频信号采集，通过PCIe接口将数据传给主控单元；
下变频单元，主要用于进行射频信号到中频信号的转换，并送给高速信号采集处理单元；
本振单元，主要用于进行所需频段的本振信号的产生，为下变频单元提供变频的本振接口；
高速数据存储单元，主要用于进行数据文件的高速记录。
上述的信号发射模块，其采用VPX架构、模块化设计实现，包括基础硬件单元、主控单元、时钟接口单元、信号发生单元、高速存储单元、信号调理及监测单元；其中，
基础硬件单元，包含机箱、背板、电源，是整个机箱运行的基础，为各个功能单元提供电源和数据传输通道；
主控单元，主要用于进行整个信号发射模块的控制，提供信号发射机硬件控制软件运行平台，与时钟接口单元通过PCIe互联，完成与底层其他硬件的控制和通信；
时钟接口单元，主要用于进行主控单元和信号发生单元之间的控制和数据传输，为机箱中其他功能单元提供参考时钟；
信号发生单元，主要用于进行模拟信号的生成或者从高速存储单元中通过SRIO8x接口读取数据进行信号生成；
高速存储单元，主要用于进行信号参数及信号数据存储，提供回放模式下的信号数据；
信号调理及监测单元，主要用于对信号发生单元输出的信号滤波、放大处理，并对输出信号进行耦合提供观测通道。
如图2、3所示，一种动态背景信号生成方法，利用上述的动态背景信号生成系统来生成，其包括以下步骤：
S1、对目标信号侦察感知，获取目标信号的载频、调制类型、带宽信息；具体实现如下：
S1.1、目标信号的载频估计
采用时域的过零检测法进行频率的估计；过零检测法是通过对输入信号序列x(n)做过零检测，如果x(ni)和x(ni+1)有不同的符号，就能够确定在时间段(ni/Fs,(ni+1)/Fs)间存在零点，其中，Fs表示采样率，零点的位置使用线性内插公式计算
由检测到的零点的时刻组成过零序列{α(i)},i＝1,2,…,M，其中，M是检测到的过零点数；定义{α(i)}的一阶差分序列为过零间距序列{β(i)}，即
β(i)＝α(i+1)-α(i),i＝1,2,…,M-1
对于噪声中的单频信号，两个零点之间的距离为
ε(i)为服从零均值分布的随机数，Fc表示信号频率。由E[ε(i)]＝0得到由此，由β(i)的均值估计频率Fc，即
S1.2、目标信号的调制类型识别
S1.21、首先，利用步骤S1.1的载频估计结果，对信号进行下变频处理；
S1.22、调制信号特征参数选取，采用判决数的方法对由幅度调制(AM)、频率调制(FM)、幅移键控(ASK、4ASK)、频移键控(2FSK、4FSK)、二进制相移键控(BPSK)构成的数字特征集进行识别；分类特征包括零中心归一化瞬时幅度之谱密度最大值、零中心非线性瞬时相位标准偏差、谱对称度、零中心非线性瞬时相位绝对值的标准偏差、零中心归一化瞬时幅度绝对值的标准偏差、零中心归一化瞬时频率绝对值的标准偏差；具体为：
(1)、零中心归一化瞬时幅度之谱密度最大值γmax
式中，Ns为采样点数；acn(i)为归一化瞬时幅度取零中心后的序列，其由下式计算得出
acn(k)＝an(k)-1
式中，a(k)是采样信号序列，ma为信号序列的平均值，an(k)为信号瞬时幅度序列；
(2)、零中心非线性瞬时相位标准偏差σdp
式中，at为强信号判决门限，c为抽样序列中强信号的个数，是经过零中心归一化处理的非线性瞬时相位序列，σdp表示非线性相位的变化程度，用于对AM、DSB信号的识别分类；
(3)、谱对称度P
式中，X(k)为信号x(k)的傅里叶变换后得到的FFT序列，N为载频点在FFT序列中对应的序号；
(4)、零中心非线性瞬时相位绝对值的标准偏差σap
式中，aT为强信号判断门限，c为抽样序列中强信号的个数，是过零中心归一化处理的非线性瞬时相位序列，其用于将BPSK信号从{BPSK、QPSK、2FSK、4FSK}中识别开来；
(5)、零中心归一化瞬时幅度绝对值的标准偏差σaa
式中，σaa主要是用来区分2ASK和4ASK信号，和σap原理一样，2ASK信号幅值只有两种，其零中心归一化瞬时幅度绝对值标准差σaa≈0；4ASK信号幅值四种，其对应参数σaa＞0；
(6)、零中心归一化瞬时频率绝对值的标准偏差σaf
式中，fN(k)是零中心归一化瞬时频率序列，σaf主要是用来区分2FSK和4FSK信号；
fN(k)由现有技术中的下式进行计算
fc(k)＝f(k)-mf
fN(k)＝fc(k)/rb；
S1.23、采用基于信号瞬时特征的调制识别方法对不同调制样式的信号进行识别；其中，调制识别系统中的分类器采用决策树分类器；
S2、制定背景信号生成规则，根据目标信号侦察感知结果，产生信号生成模块所需的参数配置信息；具体操作为：
S2.1、制定背景信号生成规则
信号生成规则是动态背景信号生成系统信号生成方案的基础。依据信号生成规则，通过信息处理计算机确定发射信号参数配置。背景信号生成规则参考《GJB6520-2008战场电磁环境分类与分级方法》或者用户自定义和领域专家知识，其规定了后续生成的背景信号与目标信号之间的频率差异性、瞬时信号数和瞬时幅度变化情况等，也反映了电磁环境信号复杂度等级。
依据《GJB6520-2008战场电磁环境分类与分级方法》，按电磁环境信号复杂度等级，战场电磁环境分为轻度复杂电磁环境(I级电磁环境)、中度复杂电磁环境(II级电磁环境)、重度复杂电磁环境(III级电磁环境)三级。实际操作时，依据试验推动，综合从重点频段带宽、信号数目、信号强度以及信号样式四个要素设置构建不同复杂度等级的电磁环境，信号生成规则设计流程如图4所示。
(1)、重点频段带宽复杂度设置原则：根据目标信号侦察感知结果，获取目标信号频率范围和出现概率信息，确定目标信号重点频段；
Li＝(fhigh-flow)×x％
式中，Li为模拟的重点区域带宽，fhigh为工作频段的高段或跳频带宽的高端，flow为工作频段的低段或跳频带宽的低端，x％依据电磁环境的规模来设定；
在不同复杂度等级要求下，设置背景信号生成的带宽占重点频段带宽的比例x％分别为：5％(Ⅰ级电磁环境，即轻度复杂电磁环境)，15％(II级电磁环境，即中度复杂电磁环境)，30％(III级电磁环境，即重度复杂电磁环境)；
(2)、信号数目复杂度设置原则：根据重点频段带宽和被试对象信道带宽，依据不同级别的复杂度，设置不同的信号数量；
式中，wi为通信设备信道带宽；
(3)、信号强度复杂度设置原则：背景信号强度起伏范围反映了背景信号在能量域上对被试设备的干扰程度，信号强度复杂度设置方法为：
En＝P+P*x_P_n
式中，P为目标信号强度，En为背景信号强度，x_P_n为不同等级复杂电磁环境强度因子；
I级复杂电磁环境下，x_P_1取值范围为(-0.2，-0.1)；
II级复杂电磁环境下，x_P_2取值范围为(0，0.1)；
III级复杂电磁环境下，x_P_3取值范围为(0.1，0.2)；
x_P_1、x_P_2、x_P_3为取值范围内的平均分布随机数，每100ms刷新一次；
(4)、信号样式复杂度设置原则：信号样式复杂度的设置基于被试设备面临的诸多电子设备样式而定，体现出随着复杂度提高而呈现多样的特点，根据试验测试需要，I级、II级、III级复杂电磁环境的信号样式设置应逐步复杂，信号样式数量逐级增加，例如，设置I级、II级、III级复杂电磁环境下的信号样式数量分别为5、8、10；
S2.2、制定背景信号生成规则
判断侦察感知结果中载频、调制类型等参数是否发现变化，若发生变化，根据步骤S2.1中的背景信号生成规则重新生成参数配置信息；若无变化，则保持之前的参数配置信息，仅仅刷新信号强度；
S3、根据参数配置信息生成信号
背景信号产生方式包括信号回放方式和自主生成方式两种；其中，
规范样本集信号回放方式：信号发射模块的主控单元接收信息处理计算模块发送的参数配置信息并解析后，依据参数从数据库中检索基带信号样本库数据，并存储在高速存储单元，在需要回放输出时，从高速存储单元读取数据到DAC回放输出，同时调节信号的频率和功率；
自主生成方式：信号发射模块的主控单元接收信息处理计算模块发送的参数配置信息并解析后，依据参数在本地信号发射模块内部调整生成信号的参数，然后下发给信号发生单元，实现信号的生成；
在射频频率变化、幅度控制、回放文件选择方面由侦察感知结果受内部程序自主控制，产生信号具有更好的实时动态性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的专利保护范围之内。
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