一种基于数模转换器的弱信号产生方法、装置、仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，具体而言，涉及一种基于数模转换器的弱信号产生方法、装置、仿真方法及系统。

背景技术

在注入式半实物仿真中，大动态范围的电磁信号模拟是一个重要技术指标。如在雷达回波模拟中，由于到雷达天线的主副瓣天线的增益差、目标RCS分布范围广、目标大范围运动引入的回波功率变化等因数，雷达回波功率的动态变化范围极大。考虑主副瓣天线的增益差为40dB，则发射和接收合起来有80dB，目标RCS动态范围30dB，目标运动从100m到100km，动态范围为120dB，总动态范围达到230dB。这样大的动态范围，大部分都处于热噪声功率之下。随着雷达数字信号处理技术的发展，其对微弱信号的检测能力越来越强，在热噪声功率下数十dB的回波也可被雷达探测。这就给半实物仿真中的雷达回波模拟提出了极大挑战。

目前解决回波动态范围的方式通常为数字衰减和模拟衰减相结合的方式。数字衰减的范围受数模转换器(DAC)有效量化位数限制，如有效量化位数为12比特的数模转换器(DAC)，其提供的最大动态范围为72dB。并且当数字信号过小时，会引入显著的非线性相关量化噪声，使得半实物仿真失真，所以数字上可用的动态范围不会超过50dB。而在模拟信号阶段，虽然可以无限增加数控衰减器，但由于模拟信号的空间串扰等问题，在一个有限的空间中，如标准2U机箱，其可实现的最大衰减约在100dB以下。数字加模拟，总衰减量在150dB以下，无法满足雷达对回波动态范围的要求。

发明内容

本发明旨在提供一种基于数模转换器的弱信号产生方法、装置、仿真方法及系统，以解决目前电磁信号模拟动态范围有限的问题。

本发明提供的一种基于数模转换器的弱信号产生方法，包括如下步骤：

S1，使用浮点数表示需要生成的信号，获得浮点信号；

S2，在数字域对浮点信号进行数字衰减，获得需要的浮点弱信号；

S3，在数字域上给浮点弱信号加上白噪声，得到浮点含噪弱信号；

S4，对浮点含噪弱信号进行数字量化，得到定点含噪弱信号；

S5，将定点含噪弱信号送入数模转换器，获得模拟域的弱信号。

优选地，步骤S3中，白噪声的功率要超过量化范围。

本发明还提供一种基于数模转换器的弱信号产生装置，包括：

浮点模块，用于使用浮点数表示需要生成的信号，获得浮点信号；

数字衰减模块，用于在数字域对浮点信号进行数字衰减，获得需要的浮点弱信号；

加噪模块，用于在数字域上给浮点弱信号加上白噪声，得到浮点含噪弱信号；

数字量化模块，用于对浮点含噪弱信号进行数字量化，得到定点含噪弱信号；

数模转换器，用于将定点含噪弱信号转换为模拟域的弱信号。

本发明还提供一种仿真方法，包括如下步骤：

S1，使用浮点数表示需要生成的信号，获得浮点信号；

S2，在数字域对浮点信号进行数字衰减，获得需要的浮点弱信号；

S3，在数字域上给浮点弱信号加上白噪声，得到浮点含噪弱信号；

S4，对浮点含噪弱信号进行数字量化，得到定点含噪弱信号；

S5，将定点含噪弱信号送入数模转换器，获得模拟域的弱信号；

S6，对模拟域的弱信号进行接收采样，得到接收采样后的数字信号；

S7，对接收采样后的数字信号进行相干积累，得到最终处理结果。

优选地，步骤S5中接收采样包括变频、滤波和抽取操作。

本发明还提供一种仿真系统，包括：

浮点模块，用于使用浮点数表示需要生成的信号，获得浮点信号；

数字衰减模块，用于在数字域对浮点信号进行数字衰减，获得需要的浮点弱信号；

加噪模块，用于在数字域上给浮点弱信号加上白噪声，得到浮点含噪弱信号；

数字量化模块，用于对浮点含噪弱信号进行数字量化，得到定点含噪弱信号；

数模转换器，用于将定点含噪弱信号转换为模拟域的弱信号；

模数转换器，用于对模拟域的弱信号进行接收采样，得到接收采样后的数字信号；

相干积累处理模块，对接收采样后的数字信号进行相干积累，得到最终处理结果。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过主动加白噪声的方式，破坏量化噪声与信号间的相干性，解决弱信号直接被量化为零电平的问题，突破数模转换器(DAC)量化比特数对信号动态范围的限制，可直接通过数模转换器(DAC)生成功率任意小的弱信号，降低弱信号模拟中对模拟数控衰减的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明中基于数模转换器的弱信号产生方法的流程图。

图2为本发明中仿真方法的流程图。

图3为本发明实施例的浮点弱信号展示图。

图4为本发明实施例的浮点含噪弱信号波形展示图。

图5为本发明实施例的定点含噪弱信号波形展示图。

图6为本发明实施例的模拟域的弱信号波形展示图(含热噪声)。

图7为本发明实施例的相干积累后的信号波形展示图。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

实施例1

本实施例中，加入了仿真的接收处理部分，以展示本发明的效果。由于我们的关注重点为弱信号产生，所以简化接收处理部分，不考虑接收机放大量化等问题，将接收机视为理想接收机。仿真过程包括：

S1，使用浮点数表示需要生成的信号，获得浮点信号；

S2，在数字域对浮点信号进行数字衰减，获得需要的浮点弱信号；

S3，在数字域上给浮点弱信号加上白噪声，得到浮点含噪弱信号；

S4，对浮点含噪弱信号进行数字量化，得到定点含噪弱信号；

S5，将定点含噪弱信号送入数模转换器，获得模拟域的弱信号；

上述步骤S1～S5的基于数模转换器的弱信号产生方法，如图1所示；

S6，对模拟域的弱信号进行接收采样，得到接收采样后的数字信号；

S7，对接收采样后的数字信号进行相干积累，得到最终处理结果。

示例：

考虑数模转换器(DAC)采样率为2.4GHz，量化位数为12比特，满幅输出对应模拟信号功率为-20dBm，则其最小量化幅度输出对应模拟信号功率为-92dBm。信号为载频1MHz的脉冲信号，脉冲宽度为10us，一共1024个脉冲。雷达接收机使用理想的零中频正交量化采样，采样率为100MHz，忽略量化误差，雷达信号处理可实现1024个脉冲的相参积累。我们需要使用数模转换器(DAC)直接生成(不加数控衰减器)-110dBm的弱信号。

具体地：

(1)生成满幅的浮点表示的脉冲信号，得到浮点信号；

(2)将浮点信号衰减90dB，得到浮点弱信号；

(3)给浮点弱信号加上分布范围为[-1.5,1.5]的均匀分布白噪声，得到浮点含噪弱信号；

(4)将浮点含噪弱信号进行数字量化，得到定点含噪弱信号；

(5)将定点含噪弱信号送入数模转换器，加上1.2GHz带宽对应的室温下的热噪声，得到模拟域的弱信号；

(6)对模拟域的弱信号进行变频、滤波和抽取操作(仿真雷达接收机的零中频IQ采样)，得到接收采样后的数字信号；

(7)对接收采样后的数字信号的1024个脉冲进行相干积累，得到最终处理结果。

如图3所示，所需要仿真的弱信号在数字域的幅度远小于量化门限。图4为加上均匀分布白噪声后的浮点含噪弱信号，信号完全被淹没在噪声中。图5为量化后的定点含噪弱信号，信号被量化到了-2到2之间的整数点上。图6为加上热噪声的模拟域的弱信号，信号完全被淹没在噪声中。图7为相干积累处理后，提取出的弱信号波形，与所需要生成的弱信号波形一致，证明本发明方法可有效生成超过数模转换器(DAC)动态范围的弱信号。

实施例2

本实施例提供一种基于数模转换器的弱信号产生装置，包括：

浮点模块，用于使用浮点数表示需要生成的信号，获得浮点信号；

数字衰减模块，用于在数字域对浮点信号进行数字衰减，获得需要的浮点弱信号；

加噪模块，用于在数字域上给浮点弱信号加上白噪声，得到浮点含噪弱信号；

数字量化模块，用于对浮点含噪弱信号进行数字量化，得到定点含噪弱信号；

数模转换器，用于将定点含噪弱信号转换为模拟域的弱信号。

所述基于数模转换器的弱信号产生装置的应用原理参考实施例1，在此不再赘述。

实施例3

本实施例提供一种仿真系统，包括：

浮点模块，用于使用浮点数表示需要生成的信号，获得浮点信号；

数字衰减模块，用于在数字域对浮点信号进行数字衰减，获得需要的浮点弱信号；

加噪模块，用于在数字域上给浮点弱信号加上白噪声，得到浮点含噪弱信号；

数字量化模块，用于对浮点含噪弱信号进行数字量化，得到定点含噪弱信号；

数模转换器，用于将定点含噪弱信号转换为模拟域的弱信号；

模数转换器，用于对模拟域的弱信号进行接收采样，得到接收采样后的数字信号；

相干积累处理模块，对接收采样后的数字信号进行相干积累，得到最终处理结果。

所述仿真系统的应用原理参考实施例1，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。