一种基于数字孪生体的时变频率信号处理系统及方法

技术领域

本发明涉及数字孪生体技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生体的时变频率信号处理系统及方法。

背景技术

基于互联网的快速发展，元宇宙逐步形成其概念和内涵，即与物理世界相互打通、平行存在的虚拟世界。在移动互联网蓬勃发展的背景下，也带来了元宇宙中虚拟世界的数字孪生体、及其所模拟的物理世界的移动性。元宇宙要求高同步和低延时，从而使用户获得实时、流畅的完美体验。元宇宙对移动场景下大量数据迅速传输的过程依赖强大的通信基础设施。

在通信基础设施中，时间和频率资源是最主要的可用传输资源。在元宇宙的具备高移动性、尤其是高速大范围移动场景下，频率将会随着移动速度和范围的变化而变化。这类变化将会对元宇宙的虚拟世界中的各类数字孪生体及其与物理世界之间的数据交互传输的正确率产生影响。为了保证未来元宇宙中数据的正确、流畅传输，有必要对相关底层信号的传输核心技术进行研究。

时变频率信号，即频率随时间变化的信号，在物理系统中多应用在用户接入和系统资源管理领域，具有较为广泛的应用价值，通过数字孪生体对实际物理世界系统中的时变频率信号的性能进行模拟仿真，可为真实物理系统中面向不同应用的部署提供参考。

现有，基于时变频率信号的用户接入技术大致分为三种，分别为基于时变频率信号的码分多址方案、基于时变频率信号的多扫频方案和基于时变频率信号的多载波方案。其中，

基于时变频率信号的码分多址方案，使用时变频率信号来代替码分多址系统中的伪随机码，这样，系统的带宽在扩频后从原来的取决于扩频码变为了取决于时变频率信号的带宽。但是这种方案的缺点是，当时变频率信号的时宽带宽积很小时，系统的传输速率会受到限制。基于时变频率信号的多扫频方案，系统的发送信号采用组合信号的形式，由两个不同调制频率的时变频率信号组合而成，使用这种方式，系统可以保证在多用户时的性能，缺点是这种方案并不适合在实际物理器件中使用。基于时变频率信号的多载波方案，利用多个频率来区分用户，为每个用户分配不同的频率，并将时变频率信号经过处理后对应到相应用户的载频上，这种方案实现较为简单，其缺点是：当传输过程中存在干扰、时延及频率偏移的影响时，会对性能产生很大的影响。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于数字孪生体的时变频率信号处理系统及方法，用以解决现有基于时变频率信号的用户接入性能受频率偏移等因素影响较大的问题。

一方面，本发明公开了一种基于数字孪生体的时变频率信号处理系统，包括：

信号产生模块，用于根据真实物理世界中每一用户接入的业务特征，分别映射得到数字孪生体中相应用户的时变频率信号；每一用户的时变频率信号中的初始频率已知且不同，每一用户的时变频率信号中还存在未知的频率偏移；

输入信号处理模块，用于将每一用户的时变频率信号分别调制到同一调制频率下，并对调制后的信号分别进行欧拉变换，得到相应用户的欧拉变换信号；

信号传递模块，用于模拟真实物理世界的信道特征，传输所有用户的欧拉变换信号混合后形成的多用户混合信号；

输出信号处理模块，用于对信号传递模块输出的信号进行恢复及分数域解调，从分数域解调结果中提取出每一用户的时变频率信号中的频率偏移，基于提取的频率偏移，还原出每一用户经过频率调制后的时变频率信号。

在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：

进一步，所述系统还包括数据分发模块，用于将还原后的每一用户的时变频率信号分送给相应的用户。

进一步，在所述输出信号处理模块中，执行：

对信号传递模块输出的信号进行恢复后，分别对多用户混合信号中的每一用户的输出信号分别进行不同阶次的分数域解调；

对于同一用户的输出信号对应的不同阶次的分数域解调结果，分别在f

对比不同阶次的分数域解调结果中搜索到的峰值，选取峰值最大值对应的频率，从该频率中分离出频率偏移。

进一步，根据公式(1)分离出频率偏移f

其中，d表示峰值最大值对应的频率。

进一步，所述不同阶次包括p阶和1-p阶。

另一方面，本发明还公开了一种基于数字孪生体的时变频率信号处理方法，包括：

根据真实物理世界中每一用户接入的业务特征，分别映射得到数字孪生体中相应用户的时变频率信号；每一用户的时变频率信号中的初始频率已知且不同，每一用户的时变频率信号中还存在未知的频率偏移；

将每一用户的时变频率信号分别调制到同一调制频率下，并对调制后的信号分别进行欧拉变换，得到相应用户的欧拉变换信号；

模拟真实物理世界的信道特征，传输所有用户的欧拉变换信号混合后形成的多用户混合信号；

采集传输后的信号、并进行信号恢复及分数域解调，从分数域解调结果中提取出每一用户的时变频率信号中的频率偏移，基于提取的频率偏移，还原出每一用户经过频率调制后的时变频率信号。

在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：

进一步，所述方法还包括：

将还原后的每一用户的时变频率信号分送给相应的用户。

进一步，通过执行以下操作获取所述频率偏移：

进行信号恢复后，分别对多用户混合信号中的每一用户的输出信号分别进行不同阶次的分数域解调；

对于同一用户的输出信号对应的不同阶次的分数域解调结果，分别在f

对比不同阶次的分数域解调结果中搜索到的峰值，选取峰值最大值对应的频率，从该频率中分离出频率偏移。

进一步，根据公式(2)分离出频率偏移f

其中，d表示峰值最大值对应的频率。

进一步，所述不同阶次包括p阶和1-p阶。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

本发明提出的基于数字孪生体的时变频率信号处理系统及方法，具备如下优势：

针对时变频率信号的多用户数据综合处理问题，通过时变频率信号的初始频率对不同的用户进行区分，通过将各个用户的时变频率信号调制到同一调制频率下，从而使得在信道传输过程中能够利用正交性区分不同的信号特征。此外，通过分别对多用户混合信号中的每一用户的输出信号分别进行不同阶次的分数域解调及峰值搜索，从峰值搜索结果中分离出频率偏移。与现有技术相比，本发明面向频率带宽要求高的数据传输需求，可以满足物理系统中大量多类型数据传递的应用场景；本发明还考虑到数字孪生体所模拟得到的系统性能在真实物理系统中的实施，所设计的变换域技术方法具有较好的可实现性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1提供的基于数字孪生体的时变频率信号处理系统的结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的基于数字孪生体的时变频率信号处理方法流程图；

图3为本发明实施例3提供的不同调制频率下多用户系统性能仿真效果图；

图4为本发明实施例3提供的面向频率偏移的分数域接收输出数据处理性能仿真效果图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于数字孪生体的时变频率信号处理系统，结构示意图如图1所示。该系统包括信号产生模块、输入信号处理模块、信号传递模块及输出信号处理模块；其中，

信号产生模块，用于根据真实物理世界中每一用户接入的业务特征，分别映射得到数字孪生体中相应用户的时变频率信号；每一用户的时变频率信号中的初始频率已知且不同，每一用户的时变频率信号中还存在未知的频率偏移；

输入信号处理模块，用于将每一用户的时变频率信号分别调制到同一调制频率下，并对调制后的信号分别进行欧拉变换，得到相应用户的欧拉变换信号；

信号传递模块，用于模拟真实物理世界的信道特征，传输所有用户的欧拉变换信号混合后形成的多用户混合信号；

输出信号处理模块，用于对信号传递模块输出的信号进行恢复及分数域解调，从分数域解调结果中提取出每一用户的时变频率信号中的频率偏移，基于提取的频率偏移，还原出每一用户经过频率调制后的时变频率信号。

具体地，在信号产生模块中，根据真实物理世界中每一用户接入的业务特征，分别映射得到数字孪生体中相应用户的不同分布形态的时变频率信号。在不同的业务特征下，所选用的初始频率有所区别；同时，由于用户接入的设备在运行过程中存在频率偏移特性，且该频率偏移特性是未知的变量，因此，在本实施例中，每一用户的时变频率信号中的初始频率已知且不同，每一用户的时变频率信号中还存在未知的频率偏移。

具体地，在输入信号处理模块中，可以包括信源输出单元、频率调制单元及信道输入单元；其中，

信源输出单元，用于接收信号产生模块生成的时变频率信号；

频率调制单元，用于对用于将每一用户的时变频率信号分别调制到同一调制频率下，并对调制后的信号分别进行欧拉变换，得到相应用户的欧拉变换信号；示例性地，调制方法可以包括时分复用、码分复用、空分复用等。

信道输入单元，用于对所有用户的欧拉变换信号进行混合，形成多用户混合信号。

这里，对将每一用户的时变频率信号分别调制到同一调制频率的必要性做如下说明：

时变频率信号可具体实施为

基于以上设定，有两种可选的处理方法，第一种方法是采用相同的调制频率进行数据传递，采用不同的初始频率区分用户；另一种方法是采用相同的初始频率进行数据传递，采用不同的调制频率来区分用户。

下面给出这两种处理方法的具体实施分析。设置两个时变频率信号，它们的初始频率分别为f

两信号的互相关函数为：

当初始频率相同，即f

当调制频率k

此时，如果有

可以看出，当两个信号初始频率不同但调制频率相同时，两个信号的互相关系数可能为0，具有准正交性，但是当两个信号初始频率相同但调制频率不同时，两个信号的互相关系数不可能为0，不具有正交性。由以上分析可得，当调制频率相同，初始频率不同时，所设计的输入信号处理模块具有通过正交性区分信号特征的能力。因此，在本实施例的执行过程中，需要保证将时变频率信号调制到同一调制频率下、再进行后续的信道传输。

具体地，在信号传递模块中，通过模拟真实物理世界的信道特征来传递多用户混合信号；具体地，真实物理世界的信道特征包括有线信道、无线信道、陆地移动信道，海上传输信道、深空信道、水下信道等；在信号传递模块中，这些信道特征对多用户混合信号的传递过程的影响体现为：路径损耗、噪声、干扰、衰落、多径等。

具体地，在所述输出信号处理模块中，执行：

对信号传递模块输出的信号进行恢复后，分别对多用户混合信号中的每一用户的输出信号分别进行不同阶次的分数域解调；在恢复过程中，需要去除信道带来的噪声、干扰等，从而恢复出去除信道特征后的多用户混合信号；然后，基于所接收到的多个信号在时域可分离特征不明显的特点，将其变换到分数域，同时考虑信号的频率偏移特性，为信号分离做准备的过程；

基于接收端(输出信号处理模块)与信源端(输入信号处理模块)的协商一致，获取对应所有用户在分数域的调制频率；基于共同的调制频率上，通过划定初始频率范围，考虑最大频率偏移，使得所有可能频移的信号都落在该范围内；在初始频率范围确定的基础上，在共同的调制频率点上，选择信号能量聚集的初始频率位置；依据所识别的初始频率位置，筛选出相应位置的信号，并考虑频率偏移，对频率偏移进行提取，从而得到原始数据。具体实现方式描述如下：

对于同一用户的输出信号对应的不同阶次的分数域解调结果，分别在f

对比不同阶次的分数域解调结果中搜索到的峰值，选取峰值最大值对应的频率，从该频率中分离出频率偏移。

根据公式(4)分离出频率偏移f

其中，d表示峰值最大值对应的频率。

示例性地，所述不同阶次包括p阶和1-p阶。

这里，对输出信号处理模块的工作原理进行如下说明：

数字孪生体所模拟的实际物理世界系统中的元素可能具有移动性，因此将带来频率偏移特征。根据时变频率信号在分数域中初始频率与能量聚集相对应这一特性，对频率偏移进行特征提取，使系统能更加有效的对抗频率偏移带来的系统性能上的影响。

设时变频率信号持续时间为[-T/2,T/2]，当存在频率偏移为f

s(t)＝exp[j(2π(f

其中，k的含义同μ。

此信号的p阶分数域傅里叶变换为：

当k＝-cotα时， 时变频率信号变换到对应的分数阶傅里叶变换域，上式可化简为：

当u＝(f

由以上推导可知，当存在频率偏移时，在分数域表现为出现能量聚集的位置从原本的f

此外，该系统还可以包括数据分发模块，用于将还原后的每一用户的时变频率信号分送给相应的用户。

与现有技术相比，本实施例具体如下优势：针对时变频率信号的多用户数据综合处理问题，通过时变频率信号的初始频率对不同的用户进行区分，通过将各个用户的时变频率信号调制到同一调制频率下，从而使得在信道传输过程中能够利用正交性区分不同的信号特征。此外，通过分别对多用户混合信号中的每一用户的输出信号分别进行不同阶次的分数域解调及峰值搜索，从峰值搜索结果中分离出频率偏移。与现有技术相比，本发明面向频率带宽要求高的数据传输需求，可以满足物理系统中大量多类型数据传递的应用场景；本发明还考虑到数字孪生体所模拟得到的系统性能在真实物理系统中的实施，所设计的变换域技术方法具有较好的可实现性。

实施例2

本发明实施例2公开了一种基于数字孪生体的时变频率信号处理方法，流程图如图2所示，包括以下步骤：

步骤S1：根据真实物理世界中每一用户接入的业务特征，分别映射得到数字孪生体中相应用户的时变频率信号；每一用户的时变频率信号中的初始频率已知且不同，每一用户的时变频率信号中还存在未知的频率偏移；

步骤S2：将每一用户的时变频率信号分别调制到同一调制频率下，并对调制后的信号分别进行欧拉变换，得到相应用户的欧拉变换信号；

步骤S3：模拟真实物理世界的信道特征，传输所有用户的欧拉变换信号混合后形成的多用户混合信号；

步骤S4：采集传输后的信号、并进行信号恢复及分数域解调，从分数域解调结果中提取出每一用户的时变频率信号中的频率偏移，基于提取的频率偏移，还原出每一用户经过频率调制后的时变频率信号。

所述方法还可以包括：

步骤S5：将还原后的每一用户的时变频率信号分送给相应的用户。

本发明方法实施例的具体实施过程参见上述系统实施例即可，本方法实施例在此不再赘述。

由于本方法实施例与上述系统实施例采用的原理相同，所以本方法实施例也具有上述系统实施例相应的技术效果。

实施例3

为了进一步说明本发明实施例1和实施例2的有益效果，本实施例对上述方案进行了仿真计算。

仿真条件设置：码速率为10kbit/s，带宽为1.25MHz，初始频率为4MHz，用户数分别为3、5。仿真结果如图3所示。

从仿真曲线可以看出，采用时域接收输出数据处理单元4-1时，当用户数量增大，用户数从3增加到5时，误码率达到10

可以从仿真结果看出，当用户数为3时，系统的性能较好，可以满足要求。然而当系统的用户数增大到5时，系统的性能出现了下降，这是由干扰导致的。

下面对改进后的面向频率偏移的分数域接收输出数据处理方法进行仿真分析(即本实施例中“输出信号处理模块”所执行的操作)，仿真条件设置：码速率为10kbit/s，带宽为1.25MHz，初始频率为4MHz，用户数为3、5、7，设置频偏比为0.002。在高斯白噪声传输环境下，仿真结果如图4所示。从图4中可以看出，当频偏比为0.002时,无论是3用户系统还是5用户、7用户系统，时域接收处理性能都已经出现了明显的下降。

由此可知，在不同初始频率的系统中不考虑频率偏移时，分数域解调的性能略差于时域解调，而当系统中存在较大的频率偏移时，改进后的分数域处理方法的性能明显优于时域解调。

综上所示，本实施例通过不同初始频率、相同调制频率进行输入数据处理，在普适应用场景下，时域接收处理的性能优于分数域接收处理；另外，面向数字孪生体所模拟的物理系统中，频率偏移较大的应用场景，提出一种改进的分数域接收处理，可以有效的抑制物理系统元素的移动性带来的频率偏移的影响。这样，本发明提出的方法可以使得未来真实物理系统能够面向多类型应用具有更广泛的可使用性。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。