Research on the technical solution based on orthogonal frequency shift signal

By means of analyzing the frequency spectrum characteristics of domestic frequency- shift track signal we propose a technical improvement solution to it based on the orthogonal theory and demodulation technology in modern digital signal processing to guaranteed the solution accomplishes the optimized reception at the receiver, thereby enhance system reliability and quality. At same time we simulated this solution with MATLAB, and implemented it on the vc33 experimental platform of floating- point Digital Signal Processing (DSP).

基于三稳态随机共振的ZPW-2000移频信号检测方法研究

针对ZPW-2000移频信号谐波干扰检测技术在抑制噪声时,不可避免损害有用信号的问题,提出三稳态随机共振系统,将部分噪声能量向移频信号能量转化,减少移频信号能量损失。首先,将移频信号的中心频率从较高频段搬移到较低频段,着重研究移频信号的有用频段。选取尺度变化系数为1 000,保证输入信号在尺度变化的过程中满足数值计算的稳定性,使尺度变换后的小参数信号满足绝热近似理论。其次,使用混沌麻雀算法(chaos sparrow search optimization algorithm, CSSOA)优化三稳态随机共振系统,得到输出信噪比(signal-to-noise ratios, SNR)最大时的系统参数a、b、c以及γ。然后,将搬移至低频区段的移频信号输入至优化后的三稳态随机共振系统,实现信号降噪。最后,对降噪信号采用复调制快速傅里叶算法(zoom fast fourier transformation, ZFFT)实现低频信号的检测。仿真结果表明:对比三稳态随机共振系统处理前后移频信号频谱图,显示频域特征增强,在降噪的同时不损害移频信号的能量;以-5 dB为步长将噪声注入至移频信号时,输出信噪比至少可提升16.54 dB;降噪后的信号通过ZFFT算法解调能够完成ZPW-2000移频信号低频信号的检测。对比经验模态分解算法、小波阈值算法等算法处理不同信噪比的含噪移频信号,验证混沌麻雀算法优化的三稳态随机共振系统输出信噪比较大,降噪效果较好,具有良好的抗干扰能力。研究结果为实现在抑制噪声的同时减少移频信号能量损失提供参考。

基于Duffing振子的铁路轨道移频信号测量系统设计

铁路轨道作为移频信号的传输载体,其对于信号对象传输轨迹疏密度的辨别能力,决定了轨道体系对移频信号的测量准确性;为实现对信号对象传输频率的准确辨别,设计基于Duffing振子的铁路轨道移频信号测量系统;将电源模块输出的电量信号,按需分配至STM32F103微处理器、移频信号辨别模块与DSP测量单元之中,完善各级应用部件之间的连接关系,实现铁路轨道移频信号测量系统的硬件方案设计;确定移频信号的Duffing振子描述条件,针对其定义形式,构造移频信号的相空间,完成对铁路轨道移频信号的提取;求解铁路轨道的Lyapunov指数,并构建移频信号的Duffing方程,确定混沌测量参数的取值范围,实现对铁路轨道移频信号的测量,联合各级应用部件,完成基于Duffing振子的铁路轨道移频信号测量系统设计;实验结果表明,上述系统测量所得信号传输轨迹疏密度与真实轨迹疏密度相似度较高,并且测量结果准确率最高值达到了84%左右,说明其能够实现对铁路轨道移频信号的准确测量。

T型三电平逆变器非对称矢量脉冲宽度调制相电流重构策略

针对T型三电平逆变器中点电流单传感器传统相电流重构方法存在不可观测区的问题,分析中点电流采样过程中不可观测区的存在机理,提出非对称矢量脉冲宽度调制相电流重构策略。通过移位PWM波延长基本电压矢量的作用时间,消除不可观测区,实现相电流重构。实验结果表明,所提方法的电流重构误差低于2.2%,输出相电流畸变率低于3.48%。

基于优化CCSK调制的低轨卫星通信导航一体化信号设计方法

给出了一种基于优化循环码移键控(cyclic code shift keying,CCSK)方式的通信导航一体化信号设计方法,使通信信号的互相关函数的正值与导航信号自相关函数的峰值一致,从而克服互相关干扰,提高通信速率。通过频分复用的方式划分通信信号和导航信号的频带,基于正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技术提出连续分配、交替分配和随机分配3种子载波分配方案。对优化CCSK调制和CCSK调制的一体化信号的自相关峰值性能进行仿真和分析,结果表明,在3种子载波分配方案下,采用优化CCSK调制的一体化信号的自相关峰值性能均优于CCSK调制的一体化信号,且采用优化CCSK调制的通信信号的互相关特性对相应的导航信号的自相关峰值有增强作用,可提升通信导航一体化信号体制下导航信号的码相位同步性能。

基于功率控制环扰动的DC-DC变换器能量信息一体化研究

针对实现DC-DC变换器之间的信息交互较为复杂的问题,提出了一种基于功率控制环扰动实现其能量信息一体化的方法。通过在DC-DC变换器的传统功率控制环中叠加二进制频移键控(binary frequency shift keying,2FSK)信号作为扰动,将数据信息叠加到传统脉冲宽度调制(pulse-width modulation,PWM)信号中,使得该PWM信号同时包含数据信息,实现能量信息一体化。首先,给出基于2FSK的功率/数据双载波调制以及实时的滑动离散傅里叶变换(sliding discrete Fourier transform,SDFT)解调方案。然后,通过对Buck变换器的能量信息一体化模型进行小信号建模与分析可知,降低输入阻抗可提升通信的信噪比。最后搭建一个由两个Buck变换器并联的实验装置进行验证。实验结果表明在稳态和负载突变的工况下均可实现3 kb/s的稳定通信,验证了所提方法的可行性。该方法使得DC-DC变换器能同时进行功率变换和数据传输,提升数字化和智能化水平。

ZPW-2000移频信号检测实验仪的设计与实现

依据周期测频法设计了以FPGA为核心器件的ZPW-2000移频信号检测实验仪。该实验仪采用8个计数器实现移频信息的检测,其中,边频检测采用2个计数器分别检测计数信号上下跳沿,通过选择2组计数值中较大值,使计数误差降低至0-1个计数信号周期,在200 MHz计数信号下,边频检测误差可控制在0.07 Hz以内;低频检测采用6个异步计数器,分别实现移频信号中低频成分的获取及低频频率的检测计算,低频频率计数器通过设置前N个状态进行低频计数,第N+1个状态进行计数值锁存分析的方式,有效降低了低频获取引起的误差。分析发现,当N≥10时,最大误差可降至0.029 Hz以下。实验仪实测证明,边频、低频检测误差均能满足铁道标准TB/T 3532—2018中移频信号上下边频误差±0.15 Hz、低频误差±0.03 Hz的要求;检测实验仪能准确解算出基于FPGA的ZPW-2000移频信号发码实验仪移频信息,解决了ZPW-2000系列轨道电路移频信号教学及实验任务必须采用铁路专用设备的限制,结合发码实验仪可为学生更直观地展示轨道电路发码与检测过程,使学生更加深入地了解移频轨道的电路原理。

面向新型声波激励超低频天线的2FSK通信系统解调算法

针对声波激励超低频天线发射功率较小,低接收信噪比下传统二进制频移键控(2FSK)非相干解调中窄带滤波器设计难等问题,提出了一种基于Duffing混沌振子的2FSK弱信号解调方法。由于Duffing振子本身对相位敏感,首先设计了“粗同步+细同步”的相位同步方法,其中粗同步通过短时傅里叶变换完成,细同步则通过Duffing混沌振子实现;然后,利用混沌振子对同频周期信号敏感、对噪声信号免疫的特性,将信号并行通过2个Duffing振子,二者的内置信号频率与2个载频一致。在某一时刻必定有一个系统处于大尺度周期态,另一个处于混沌态,二者比较判决来实现信号解调。仿真结果表明,文中提出的基于Duffing混沌振子的解调算法比非相干解调和相干解调算法,分别有约5 dB和4 dB的性能提升。

基于误差可控的转换变换心电信号去噪方法

针对心电信号在去除噪声时不可控误差引起的幅值和形态变形问题,提出一种基于误差可控的转换变换心电信号去噪方法。通过转换变换可以获取心电信号的低频分量和高频分量:通过对特征波形和高频噪声处设置不同的误差界可有效滤除高频噪声,并将特征波的重构误差控制在较小的范围内;对低频分量进行cubic插值可以获得更加光滑的基线漂移。从而可改善去噪引起的形态改变。在MIT-BIH数据库的心电图上进行实验,结果表明:提出的方法可以有效滤除基线漂移和高频噪声,同时特征波形的幅值和形状得到了很好的保持。与对比方法相比,去噪后心电信号的信噪比、均方根误差、归一化相关系数均得到改善。

基于信令数据的中型城市通勤公交站点优化方法

大中型城市之间的手机通信基站密度和通勤出行结构不同,公交站点布设呈现出显著差异。在此背景下,研究了基于改进Mean Shift聚类算法的中型城市通勤公交站点优化方法。该方法采用荆州市中心城区信令数据中的通勤记录,以系统总成本(包括运营成本和乘客步行时间成本)作为主要评价指标。根据中心城区早高峰的通勤出行需求,制定通勤公交站点优化方案。通过对比优化结果和现有公交站点布局,验证了优化方法的有效性;比较不同聚类算法,证明改进的Mean Shift聚类算法的性能优越性;考虑基站和等时圈的影响,对比不同场景,证明了考虑二者影响的必要性。结果表明:①针对荆州市研究区域的早高峰出行需求,优化方法共设置28个公交站,乘客步行时间成本下降51.98%,系统总成本下降17.82%,表明本方法能够得到系统总成本更优的站点布设方案,有效减少研究区域内乘客步行时间成本;②与不同聚类算法的比较中,改进Mean Shift算法得到的方案有明显提升,系统总成本比K-means聚类算法下降8.73%,比近邻传播聚类算法(affinity propagation,AP)下降2.48%;③与未考虑基站和等时圈影响的情况相比,本算法步行时间成本有所下降。上述指标表明改进Mean Shift聚类方法在聚类质量上优于其他方法,可以获得更优的公交站点布设方案,为中型城市的公交线路规划提供基础。

自适应多普勒频移的二相码信号处理方法

针对二相编码脉冲压缩雷达的信号处理、航天测控系统接收机的解扩需求,在高动态大偏差多普勒频移的场景下,对载波频率搜索捕获的处理方法复杂、计算量较大、实时性较差等问题,本文提出了一种自适应多普勒频移的二相码信号处理方法,在单脉冲的脉内实时提取多普勒频移同相信号及正交信号的波形,并且生成4个片段信号,根据各信号之间固定的时序关系,去除多普勒频移对基带信号的调制,恢复原始基带信号,进而实现脉冲压缩及接收机解扩。MATLAB仿真验证了有效性和可行性。该方法实现简捷、计算量小、实时性好、硬件资源少,对现有相关信号处理领域有一定的指导意义。

基于单电流传感器的改进相电流重构技术

在电机闭环控制过程中,电流传感器故障、不同电流传感器的不一致性等因素可能导致系统失稳。为提高系统的容错能力,减小故障对控制系统稳定性的影响,提出一种基于单电流传感器的改进相电流重构技术。通过移动脉宽调制的脉冲矢量来消除母线电流采样盲区,进而通过母线电流重构获得三相电流。相比于传统电流重构方法,所提改进方法重构的电流更接近真实电流值,能够减小电流总谐波,降低电磁转矩脉动,提升系统的稳态性能。通过仿真和实验对比2种重构方法,证明了所提改进方法的优势。结果表明所提改进方法能有效实现电流重构,提升系统稳态性能。

基于单PD直接检测Twin-SSB-QPSK信号的光纤通信系统

针对孪生单边带正交相移键控(Twin-SSB-QPSK)信号在光传输过程中的高成本问题,提出了一种在接收端采用单光电探测器(PD)直接检测Twin-SSB-QPSK信号的光纤通信系统。在接收端不需要采用光带通滤波器(OBPF)对Twin-SSB-QPSK信号的两路光单边带信号进行分离,而是利用直接检测的拍频效应,通过单PD直接检测孪生的两路光单边带QPSK信号产生相干叠加的单路16阶正交幅度调制(16QAM)信号。仿真演示了两路56 Gbit/s的QPSK信号叠加为一路112 Gbit/s的16QAM信号,并与传统的单路16QAM信号传输方案进行了仿真对比。仿真结果表明,该方案在降低系统器件要求和部署成本的同时并没有带来额外的功率代价。

一种时间反转的参考信号调制DCSK通信方案

针对DCSK系统信息传输速率低及安全性差的问题,提出一种时间反转参考信号调制DCSK(TR-RMDCSK)通信系统方案。该方案采用RM调制实现了在一个帧时隙传输两个比特,携带偶数信息比特的混沌信号既是信息信号,也是传输奇数信息比特的参考信号,将参考信号进行时间反转,消除了同一帧时隙信号间的相关性,提升了比特传输速率及信号保密性。推导了高斯信道下的理论误码率,并在高斯信道和莱斯信道下进行了性能仿真分析。结果表明,该方案在不牺牲传输速率的情况下改善了误码性能,提高了系统安全性。

几种离散时间系统的移不变性证明

线性移不变系统的分析是“数字信号处理”课程的重点内容,而移不变性是线性移不变系统必须满足的性质之一。当系统输入与输出关系涉及时间折叠、抽取与内插等关于时间变量的复合运算时,系统移不变性的分析将会变得十分抽象。证明了几种典型的涉及时间变量复合运算的离散时间系统是否满足移不变性质,并给出了相应的例子以便于理解。最后总结了此类系统关于移不变性的一般规律。

低成本接收阵列方向图测试系统与方法

采用传统的相控阵测试方法对数字阵列及数字波束合成进行测试,存在系统复杂、设备齐套周期长、问题难解耦等弊端。因此,对于数字阵列及相关算法,需要一种不依赖天线和物理环境,且能够以低成本和高效率,在系统开发中期完成相关性能评估和迭代的方法。给出一种基于阵列信号模拟技术的低成本接收阵列方向图测试系统,并提出了随机虚拟相移技术用于解决测试精度不足的问题。基于简要的理论分析、给出了测试平台构成和测试流程,并通过仿真和实测验证了方法的有效性。

站内电码化入口电流测试与调整分析

阐述通过对站内25Hz相敏轨道电路实施电码化,叠加ZPW-2000发码设备,使得25Hz相敏轨道电路在监督区段空闲与占用状态的同时,能够根据列车运行前方信号机的显示传输移频信号。入口电流的大小是机车接收电码化信息的关键参数,需要测试与调整至标准值。

基于改进接口算法的移频分析与电磁暂态混合多速率实时仿真

“双高”电力系统对实时仿真算法的计算效率提出了更高的要求,采用单一的仿真算法往往难以兼顾计算效率与仿真精度。为解决这一问题,提出了一种混合使用移频分析(shifted frequency analysis,SFA)与传统电磁暂态(electromagnetic transients program,EMTP)方法的多速率实时仿真方案,并对子系统的接口算法进行了改进。首先,充分发挥SFA方法的高效性优势,建立了在移频相量下联立子系统诺顿等效电路的SFA-EMTP混合仿真框架。随后,从减少计算量的角度出发,提出了一种滑窗离散傅里叶变换与三相坐标变换相结合的解析信号构造方法。进而,为兼顾计算的实时性与仿真精度,提出了一种开关状态更新时刻与仿真节点错位的多速率仿真计算时序。最后,对含分布式电源接入的配电网算例采用所提算法与其他多种算法进行仿真,并将仿真结果与PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)的离线仿真结果进行对比,验证了所提算法的正确性和有效性。

基于差分进化的FSK信号频率检测仿真

针对通信信号检测中FSK信号频率的快速检测问题,提出一种基于多次差分进化搜索FSK信号的快速频率检测方法。该方法将信号的幅度谱作为差分进化的初始目标函数,通过多次差分进化搜索目标函数的最大值,并更新目标函数,获得最优极值坐标向量;针对最优极值坐标向量所对应的目标函数值向量,提出定义其差分比值,来确定有效的峰状谱线位置,最终完成FSK信号的频率检测。仿真实验验证了其有效性和可行性。

高动态短猝发扩频自适应信号快捕系统设计

在高动态环境下,短猝发信号传输过程中往往会产生普勒频偏,增加扩频信号的捕获时间,甚至降低信号捕获信噪比,为实现对扩频自适应信号的快速、有效捕获,设计高动态短猝发扩频自适应信号快捕系统;系统硬件采用模块化设计方式,改装信号接收模块和滤波模块,从信号缓存和锁相环两个方面调整系统电路;在硬件系统支持下,通过扩频过程的模拟确定高动态短猝发扩频信号特征,通过特征匹配实现对高动态环境中短猝发扩频信号的自适应搜索;计算捕获长度、频率、门限等参数,实现系统的短猝发扩频自适应信号快速捕获功能;实验结果表明,在无噪声条件下,优化设计系统输出扩频信号信噪比的平均值为141.6,捕获时间平均为8 s,捕获面积平均为90 km^(2);在有噪声条件下,系统输出扩频信号信噪比的平均值为121.8,捕获时间为10 s,捕获面积为130 km^(2)。