甚低频长波发射机非等高阶梯波信号处理方法和装置

摘要

本发明是关于一种甚低频长波发射机非等高阶梯波信号处理方法和装置，其中的方法包括：对发射机的模拟输入信号进行采样、模数转换以及量化处理，获得数字输入信号的量化值；将该数字输入信号的量化值与非等高阶梯高度表中的阶梯高度值进行比较，将非等高阶梯高度表中与数字输入信号的量化值最接近的阶梯高度值确定为数字输入信号的阶梯高度值；根据数字输入信号的阶梯高度值产生相应功放单元的控制信号；其中在非等高阶梯高度表中的所有相邻的两个阶梯的阶梯高度值的差值中，至少有两个差值不相同。本发明可以使发射机输出信号的波形尽可能的接近正弦波，从而使发射机的谐波趋于最佳状态，有效降低了信号失真度，并提高了发射机的性能指标。

说明书

技术领域

本发明涉及甚低频长波发射机技术，特别是涉及一种甚低频长波发射 机非等高阶梯波信号处理方法和装置。

背景技术

甚低频长波发射机主要用于将输入的正弦波信号通过其内部的功放单 元放大后发射出去，且发射出去的信号的波形越接近正弦波越好。

甚低频长波发射机的“核心部件”是阶梯波调制器。阶梯波调制器设 置于信号源与大功率功放单元之间，其作用在于，通过对发射机中各功放 单元进行控制，使发射机将输入的携带有复杂信息的正弦波信号尽可能不 失真的“表达出来”。阶梯波调制器自身性能的优劣会直接影响到发射机整 机性能指标。

目前，现有的阶梯波调制器通常都是基于分离元器件而搭建的模拟的 阶梯波调制器，且均采用等高阶梯波信号处理技术，从而现有的甚低频长 波发射机输出信号的阶梯波中的各阶梯是等高的（即每个台阶的量化高度 相同），且每个阶梯上开通的功放单元的数目相同。一个具体的例子，将发 射机中的所有功放单元（如120个功放单元）平均分为12组，每组功放单 元（如10个功放单元）同时开通或者关断，发射机输出信号的阶梯波为12 阶梯波，即发射机输出信号的正半周或负半周的最大阶梯数为12；从而发 射机输出信号的阶梯波如图1所示。

发明人在实现本发明过程中发现：将图1中的等高阶梯波和正弦波进 行对比可以明显看出，等高阶梯波的实际“形状”更接近三角波，而并非 更接近正弦波。这主要是由于实际的正弦波的波形在不同的相位处其斜率 是不相同的，而现有的阶梯波调制器对发射机输入信号的正弦波进行了“等 高”处理造成的；最终会导致发射机整机谐波增加，信号失真较严重，对 发射机整机性能指标产生了不良影响。

有鉴于现有的甚低频长波发射机存在的问题，本发明人基于从事此类 产品设计制造多年丰富的实际经验以及专业知识，并配合学理的运用，积 极加以研究创新，以期创设一种甚低频长波发射机非等高阶梯波信号处理 方法和装置，能够克服现有的甚低频长波发射机存在的问题，使其更具有 实用性。经过不断的研究设计,并经过反复试作样品及改进，终于创设出确 具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的甚低频长波发射机存在的技术问 题，而提供一种甚低频长波发射机非等高阶梯波信号处理方法和装置，所 要解决的技术问题是，使甚低频长波发射机输出信号的波形尽可能的接近 正弦波，从而使发射机的谐波趋于最佳状态，并有效降低信号失真度，提 高发射机性能指标。

本发明的目的以及解决其技术问题可以采用以下的技术方案来实现。

依据本发明提出的一种甚低频长波发射机非等高阶梯波信号处理方 法，包括下述步骤：对甚低频长波发射机的模拟输入信号进行采样，并将 采样获得的模拟输入信号转换为数字输入信号；对所述数字输入信号进行 量化处理，以获得数字输入信号的量化值；将所述数字输入信号的量化值 与预先设定的非等高阶梯高度表中的阶梯高度值进行比较，以确定所述非 等高阶梯高度表中与所述数字输入信号的量化值最接近的阶梯高度值，并 将所述最接近的阶梯高度值确定为所述数字输入信号的阶梯高度值；根据 所述数字输入信号的阶梯高度值产生甚低频长波发射机中相应功放单元的 控制信号，并向所述相应功放单元输出所述控制信号；其中，在所述非等 高阶梯高度表中的所有相邻的两个阶梯的阶梯高度值的差值中，至少有两 个差值不相同。

较佳的，前述的方法，其中所述对所述数字输入信号进行量化处理包 括：将所述甚低频长波发射机中的功放单元的数量分别作为量化处理的最 大正幅值和最小负幅值对所述数字输入信号进行量化处理。

较佳的，前述的方法，其中该非等高阶梯高度表的设置方式包括：对 任意频率的一个理想的完整正弦波进行采样，并对采样结果进行量化，以 获得该正弦波的真值量化表；根据所述正弦波的真值量化表设置所述非等 高阶梯高度表；其中，所述对采样结果进行量化包括：将所述甚低频长波 发射机中的功放单元的数量分别作为量化处理的最大正幅值和最小负幅值 对所述采样结果进行量化。

较佳的，前述的方法，其中所述对任意频率的一个理想的完整正弦波 进行采样的采样点数量为：一个完整的阶梯波的正半周或负半周所包含的 阶梯数量与4的乘积后，与2之和。

较佳的，前述的方法，其中在一个完整的所述阶梯波中，至少有两个 阶梯所对应的功放单元的数量不相同。

依据本发明提出的一种甚低频长波发射机非等高阶梯波信号处理装 置，包括下述模块：采样模块，用于对甚低频长波发射机的模拟输入信号 进行采样，并将该采样获得的模拟输入信号转换为数字输入信号；量化模 块，用于对所述数字输入信号进行量化处理，以获得数字输入信号的量化 值；控制模块，用于将所述数字输入信号的量化值与预先设定的非等高阶 梯高度表中的阶梯高度值进行比较，以确定所述非等高阶梯高度表中与所 述数字输入信号的量化值最接近的阶梯高度值，并将所述最接近的阶梯高 度值确定为所述数字输入信号的阶梯高度值；执行模块，用于根据所述数 字输入信号的阶梯高度值产生甚低频长波发射机中相应功放单元的控制信 号，并向所述相应功放单元输出所述控制信号；其中，在所述非等高阶梯 高度表中的所有相邻的两个阶梯的阶梯高度值的差值中，至少有两个差值 不相同。

较佳的，前述的装置，其中所述装置为所述发射机中的数字阶梯波调 制器，设置于信号源与各功放单元之间。

较佳的，前述的装置，其中所述量化模块将所述甚低频长波发射机中 的功放单元的数量分别作为量化处理的最大正幅值和最小负幅值对所述数 字输入信号进行量化处理。

较佳的，前述的装置，其中所述采样模块由模数转换器实现，所述量 化模块以及控制模块由数字信号处理器DSP实现，且所述执行模块由现场 可编程门阵列FPGA实现。

较佳的，前述的装置，其中所述非等高阶梯高度表是根据下述方式设 置的：所述DSP对任意频率的一个理想的完整正弦波进行采样，并对采样 结果进行量化，以获得该正弦波的真值量化表；所述DSP根据所述正弦波 的真值量化表设置所述非等高阶梯高度表；其中，所述对采样结果进行量 化包括：所述DSP将所述甚低频长波发射机中的功放单元的数量分别作为 量化处理的最大正幅值和最小负幅值对所述采样结果进行量化。

借由上述技术方案，本发明的甚低频长波发射机非等高阶梯波信号处 理方法和装置至少具有下列优点以及有益效果：本发明通过对发射机的模 拟输入信号进行采样、模数转换以及量化处理，并将获得的量化值与非等 高阶梯高度表中的阶梯高度值进行比较，可以确定出各数字输入信号的阶 梯高度值；由于本发明的非等高阶梯高度表中的阶梯高度值是基于不等高 原理而设置的，因此，非等高阶梯高度表中的各阶梯的阶梯高度值完全可 以根据正弦波的波形在不同的相位处其斜率不相同这一特点来设置，使所 有阶梯的阶梯高度存在差异，且针对每个阶梯所对应的功放单元的数量也 可以不尽相同；这样，通过根据数字输入信号的阶梯高度值对各功放单元 进行相应的控制，可以使发射机输出信号的波形尽可能的接近正弦波；从 而本发明提供的技术方案可以使发射机的谐波趋于最佳状态，并可以有效 避免发射机输出信号的失真现象，进而提高了发射机的整机性能指标。

综上所述，本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极技术效 果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的 技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和 其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例,并配合说明 书附图，详细说明如下。

附图说明

图1为现有技术的等高阶梯波与正弦波的对比示意图；

图2为本发明的甚低频长波发射机非等高阶梯波信号处理方法的流程图；

图3为本发明的将量化值进行逐一描点，并用平滑的曲线将各描点连 接获得的曲线；

图4为本发明的采样量化值与非等高阶梯波的部分阶梯示意图；

图5为本发明的发射机输出的非等高阶梯波与正弦波的对比示意图；

图6a为本发明的基于采样量化值获得的正弦波的示意图；

图6b为本发明的非等高阶梯波的示意图；

图7为本发明的甚低频长波发射机非等高阶梯波信号处理装置的结构 示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功 效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的甚低频长波发射机非 等高阶梯波信号处理方法和装置的具体实施方式、流程、结构、特征及其 功效，详细说明如后。

实施例一、甚低频长波发射机非等高阶梯波信号处理方法。该方法的 流程如附图2所示。

图2中，S200、对甚低频长波发射机的模拟输入信号进行采样，并将 采样获得的模拟输入信号转换为数字输入信号。

具体的，本发明可以由现有的高速AD（模数）转换器按照预定采样频 率对发射机的模拟输入信号（正弦波）进行采样，并将采样获得的模拟输 入信号转换为数字输入信号。

S210、对上述模数转换后的数字输入信号进行量化处理，以获得该数 字输入信号的量化值。

具体的，本发明可以由DSP（数字信号处理器）对上述模数转换后的数 字输入信号进行量化处理；所谓量化处理即同比例放缩，同比例放缩的幅 度可以根据实际应用来确定；一个具体的例子，将甚低频长波发射机中的 功放单元的总数量作为量化处理的最大正幅值和最小负幅值，以这两个幅 值对上述数字输入信号进行量化处理，从而模数转换后的数字输入信号在 同比例放缩后，不会超过最大正幅值，且也不会小于最小负幅值。

为方便后续流程处理，如果数字输入信号在同比例放缩后，其结果包 含有小数，则可以按照四舍五入的方式对放缩结果进行取整，以使数字输 入信号的量化值为整数。

对模数转换后的数字输入信号进行量化的一个具体的例子，在发射机 中包含有120个功放单元的情况下，将数字输入信号的量化处理的最大正 幅值设定为＋120，将最小负幅值设定为-120，则连续的多个模数转换后的 数字输入信号进行量化后的量化值如表1所示：

表1模拟输入信号的采样量化表

0 11 15 20 30 35 44 47 58 64 70 77 82 88 93 94 102 105 108 112 115 118 118 119 119 120 120 119 119 118 118 115 112 108 105 102 94 93 88 82 77 71 64 58 47 44 35 30 20 15 11 0 -11 -15 -20 -30 -35 -44 -47 -58 -64 -71 -77 -82 -88 -93 -94 -101 -105 -108 -112 -118 -119 -119 -120 -120 -119 -119 -118 -118 -115 -112 -108 -105 -102 -94 -93 -88 -82 -77 -71 -64 -58 -47 -44 -35 -30 -20 -15 -11                

将上述表1中的所有量化值进行逐一描点，并用平滑的曲线将各描点 连接，其结果如图3所示。在图3中，输入信号的正弦波在采样模数转换 且量化后可以得到幅值为+120和-120的正弦波。

S220、将上述数字输入信号的量化值与预先设定的非等高阶梯高度表 中的阶梯高度值进行比较，以确定非等高阶梯高度表中与该数字输入信号 的量化值最接近的阶梯高度值。

具体的，本发明可以由DSP执行量化值与阶梯高度值的比较操作。本 发明预先设置有非等高阶梯高度表，如DSP中预先存储有设置好的非等高 阶梯高度表；该非等高阶梯高度表中包含有一个完整的阶梯波的波形中的 所有阶梯与阶梯高度值的对应关系信息。由于本发明预先设置的表是非等 高阶梯高度表，因此，在该表中所有相邻的两个阶梯的阶梯高度值的差值 中，至少有两个差值是不相同的（通常是两个以上的差值不相同）；也就是 说，所有阶梯的阶梯高度值相对于低一阶的阶梯高度值来说，其相对高度 并不均对应同一个数值，不同阶梯所对应的相对高度通常是存在差异的。

本发明的该非等高阶梯高度表是根据理想正弦波设置的，一个具体的 设置过程为：对任意频率的正弦波进行采样计算（如数字采样计算），对于 一个完整的理想正弦波来说，采样点的总数量可以为一个完整的阶梯波的 正半周或负半周所包含的阶梯数量与4的乘积后，与2之和，即一个完整 的非等高阶梯波所包含的阶梯的总数量（如针对基于12阶梯（即四分之一 波形包括12个阶梯）的非等高阶梯波而言，采样点的总数量应为4×12+2 ＝50）；从上述理想正弦波中可以获得数字采样点（即数字采样值，也可以 称为真值），从而可以获得该理想正弦波的真值表，基于50个采样点的真 值表的一个例子如下述表2所示；之后，将数字采样点进行量化处理，以 获得正弦波的真值量化表，基于50个采样点的真值量化表的例子如下述表 3所示；这里的对数字采样点的量化处理的过程可以与上述模数转换后的数 字输入信号进行量化处理的过程相同，即采用相同的最大正幅值和最小负 幅值、以及采用四舍五入的方式进行取整等；在量化处理后，基于上述产 生的真值量化表设置非等高阶梯高度表，基于表3而产生的非等高阶梯高 度表中的正半周部分如下述表4所示。

表2基于50个采样点的真值表

0 0.125 0.249 0.368 0.482 0.588 0.685 0.771 0.844 0.905 0.951 0.982 0.998 0.998 0.982 0.951 0.905 0.844 0.771 0.685 0.588 0.482 0.368 0.249 0.125 0 -0.125 -0.249 -0.368 -0.482 -0.588 -0.685 -0.771 -0.844 -0.905 -0.951 -0.982 -0.998 -0.998 -0.982 -0.951 -0.905 -0.844 -0.771 -0.685 -0.588 -0.482 -0.368 -0.249 -0.125

表3基于50个采样点的真值量化表

表4基于50个采样点的非等高阶梯高度表中的正半周部分

第一阶梯起始高度 0     第一阶梯高度 15 第七阶梯高度 93 第二阶梯高度 30 第八阶梯高度为 101 第三阶梯高度 44 第九阶梯高度 109

第四阶梯高度 58 第十阶梯高度 114 第五阶梯高度 71 第十一阶梯高度 118 第六阶梯高度 82 第十二阶梯高度 120

本发明的比较过程可以具体为：先判断当前数字输入信号的量化值处 于哪两个高度之间（如哪两个阶梯的阶梯高度值之间）；然后，再比较当前 数字输入信号的量化值与这两个高度（如两个阶梯的阶梯高度值）中的哪 个更接近，以决定当前数字输入信号的量化值属于哪个位置（如哪个阶梯）。

基于表1和表4的一个比较过程的具体例子为：设定当前模数转换后 的数字输入信号的量化值为表1中的0，根据表4可以确定出当前数字输入 信号的量化值0位于0和15之间，且更接近0，因此，可以确定出与表1 中的0最接近的高度值为0，且对应第一阶梯起始位置；设定当前模数转换 后的数字输入信号的量化值为表1中的11，根据表4可以确定出当前数字 输入信号的量化值11位于0和15之间，且更接近15，因此，可以确定出 与表1中的11最接近的阶梯高度值为15，且对应的阶梯为第一阶梯；设定 当前模数转换后的数字输入信号的量化值为表1中的15，根据表4可以确 定出当前数字输入信号的量化值15位于15和30之间，且更接近15，因此， 可以确定出与表1中的15最接近的阶梯高度值为15，且对应的阶梯为第一 阶梯；设定当前模数转换后的数字输入信号的量化值为表1中的20，根据 表4可以确定出当前数字输入信号的量化值20位于15和30之间，且更接 近15，因此，可以确定出与表1中的20最接近的阶梯高度值为15，且对 应的阶梯为第一阶梯；设定当前模数转换后的数字输入信号的量化值为表1 中的30，根据表4可以确定出当前数字输入信号的量化值30位于30和44 之间，且更接近30，因此，可以确定出与表1中的30最接近的阶梯高度值 为30，且对应的阶梯为第二阶梯。

S230、将上述比较获得的最接近的阶梯高度值确定为当前数字输入信 号的阶梯高度值。

具体的，如果将每个数字输入信号对应的阶梯高度值汇集在一起用表 的形式表示出来的话，可以形成一个阶梯分配表，基于上述表1和表4而 产生的阶梯分配表如下述表5所示。

表5阶梯分配表

0 15 15 15 30 30 44 44 58 58 58 71 82 82 93 93 101 101 101 109 114 118 118 118 118 120 120 118 118 118 118 114 109 101 101 101 93 93 82 82 71 71 58 58 44 44 30 30

15 15 0 0 0 -15 -15 -30 -30 -44 -44 -58 -58 -71 -71 -82 -82 -93 -93 -101 -101 -101 -109 -118 -118 -118 -120 -120 -118 -118 -118 -118 -114 -109 -101 -101 -101 -93 -93 -82 -82 -71 -71 -58 -58 -44 -44 -30 -30 -15 -15 0                

其中，上述表5中的负数表示数字输入信号的阶梯高度值处于阶梯波 负半周期，需要反相打开相应的功放单元。阶梯分配表可以充分体现出各 数字输入信号所属的阶梯及其所属的阶梯的阶梯高度值。

依据表4和表5可以绘制出图4中的（b）所示的基于12阶梯的非等 高阶梯波；且图4中的（a）是依据表1绘制出而成的。

S240、根据当前数字输入信号的阶梯高度值产生甚低频长波发射机中 相应功放单元的控制信号，并向该相应功放单元输出该控制信号。

具体的，本发明可以由FPGA执行对功放单元下方控制信号的操作，FPGA 具有严格的时序功能。这里的控制信号如正相打开控制信号或者反相打开 控制信号、电压控制信号以及时序控制信号等等。FPGA可以根据DSP传输 来的阶梯信息和阶梯高度信息，基于功放单元的控制特点针对相应的功放 单元产生相应的时序控制信号，该时序控制信号是经过了缜密的算法设计 的，完全可以保障功放单元在相位上严格对称。

在使用FPGA的情况下，该FPGA具有多个I/O接口，通过I/O接口与 各功放单元直接相连，每个功放单元对应哪个阶梯（即对应哪个阶梯高度 值）由FPGA中的软件设置决定，从而实现了真正意义上的基于“软接口” 与功放单元的连接，这种“软接口”不仅可以实现对每个功放单元的独立 控制，而且，也可以将每个功放单元分配至任意阶梯上。

本发明的发射机输出的非等高阶梯波的一个具体的例子如图5和图6b 所示。图5和图6b示出了本发明的发射机输出的基于12阶梯的非等高阶 梯波的波形，且图6a为基于表1描点获得的正弦波。由图5或者对比图6 （a）和图6（b）可以非常直观的看出，通过本发明上述方法获得的非等高 阶梯波能够将信号源产生的输入信号更完美的刻画出来。

通过对现有的发射机输出的等高阶梯波的信噪比以及本发明的发射机 输出的基于12阶梯的非等高阶梯波的信噪比进行测试和计算，结果证明本 发明的不等高阶梯波的信噪比会比现有的等高阶梯波的信噪比提高10dB。

实施例二、甚低频长波发射机非等高阶梯波信号处理装置。该装置的 结构如附图7所示。

在图7中，该非等高阶梯波信号处理装置主要包括：采样模块1、量化 模块2、控制模块3以及执行模块4。其中，量化模块2与采样模块1和控 制模块3分别连接，且控制模块3还与执行模块4连接，执行模块4还与 发射机中的各功放单元连接。

采样模块1主要用于按照预定采样频率对甚低频长波发射机的模拟输 入信号进行采样，并将采样获得的模拟输入信号转换为数字输入信号。

采样模块1可以为现有的高速AD（模数）转换器，即高速AD转换器按 照预定采样频率对发射机的模拟输入信号（正弦波）进行采样，并将采样 获得的模拟输入信号转换为数字输入信号，传输给量化模块2。

量化模块2主要用于对采样模块1输出的数字输入信号进行量化处理， 以获得数字输入信号的量化值。

量化模块2可以由DSP来实现。且量化模块2可以将发射机中的功放 单元的总数量作为量化处理的最大正幅值和最小负幅值，以这两个幅值对 采样模块1传输来的数字输入信号进行量化处理，从而量化模块2产生的 量化值不会超过最大正幅值，且也不会小于最小负幅值。

为方便后续流程处理，量化模块2在同比例放缩后，如果放缩结果包 含有小数，则量化模块2可以按照四舍五入方式对放缩结果进行取整，以 使数字输入信号的量化值为整数。

控制模块3中预先存储有非等高阶梯高度表，控制模块3主要用于将 量化模块2输出的数字输入信号的量化值与该非等高阶梯高度表中的阶梯 高度值进行比较，以确定非等高阶梯高度表中与数字输入信号的量化值最 接近的阶梯高度值，并将确定出的该最接近的阶梯高度值确定为数字输入 信号的阶梯高度值。

控制模块3可以由DSP来实现，即量化模块2和控制模块3集成在DSP 中。控制模块3中存储的非等高阶梯高度表中包含有一个完整的波形中的 所有阶梯与阶梯高度值的对应关系信息，且在所有相邻的两个阶梯的阶梯 高度值的差值中，至少有两个差值不相同（通常是两个以上的差值不相同）。

该非等高阶梯高度表是根据理想正弦波设置的，一个具体的设置过程 为：DSP对任意频率的正弦波进行采样计算，对于一个完整的理想正弦波来 说，采样点的总数量可以为一个完整的阶梯波的正半周或负半周所包含的 阶梯数量与4的乘积后，与2之和，即一个完整的非等高阶梯波所包含的 阶梯的总数量（如针对基于12阶梯（即四分之一波形包括12个阶梯）的 非等高阶梯波而言，采样点的总数量应为4×12+2＝50）；DSP从理想正弦 波中可以获得数字采样点（即数字采样值，也即真值），从而DSP可以获得 正弦波的真值表；之后，DSP将数字采样点进行量化处理，以获得正弦波的 真值量化表；这里的量化处理的过程可以与上述模数转换后的数字输入信 号进行量化处理的过程相同，即采用相同的最大正幅值和最小负幅值、以 及采用四舍五入的方式进行取整等；在量化处理后，DSP基于上述产生的真 值量化表设置非等高阶梯高度表。

执行模块4主要用于根据控制模块3确定出的数字输入信号的阶梯高 度值产生甚低频长波发射机中相应功放单元的控制信号，并向该相应功放 单元输出控制信号，该控制信号如正相打开控制信号或者反相打开控制信 号、电压控制信号以及时序控制信号等等。

执行模块4可以由FPGA来实现，FPGA的I/O接口与发射机中的各功放 单元直接相连，FPGA可以控制每个功放单元处于哪个阶梯以及其在阶梯的 阶梯高度值。

上述各模块执行的具体操作以及表的具体例子等可以参见上述方法实 施例中的描述，在此不再重复说明。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上 的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明 的技术，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当 可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施 例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上 实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的 范围内。