一种基于低通负群时延电路的信号预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于低通负群时延电路的信号预测方法，首先基于电路理论、微波网络理论实现低通有源负群时延电路群时延解析公式和电路综合公式；然后基于时域电路仿真和频域S参数仿真优化有源负群时延电路参数，设计、加工并在时域和频域进行性能测试，得到负群时延大、带宽理想、无损耗的PCB板级负群时延电路；最后通过负群时延电路对平滑信号进行实时预测，实现了任意信号实时秒级的预测，并且输入输出信号具有良好相关性。入输出信号具有良好相关性。入输出信号具有良好相关性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于低通负群时延电路的信号预测方法


[0001]本专利技术涉及微波工程
，特别是一种基于低通负群时延电路的信号预测方法。

技术介绍

[0002]随着数字系统速度的提高，互连结构的密度和复杂度大幅度增加，由于缺乏先验模型，信号经由数字系统的计算时间过长，高速数字系统中产生的信号速率性问题越来越突出。在数字通信工程中，延迟效应可能会显著降低数据同步性能。在没有先验模型的前提下，数据的计算时间以及可信度都成为制约通信行业发展的因素。尽管通信系统中的设计技术不断进步，但延迟效应仍然是最具挑战性的问题之一。因此时延问题在数字系统设计中最为关键,也是着重要解决的问题。负群时延电路可以减小信号在传输系统中产生的时延。为了改善数字系统性能，本专利提出基于低通负群时延电路的时延预测技术来解决数字系统中数据传输速率低的问题。
[0003]群时延是指窄带信号通过线性时不变传输系统时，信号包络所产生的时延大小。负群时延指的是群时延为负值这一异常的电磁波传输现象。在负群时延电路输出端的信号包络峰值可以比输入端的信号包络峰值提前出现(S.M
ü
ller,T.Reuschel,R.Rimolo
‑
Donadio,Y.H.Kwark,H.Br
ü
ns and C.Schuster,"Energy
‑
Aware Signal
[0004]Integrity Analysis for High
‑
Speed PCB Links,"IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,vol.57,no.5,pp.1226
‑
1234,2015)。低通负群时延电路是指群时延在直流到截止频率频段内为负的电路，而带通负群时延电路是指群时延在一定频段内为负的电路(F Wan,L Wang,Q Ji,B Ravelo,"Canonical transfer function of band
‑
pass NGD circuit,"IET Circuits,Devices&Systems,vol.13,no.2,pp.13
‑
21,2019)。利用低通负群时延电路可以预测机械运动信号从而解决数据计算时间长、可信度低的问题。目前利用低通负群时延电路实现信号预测的技术理论还不成熟，特别是对于实时信号的预测效果还未见文献报道。尽管人工智能通信系统中的设计技术不断进步，但延迟效应仍然是智能控制环节中最具挑战性的问题之一，而在工程电子设备中，除噪声以外，群时延也会影响通信质量(Groenewold G.Noise and Group Delay in Active Filters[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers,2007,54(7):1471
‑
1480)，因此，设计出可行的延迟预估方法以及预测技术对于改善人工智能系统性能是非常有必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于低通负群时延电路的信号预测方法，基于微波工程理论，通过设计一种低通负群时延电路,专利技术了一种机械信号预测技术，该技术可以嵌入到机械运动结构中实现智能控制，在无需先验数据的前提下改善信号采集慢、计算时间长的现状。
[0006]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0007]根据本专利技术提出的一种基于低通负群时延电路的信号预测方法，通过低通负群时延电路实现信号预测，低通负群时延电路包括输入端口、负群时延电路单元、放大单元以及输出端口，负群时延电路单元包括第一电阻和电容，放大单元包括第二至第四电阻和运算放大器，第一电阻的一端与电容的一端、输入端口分别连接，第一电阻的另一端与电容的另一端、第二电阻的一端、运算放大器的正相端分别连接，第二电阻的另一端接地，运算放大器的反相端与第三电阻的一端、第四电阻的一端分别连接，第三电阻的另一端与输出端口、运算放大器的输出端分别连接。
[0008]作为本专利技术所述的一种基于低通负群时延电路的信号预测方法进一步优化方案，
[0009]其中，ξ是平坦度系数，R
a
、R
b
分别为第一至第四电阻，C为电容，τ
n
是频率ω为0时群时延τ(ω)的值，ω为频率，为相频特性。
[0010]作为本专利技术所述的一种基于低通负群时延电路的信号预测方法进一步优化方案，基于以任意速度和正反方向旋转可变电阻器的电位计产生分压信号，低通负群时延电路对该分压信号进行预测。
[0011]作为本专利技术所述的一种基于低通负群时延电路的信号预测方法进一步优化方案，利用S参数网络模型或传输函数来分析低通负群时延电路，低通负群时延电路以下简称电路，该电路传输函数公式如下所示：
[0012][0013]其中，N(s)为传输函数的拉普拉斯变换，V
out
(s)为输出量的拉普拉斯变换，V
in
(s)为输入量的拉普拉斯变换；
[0014]由式(1)得N(s)的幅度N(ω)和相位分别表示为：
[0015][0016][0017]其中，N(jω)为传输函数，V
out
(jω)为输出量的函数，V
in
(jω)为输入量的函数，ω为频率，j为虚数单位；
[0018]公式(3)的群时延τ(ω)则由下式给出：
[0019][0020]其中，为相频特性；
[0021]对于实正参数N
n
、τ
a
和τ
b
，低通负群时延电路的传输函数由下式表示：
[0022][0023]s是传输函数经过拉普拉斯变换后的自变量；
[0024]与公式5相关联的截止角频率ω
n
表示为：
[0025][0026]通过以下比率对低通负群时延功能平坦度系数进行评估：
[0027][0028]其中，ξ是平坦度系数，M
n
为截止频率处对应的相位大小，N
n
是频率接近于0时的相位大小；
[0029]τ
a
和τ
b
由式(6)和式(7)中得出，低通负群时延传输函数的参数是给定τ
n
和ξ的函数，τ
n
为频率ω为0时公式4中群时延τ(ω)的值：
[0030][0031][0032]进而，与公式(5)相关的传输相位由下式得到：
[0033][0034]如式(4)中所示，群时延的公式表示为：
[0035][0036]M
n
>1；
[0037]N
n
为1时，需要满足：
[0038]R
b
/R...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于低通负群时延电路的信号预测方法，其特征在于，通过低通负群时延电路实现信号预测，低通负群时延电路包括输入端口、负群时延电路单元、放大单元以及输出端口，负群时延电路单元包括第一电阻和电容，放大单元包括第二至第四电阻和运算放大器，第一电阻的一端与电容的一端、输入端口分别连接，第一电阻的另一端与电容的另一端、第二电阻的一端、运算放大器的正相端分别连接，第二电阻的另一端接地，运算放大器的反相端与第三电阻的一端、第四电阻的一端分别连接，第三电阻的另一端与输出端口、运算放大器的输出端分别连接。2.根据权利要求1所述的一种基于低通负群时延电路的信号预测方法，其特征在于，其中，ξ是平坦度系数，R
a
、R
b
分别为第一至第四电阻，C为电容，τ
n
是频率ω为0时群时延τ(ω)的值，ω为频率，为相频特性。3.根据权利要求1所述的一种基于低通负群时延电路的信号预测方法，其特征在于，基于以任意速度和正反方向旋转可变电阻器的电位计产生分压信号，低通负群时延电路对该分压信号进行预测。4.根据权利要求1所述的一种基于低通负群时延电路的信号预测方法，其特征在于，利用S参数网络模型或传输函数来分析低通负群时延电路，低通负群时延电路以下简称电路，该电路传输函数公式如下所示：其中，N(s)为传输函数的拉普拉斯变换，V
out
(s)为输出量的拉普拉斯变换，V
in
(s)为输入量的拉普拉斯变换；由式(1)得N(s)的幅度N(ω)和相位分别表示为：分别表示为：其中，N(jω)为传输函数，V
out
(jω)为输出量的函数，V
in
(jω)为输入量的函数，ω为频率，j为虚数单位；公式(3)的群时延τ(ω)则由下式给出：其中，为相频特性；对于实正参数N<...

【专利技术属性】
技术研发人员：万发雨，徐业翔，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：