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宽带数字信道化侦察接收机的高效FPGA实现研究.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《宽带数字信道化侦察接收机的高效FPGA实现研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含电子科技大学硕士学位论文宽带数字信道化侦察接收机的高效FPGA实现研究姓名:邹斯旻申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:唐斌摘要摘要数字信符等。

电子科技大学硕士学位论文宽带数字信道化侦察接收机的高效FPGA实现研究姓名:邹斯旻申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:唐斌摘要摘要数字信道化接收机具有监视频段宽、灵敏度高、动态范围大和能够处理多个同时到达信号等优点是当今雷达侦察接收机的主要研究方向。在数字信道化侦察接收系统中从输出中频信号到变换至基带信号的信号预处理部分主要有两项关键技术即信号检测和数字信道化。前者在较大程度上影响着全系统的侦察质量对脉冲到达时间(TOA)和脉宽(Pw)的测量精度直接影响到后续的参数估计和信号分选结果后者作为宽带数字信道化接收机的核心部分将截获到的信号按频域分开无混叠地抽取后搬移至基带从而有效地降低了对后续信号处理芯片的速度要求。本文以此作为出发点在两个相关课题的支撑下对数字信道化侦察接收机的信号检测和信道化这两项关键技术展开研究并且对整个侦收系统的现场可编程门阵列(FPGA)实现做出了一定的工作。本文主要工作如下:l、讨论了非合作信号检测的基础理论分析了几种能够在硬件中实现的脉冲信号检测方法。提出了一种改进的自相关检测算法证明该算法相对原有相关算法提高了窄带脉冲信号到达时间和脉宽的测量精度并具备宽带脉冲信号检测和时域参数估计能力且易于硬件实现。仿真结果证明该算法在实时处理环境中具有较好的检测性能。、讨论了数字信道化的基础理论多速率信号处理理论在此基础上推导了基于多相DFT滤波器组的数字信道化结构并根据指标要求进行了信道化的设计和仿真。然后将数字信道化在FPGA上实现采用并行处理等效结构并给出了仿真和测试结果。、给出了宽带数字信道化侦察技术的工程应用实例宽带雷达信号数字信道化侦察接收机系统。介绍了侦察接收机硬件平台完成了系统功能模块的划分简要说明了信道化参数估计通道工作流程。完成了数字信道化接收机的FPGA设计及实现完成了系统性能测试验证了系统工作的有效性。关键词:信号检测宽带数字信道化FPGA高效结构ABSTRACTABSTRACTDi百talchannelizedreceiver,whichhastheadvantagesofbroadbandinstantaneousfrequencycoveragehighsensitivity,largedynamicrangeandsimultaneoussignaldetectionability,isthemainresearchsubjectsoftheradarinterceptreceiver.Indi百talchannelizedreconnaissancereceiversystemsignaldetectionanddi【百talchannelizedarethetwokeytechnologiesinsignalpreprocessingwhichspansfromintermediatefrequencysignaloutputtobaseband.Theformeraffectsthequalityofsystemwidesurveillancetoagreatextent.Theresultsofparameterestimationandsignalsortingaredirectlyaffectedbythemeasuringprecisionofthetimeofarrival(TOA)andpulsewidth(PW).Thelatter,whichisthecorepartofthewidebanddigitalchannelizedreceiver,separatestheinterceptedsignalsbyfrequencydomainandshiftsthemtobasebandafternonaliasingdecimationinordertoreducethechip’Sspeedrequirementsinthesubsequentsignalprocessing.Itisthestartingpointofthisdissertation.Supportedbytwocorrespondingprogramstwokeytechnologiessignaldetectionandchannelizedindigitalchannelizedreconnaissancereceiverarestudied.Theimplementationonfieldprogrammablegatearray(FPGA)ofthewholesystemisalsostudied.Themaincontributionsofthedissertationaresummarizedasfollows:.Thenoncooperationsignaldetectiontheoryisdiscussedfirstly.ThensomepulsesignaldetectionmethodswhichCanbeimplementedinhardwareareanalysed.Anautocorrelationalgorithmforrealtimedetectionofradarpulsesisproposedinthisdissertation.ComparedwiththeoriginalalgorithmtheproposedoneimprovestheaccuracyofTOAandPWfornarrowbandpulseestimationpossessestheabilityofdetectionandestimationforwidebandpulse.AlsoitCanbeeasilyimplementedinhardware.Thesimulationsshowithasgooddetectionperformanceinrealtimeprocessingenvironment..Thetheoreticalfoundationofthedilgitalchannelizedthemultiratesignalprocessingtechnologyisdiscussed.Basedonthistheory,thedigitalchannelizedarchitectures讯thpolyphasefilterbanksarededuceddesignedandsimulatedinaccordancewiththetargetrequirements.ThenthedigitalchannelizedreceiverisIIABSTRACTimplementedonFPGAbyparallelprocessingequivalentstructure.Thesimulationandtestingresultsarealsopresented..Awidebanddigitalchannelizedreconnaissancereceiversystemwhichappliesthewidebanddigitalchannelizedreconnaissancetechniqueispresented.Thehardwareplatformisintroducedandthesystemfunctionspecificationsarecompleted.Theflowofmechannlizedparameterestimationchannelisexplainedbriefly.Thedesignandimplementationofdigita/channelizedreceiveronFPGA缸.ecompleted.Thereconnaissancereceiverperformancetestingsarealsocompletedtoverifytheeffectivenessofthesystemwork.Keywords:signaldetectionwidebanddigitalchannelizedFPGAefficientstructureIII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名:.叠蒸鲨整日期:矽p年r月妇论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名:导师签名:日期:口第一章引言.研究背景第一章引言电子战接收机是电子战(ElectronicWarfaceEW)系统中的重要组成部分。电子战系统主要由电子支援(ElectronicSupportMeasureESM负责收集战区环境下所有电子信息)、电子对抗(ElectronicCounterMeasureECM负责干扰、控制或摧毁敌方电子信息系统)和电子反对抗(ElectronicCounterCounterMeasureECCM负责保护己方电子信息系统)三部分组成。其中ESM主要用于电子情报的搜集可以说是整个电子战系统的耳目其对战场信息的感知、传递和把握是攻击敌方和保护己方的有力后盾。在ESM中电子战接收机是承担非合作信号侦收工作的主体其性能直接影响到ECM和ECCM等系统的有效性。当前日益复杂和恶劣的电磁对抗环境对电子战接收机提出了新的要求一方面需具备宽频段、高灵敏度、高频域分辨率、大动态范围和多个同时到达信号处理能力另一方面需能够对截获到的信号进行实时或准实时处理及时反映敌方动态反馈战场信息以适应瞬息万变的电子战节奏。以往的模拟侦察接收机按结构形式主要可划分为六种体制【l】分别为晶体视频接收机、超外差接收机、瞬时频率测量(ⅢM)接收机、压缩(微扫)接收机、布莱格接收机和信道化接收机。这些接收机的基本工作流程是将从天线端输入的射频信号通过晶体检波器后转换为模拟电路可处理的视频信号然后将视频信号经过进~步处理后产生出包含所有参数的脉冲描述字(PDW)PDW中包含了脉冲信号的入射方向、频率、幅度、到达时间及宽度等信息。模拟侦察接收机的体制虽多但各种体制下的接收机都因其本身的固有特性而很难完全满足ESM的所有要求。如前述的六种接收机中前三种无法处理多个同时到达信号压缩(微扫)接收机对硬件工作速率要求较高布莱格接收机的动态范围较小信道化接收机虽然灵敏度较高且能够处理多个同时到达信号但其在频域分辨率方面存在不足存在测频模糊。总之由模拟器件构成的单一体制的接收机不可避免地存在功能单一、扩展性弱、升级成本高等弊端且在工作和传输等过程中容易丢失频率和相位等精细信息。随着数字技术日新月异的发展数字侦察接收机逐渐被人们重视并大力研究电子科技大学硕士学位论文和发展。它采用JeoMitola提出的软件无线电思想【】为理论基础以通用、标准、模块化的硬件平台为依托通过软件编程来实现系统的各种功能将系统从以往基于硬件、面向用途的设计方法中解放出来尽量减少系统中的模拟环节将数字化处理(A/D和D/A变换)尽量靠近天线。最理想的数字侦察接收机是基于低通采样的其具体实现方法是将天线接收到的射频信号经过一定的模拟滤波和放大直接输入模数转换器(ADC)中进行低通采样再将数字化后的信号经过一定变换后传输给数字信号处理器(DSP)进行处理。这个处理结构由于器件性能的限制而存在两个问题第一是根据低通采样定理ADC的采样率须至少是输入信号带宽的两倍这对上GHz侦察带宽的宽带电子战接收机而言其ADC的采样速率无疑将成为整个系统的瓶颈:第二是即使ADC的采样速率能够满足对射频信号的低通采样要求后续DSP的处理速度也难以跟上速率如此之高的数据率(目前ANALOGDEVICES公司最高性能的DSP为ADSP.TSS其工作时钟也仅为MHz且为顺序处理方式)对此较为简单的解决办法是在ADC和DSP之间加入大容量的数字存储器将采样所得脉冲数据暂存起来依次等待DSP处理但这样将难以兼顾系统处理的实时性。数字信道化接收机是一种有较大发展潜力的宽带数字侦察接收机。它采用数字方式实现前述信道化接收机中的滤波及下变频处理又兼有IFM接收机的一些优点(如瞬时带宽宽频率测量精度高)。在灵敏度、动态范围、频域分辨率、监视带宽和多个同时到达信号处理等方面数字信道化接收机都表现出较好的性能。接收灵敏度是电子战接收机的重要指标之一由于电子战接收机在复杂的电磁环境中接收的都是非合作信号这就使得微弱信号的检测变得相对困难另一方面在数字化侦察接收机中作为实时处理系统的一部分检测模块也需要实时实现。这些都使前端的数字脉冲检测模块显得尤为重要它不仅关系着整个系统的灵敏度和动态范围等具体指标而且直接影响到后续基带信号处理结果的精度。瞬时监视带宽是另一个衡量电子战接收机的重要指标根据采样定理在其它条件相同的情况下要提高瞬时监视带宽就必须增大采样率。随着ADC采样率和量化位数的不断提高(Gsps/bit的ADC已经用于实际项目)后端基带信号处理的压力也不断增大。宽带数字信道化侦察接收机要求系统能够实时地接收、缓存、检测和处理有效的信号数据这就要求必须解决后端信号处理速率与前端采样数据率不匹配的问题。数字信道化的一大优势就在于能够在将采样所得高速数据转换成基带信号的同时进行抽取在较大程度上降低数据率减小系统对外部存储器的依赖性使基带信号能够方便地进入后端信号处理器中进行实时运算第一章引言和分析。在数字信道化接收机中由于从ADC至DSP之间的信号检测和信道化处理等模块的结构一般相对固定且对处理的实时性要求较高某些模块甚至需要并行处理以提高运行速度故这部分结构适合在专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)平台中实现。相对ASIC而言FPGA因其具有许多优势(如设计成本低、周期短可重复配置和调试方便等)而被广泛采用。近年来随着FPGA性能的不断提升和工艺水平的不断提高数字信道化接收机中信号检测和信道化处理等模块的吞吐率、运行速度、运算精度等指标都得到了不同程度的提高甚至有某些以往只能在DSP中完成的运算如今也可在FPGA实现(如FFT、CORDIC等)。.研究动态信道化接收机主要经历了从模拟电路实现到模数混合实现再到数字电路实现从原理阐述到硬件可实现再到硬件高效实现的发展历程。TsuiJamesB在其年的文献】中首次较详细地阐述和分析了信道化接收机的结构特点、工作原理及性能优势为后续信道化接收机的理论研究和技术发展奠定了理论基础。年TimothyW.Fields等【】提出的一种数字信道化IFM接收机将信道化接收机的原理扩展到数字信号处理领域有效地兼顾了信道化技术和IFM技术的长处弥补了传统信道化接收机在频域分辨率方面的不足。年J.Fudge等【】利用下变频序列的周期性和对称反对称性提出了一种高效下变频结构此结构能有效地减少硬件资源消耗具有硬件可实现性。同年ZahimiakD.R等【】从高效硬件实现的角度出发基于短时傅里叶变换(STFT)的思想提出了一种基于多相滤波器组的硬件高效多速率数字信道化接收机结构这种并行结构非常适合在ASIC或FPGA平台中实现具有良好的实时处理能力同时其在信道化输出端采用能量检测和IFM联合的判断方式增强了信号检测的可信度这种经典的硬件高效多速率结构为此后十多年的数字信道化接收机指明了发展方向。S缸achezMiguelA等【J于年提出了一种适用于宽带数字信道化接收机的FFT流水线结构对其实现方式和工作特性进行了深入研究并且本着吞吐量最大化和面积最小化的设计原则将该FFT流水结构在FPGA平台上实现证明了其良好的实时处理性能为数字信道化接收机的FPGA实现提供了有益的参考。数字信道化接收机中一些关键性技术也在近十几年间不断被提出、改进和完电子科技大学硕士学位论文善。信道化接收机的基础原理就是采用滤波器组来分选不同频率的信号因此滤波器组的设计就显得至关重要。将信道化接收机完全数字化的一大优势就是能够方便地设计滤波器组而无需考虑以往由模拟器件性能差异对系统所带来的影响。VAnastassopoulos等哺J于年提出利用Kasier窗来设计滤波器组将大多数滤波器系数间的关系简化为:有利于系统的高效实现。文献在此基础上根据极大极小准则推导出通阻带波动和过渡带宽可控的Parks.McClellan窗函数这种窗函数设计方便、性能良好尤其适用于数字信道化接收机中的滤波器组设计在当今数字信道化结构中被广泛采用。在信道化接收机的检测研究方面有LopezRisucno等【loJ于年提出的时频分析检测法其主要思想是:采用相干积分的方式以增强检测模块对时域长短信号的适应性通过对数字信道化接收机输出的IFM环节进行加权以提高测频的稳定性。文献FIXC各阶段数字信道化接收机的发展和关键技术做了一些综合论述。在数字信道化接收机的硬件实现方面国外研制出了一批较为先进的产品并将之投入到通信、侦察等多个领域产生了可观的应用和经济价值。稍早的数字信道化接收机多采用数字下变频器(DDc)用于数据降速和缓存作为连接前端ADC和后端DSP并使之数据率匹配的枢纽。如美国DRT公司研制开发出的WPM其主体由片GC(最大时钟速率为Msps具有个窄带通道和个宽带通道输入位宽bit输出位宽bit无杂散动态范围dB每通道最大功率mW)组成支持PCI和PMC总线当码速率为.Mbps时可配置成个独立的窄带数字信道并行工作。随着集成电路工艺和性能的不断发展和提高一些新的数字信道化接收机逐渐开始在ASIC或FPGA中采用软件编程的方式来完成传统DDC的功能以增强系统的可重复配置性和可移植性。以FPGA为例有一些公司开发出能够在FPGA上运行以实现数字接收机的知识产权核(IPCore)这些D能够用于多种不同型号、系列的FPGA通用性好并可在一定范围内重复配置从很大程度上降低了数字信道化的设计难度缩短了开发周期。如RFEL公司最新的信道化IP.ChannelCore具有个独立的下变频通道最高支持片数据率为Msps的bitADC输入端到端动态范围大于dB并含有增益控制等。与此同时数字信道化接收机中的ADC和DSP的工艺和性能也不断发展和提高目前美国NationalSemiconductor公司已经推出了采样率高达Gsps量化位数为bit的双通道ADC.ADClD其最大有效位数(ENOB)为.bit美国ANALOGDEVICES公司支持浮点运算的最高性的DSP为ADSP.TSS其最高时钟频率可达MHz并且最高可以支持扩展精度模式下第一章引言的bit浮点数据格式这些都为宽带数字信道化侦察接收机的不断发展和完善提供了有力的保证。.研究目的为完成瞬时带宽GHz内多个同时到达的雷达信号侦察接收本文工作主要围绕微弱信号检测和数字信道化处理、检测、组帧及其通信传输等问题展开从非合作信号检测和数字信道化两方面理论开展相关的仿真和测试最后在FPGA中实现接收机的上述功能。.内容介绍和章节安排本论文研究了宽带数字信道化接收机的实时处理以及FPGA实现等问题主要针对数字信道化接收机中信号检测和信道化处理实现两方面的关键技术进行了较为深入的理论研究和仿真测试实验完成了其中各部分模块的设计和调试工作。本文安排如下:第一章介绍本课题的背景论述了电子战接收机的发展现状并对本系统所采用方案进行简介最后简要归纳全文各部分的内容安排。第二章主要研究数字信号检测和数字信道化的原理基于现有理论进行了一定的理论推导和算法改进提出了一种基于自相关的改进检测算法针对项目要求对数字信道化的结构进行了设计和分析。第三章首先将第二章中讨论的算法进行仿真和性能分析然后分析了FPGA中的几种处理技术及其在信号处理中的应用最后将第二章中的算法在FPGA上高效实现。第四章介绍了硬件系统的构成分析了信道化参数估计通道工作流程。对FPGA内部各模块进行设计包括高速数据采集存储、有效信号检测、数字信道化及其输出检测、数据缓存组帧以及板间通信协议等模块。最后对系统进行联调测试给出实验结果和结论。第五章总结了全文的主要工作并对未来数字信道化接收机的研究工作提出了展望。电子科技大学硕士学位论文第二章宽带接收机基础理论.非合作信号检测理论..电子战接收机检测基础原理通常在电子战接收机中无论是模拟体制还是数字体制接收和处理的都是以一个接一个的以脉冲为基础的输入信号这些信号经过接收机处理后其对应信息被转化为PDW。将接收到的PDW去交织后与某个雷达辐射的脉冲串中的脉冲进行比较给出相应的反馈或指示从而完成整个侦收处理过程。模拟接收机中系统采用晶体视频检测器将输入的射频信号转化为视频信号检测器的输出端连接一个可调的门限比较器。当视频信号高于检测门限时系统将判定此时检测到有效信号其电路原理和时域检测如图。所利易知其检测是在时域实现的。图.电子战模拟接收机的检测电路电子战接收机中由于输入的是不可预知的非合作信号所以无法效仿雷达接收机的模式设计一种固定的匹配滤波器以获得最优灵敏度。一般而言设计电子战接收机的目标是能够使接收机系统与预期的最短脉冲相匹配。例如若预期的最短脉冲为lOOns则确定频率数据分辨率的最小滤波器带宽大约是MHz(即/ns)。最小滤波器带宽将决定接收机的底部噪声进而决定系统灵敏度(接收机的灵敏度由底部噪声、噪声系数和系统门限共同决定)。用这样的灵敏度任何脉冲宽度大于lOOns的信号将被检测到【。理论上将接收机设计成用窄的带宽截获较长的脉冲从而达到较高的灵敏度。第二章宽带接收机基础理论..几种数字信号检测方法数字侦察接收机中中频输出经由ADC采样以非常高的速度数字化。对于在一个脉冲内采集的数据可在时域也可在频域对输出进行检测。常规的检测方法主要包括频域谱分析法、时域取样求和法和时域自相关法。下面对几种方法分别进行原理说明和性能分析。...频域谱分析法频域检测中FFT作用所有输入数据。为了进行FFT输入数据点的长度必须预先确定。以不重叠方式对数据点进行FFT的方式如图(a)所示以%重叠方式对数据点进行FFT的方式如图(b)所示这两种处理都可称为STFT。通过在数据上逐点滑动处理窗可以得到最高的灵敏度如图(c)所示这种方法称为滑动FFT。在依次的FFT输出中重叠越多运算量越大但较少的重叠会导致丢失信号信息。将FFT输出与某个特定的门限比较就可以确定出信号的有无及数卧。频域检测的主要优点是采用较多数据点数的FFT可以将信号从噪声中提取出来且每次FFT的点数越多精度越高。其缺点在于需要进行大量的FFT运算并且FFT的长度要预先确定而且即使数据点只含噪声也必须做FFT处理。由于FFT的长度是预先确定的故当信号长度短于FFT的长度时接收机就无法获得最优灵敏度。理论上可以做许多不同数据长度的FFT来弥补这一弊端然而这将增加信号处理的复杂性在硬件实现中这将非常不利于系统的实时处理性能。I..............................一(a)不重叠(b)%重叠(c)逐点滑动图数据点分组.|岂一一一L电子科技大学硕士学位论文。..时域取样求和法简单的时域检测法是通过信号幅度与固定门限比较来判断在数据中是否有信号存在。显然时域检测法较上述的频域检测法容易实现。如果在时域能先对ADC输出数据进行信号检测那么就能对只含信号的数据串做FFT得到频率信息。当数据中只有噪声时就可以避免对数据做FFT处理。如果这种方法能够有效进行就可以不要求FFT的速度与ADC的抽样速度匹配但此时接收机的灵敏度将由时域检测法决定。在数字侦察接收机中在一个脉冲中所能得到的数据点数依赖于信号本身的脉冲宽度和ADC的采样率。可以效仿雷达接收机的方式通过多点数据累积与门限比较来改进灵敏度。较为简单的一种方法是求和法其具体做法是将临近的Ⅳ个采样点的值进行求和累加(绝对值累加或平方值累加)再与某一个或几个门限比较以确定脉冲起止时刻和脉冲宽度。与FFT检测相比该方法的检测速度更快运算量较小更适于硬件实现。在实际工程中还可以根据不同的指标要求采用双(多)门限和延时存储预估计等技术手段来进一步保证时域检测法的检测概率和时域参数估计精度。...时域自相关法在实际电子战环境中往往要求在低信噪比环境下实时处理到达的脉冲信号。基于这种情况E.ZehaviEl】在加性高斯白噪声下将最大似然估计(MLE)用于矩形脉冲到达时间估计并研究其估计性能文献U基于脉冲采样率提出了一种用于确定未知脉冲到达时间的算法YT.Chan等【l提出了一种基于卷积的到达时间和脉宽估计方法。相对而言基于时域的延时自相关检测算法【】具有明显的优势:能够在较低的信噪比下快速、准确地检测窄带脉冲得到较高精度的到达时间和脉宽估计值且易于硬件实现。时域自相关法是较为特殊的一类时域能量检测法其主要原理是对接收到的数据进行某些自相关运算并经过一定的累积后得到所需结果与门限比较以完成检测。从原理上说它具有很多普通时域累积检测法的特点又具有一些频域检测法的特性习惯上将其独立归为一类简称为自相关法。接收到的复信号表达式xnAexf,,r,力wn(.)其中么为信号幅度伊为初始相位C为采样间隔厂为载频Ⅵ咒为采样后的零均值加性高斯白噪声。第二章宽带接收机基础理论将接收信号进行延时自相关运算得到相关函数Rn】xnix’【以fi=O^一l=A珊Ae抑e”m“’行w.行f】()Ae/*ett(nt)TsW咒力Ⅵ刀妇w.”f=Me珊Wt其中NAe.x.tr,为信号部分"IV’为相关后的噪声部分。当样本数Ⅳ较大时由中心极限定理可知W’为一近似于高斯分布的复噪声。从式(.)可以看出en】可以通过滑动递推计算即Rn=尺”xnNx’InⅣ】一xnx’【以l】()从上式可以看出自相关法的理论基础在于信号与自身相关而与噪声不相关其优势在于能够像时域累积检测法一样高效、快速地检测信号它每计算一个新的Rn】仅需要进行一次复数乘法和两次复数加法便于硬件实现并用于信号的实时检测是一种较有前途的非合作信号检测算法。对于相对采样率而言频率较高的脉冲信号本文对现有的相关算法进行了一些改进使得检测效果得到较大程度改善。...一种改进的自相关检测算法当今在雷达探测中广泛采用宽带脉冲信号其频率可能扩展至接近半采样率的频域使得自相关算法的检测效果恶化这样即使在高信噪比下也得不到较好的估计效果。在不改变ADC采样率的前提下想要改进检测效果就需要结合实验结果对现有相关算法进行改进使之不仅能够适用于窄带脉冲信号检测而且能够在较低信噪比下精确估计宽带脉冲的到达时间和脉宽。将接收到的信号取绝对值后进行相关运算得到改进后的相关函数为兄z】=I虹zillx‘zf】fi=O=IAe/./r,Ae加eyXfo“’打w.刀f】扣o()AeY伊eXtni)rslcvn司Ⅵn力w.【nf】IIl:陧Ix"Ronxnix川】lIl=lzf】lIf罩I其中R咒为式()qh的相关函数。如式()所示兄z与R类似都可以通电子科技大学硕士学位论文过滑动递推更新是易于硬件实现的一种快速算法。Rnn=咒”I虹以Ⅳ】x’阳Ⅳ】ll虹z】x‘nl】l()对实信号而言有Rz】}兄z|aoM()实验结果表明检测门限由噪声实时起伏值的统计量确定巧=盘q()其中u=万/Ⅳ盯矾=一万/Ⅳ仃。在实际中盯由其无偏估计值彦近似盯()%为第f时刻的实噪声值。式(.)qh的a由实际的信噪比确定是检测门限中唯一的变量。为保证测量精度新算法门限中的a一般取得比原算法稍大。为保证检测的准确性和稳健性首先取适应信噪比的检测门限即需确定口在不同信噪比下的最优值其次可在临近M个点的相关值都超过门限时才认为信号到达以避免实际测量中出现由突发噪声而引起的虚警。用两种算法分别对单频和线性调频(LFM)脉冲信号进行检测。仿真中的累积点数N=采样率.f=Msps。单频脉冲参数:脉宽,s、起始频率MHzLFM脉冲参数:脉宽s、起始频率MHz带宽MHz信号到达前和结束后各有.斗s的纯噪声脉内信噪比为dB检测效果分别如图.和图.所示。t(陋)图.单频脉冲检测效果的比较t(us)图.LFM脉冲检测效果的比较由图.和图.的比较可知两种算法对单频脉冲的检测效果基本一致在脉内都有较好的稳定性而对宽带脉冲而言民z在脉内有较好的稳定性其幅第二章宽带接收机基础理论值不会如凡刀一样随着信号载频的提高而急剧降低能够较好地适用于宽带脉冲检测。..虚警概率和门限设定总的来说..中的各类检测算法最终都是将计算结果与某一或某几个门限做比较以确定信号的起止时刻和脉冲宽度。因此在研究这些检测算法之前须先确定门限而门限的确定实际上和接收机的虚警概率相关。在电子战接收机中虚警时间是指在没有信号时接收机产生一次虚警所占的平均时间。例如虚警时间为s就意味着平均意义上接收机每s产生一次虚警。若ADC采样速率是Z对一个样本的虚警概率是%那么虚警时间互可以写成:rf玄或凡矗()上式中假定了ADC的每一个样本都与门限做比较任何输出超过门限就看成一次虚警。给定采样频率和虚警时间虚警概率也就随之确定。一旦确定了允许的虚警概率就需要对这样的虚警概率在输出中设定合理的门限以检测信号。只考虑一个数据点与固定门限比较。假定噪声的概率密度函数p(功是高斯型则p(x)=丽e寺其中盯是噪声方差。要产生输入信号的包络需要IQ两路信号。示I路的输出噪声则Q路得输出噪声可以相似地表示为删=丽e寺()如果式()表()包络的概率密度是p(x)p(y)积它可以写成.的函数rv’pr)=rrp(咖(y)de=r”寺e一拶de=考e百()其中厂=Xy=arctan(y/x)。这个概率密度函数称为瑞利(Rayleigh)分布。虚警概率可以写为电子科技大学硕士学位论文%=Cp(州.=f孝e一万r如=e一寺()其中rl是门限上式可用不同的形式表示成‘=仃(圪。)()一般由式(.)得到的值不会与ADC的某一量化电平吻合因此应选择一个靠近‘的量化电平值。较大的值将减小虚警概率和灵敏度较小的值则造成相反的效果。若总共有Ⅳ个样本用于确定虚警和检测概率要保持所需要的虚警时间虚警概率就增大到Ⅳ倍。此时虚警概率可以写成耻鲁()其中‰用于表示多样本的虚警概率。.数字信道化理论信道化的基本原理是将输入的全频段信号进行频带分割又称为子频段或子信道然后对各子信道分别进行处理。数字信道化接收机根据模拟信道化接收机演变而来先将模拟信号经ADC转换器后数字化再通过滤波和混频处理将每个信道的信号变换到基带上。如..中所述在早期的模拟信道化接收机中接收到的信号被转换成视频信号在这个转换过程中将丢失一部分信息(例如载波频率信息)。而在数字信道化接收机中信号经过数字化并且转化到较低频率(基带)几乎保留所有的信号信息且较好地解决了模拟信道化中信道不均衡的问题。滤波器组的设计是信道化接收机中的重要环节之一通常人们都希望设计出接收机的频率分辨率一致即各通道的滤波器具有相同的特性和带宽。然而在设计模拟滤波器组时滤波器的特性很难控制要做出许多性能(如带宽、波动因子)相同的滤波器是很困难的。这一点在数字信道化接收机中应用数字信号处理技术是容易实现的。实现滤波器组的直接方法是设计多个单独的滤波器使每个滤波器具有特定的中心频率和带宽但这会直接导致每次设计的运算较为繁琐且设计出的滤波器组在工作时计算量较大。在基于多相DFT滤波器组的信道化模型中采用了最佳一致逼近法来设计滤波器并对原型滤波器进行抽取巧妙地解决了以往滤波器设计繁琐和滤波计算量大的问题。第二章宽带接收机基础理论..数字信道化基础原理...整数倍抽取整数倍抽取是指将原始采样序列缸】每隔(M一)个数据取一个形成一个新序列xuCm即xMm=xmM()式中M为正整数对上述等式左右两边进行离散傅式变换后得到:厶(扩)=寺x(e八加加Ⅲ)()由式()可知M倍抽取后新序列%(P弘)的频谱为抽取前原始序列的频谱X(ej")经频移和M倍展宽后的必个频谱的叠加和。为了防止信号抽取后产生混叠而无法在L(P归)中恢复出X(e归)中所感兴趣的信号频谱分量抽取前一般先用数字低通滤波器根据抽取后的采样率对信号进行带限滤波后再抽取。抽取后的数据速率为原信号的M分之一较大程度上降低了对后级处理的要求。一个完整的抽取器模型包括一个低通滤波器和一个抽取器如图.所示。zceJo){互互卜w图.完整的抽取器对抽取器可采用等效置换的方法将滤波器放到抽取之后使数字滤波器在降速之后实现等效变换的规则如图所示。虹Ⅵ三母叫一玎M互'日叫图抽取器的对等关系...多相滤波结构抽取器模型中对运算速度的要求是相当高的主要表现在低通滤波器位于抽取器之前滤波运算在高数据率下工作而且对抛弃的点也要作滤波运算这样一来对运算速度的要求很高。其工作效率非常低。为了能在高采样率条件下进行实时运算就要求寻找一种适于高速实时运算的多相滤波结构。抗混叠滤波器常常采用FIR滤波器设其阶数为Ⅳ并将其分为膨组(N为M的整数倍)则每组长度为L=N/M。这种分解称为多相分解其对应的转移函数可用多相分解表示为【】电子科技大学硕士学位论文H(z)=hCnlz”n=O一fl=hnMo】(zⅣ)一”z.hnM(z肘)一”:一。”。o(.)一\一。z一‘Ⅳ一’hnMM(zM)一n=OMLl=z叫hnM小zⅣ)令qz:hnM其转移函数为互(z)则MH(z)=z'E,(zM)(.)=多相滤波器用图形表示如图.所示。让抽取器的抗混叠滤波器用多相结构实现并采用图的等效变化可得图.所示的抽取器的多相滤波结构。图数字滤波器的多相结构(抽取)图.抽取器的多相滤波结构在图.所示结构中输入数据xn经过不同延时逐一进入各相滤波器中每相滤波器的阶数为三故对应复数乘加的次数为三因此M相滤波器所需总的复数乘加次数为N=LM。设xn的采样率为.疋则运算所需的速度为每秒Nf,次复数乘加。在图.所示的结构中输入数据经过M倍抽取后每隔M个进入每相滤波器。对每相滤波器而言其阶数仍为三但其数据量下降了M倍则相应所需的运算量也下降了M倍其复数乘加的次数为L=N/M。对于M路滤波器来讲彼此之间的输入数据无共用关系各相滤波器可以看作是分时工作的各相之间的延迟和各相滤波器前的抽取可等效为换向开关结构因此整个抽取所需的运算量为三次复数乘加所需的运算速度为每秒厶=次复数乘加有效地降低了系统的整体运算量对提高系统实时处理能力起到了决定性的作用。第二章宽带接收机基础理论...信道划分和堆积形式信道划分和堆积形式的选择是信道化接收机设计中非常重要的环节直接关系到后续信号处理的难易程度甚至会影响信号处理的性能。对于ADC输出的实信号而言负频部分为镜像信道故舍去。而对于复信号来说所有信道都可能出现有效信号故需对所有信道的输出进行处理。典型信道划分有无交叠和有交叠两种方式分别如图和图.所示。:、f.、.f一jf一。j、f:j、i”图无重叠信道划分i、’、、融融。’一..’一一:f‘’:’、n、../././I~’’、多ii/i/图%重叠信道划分在同等条件下无重叠信道划分主要有两个特点:.信道滤波器过渡带较窄导致滤波器阶数增加.目标信号有可能落入信道间隙而损失大部分能量如图中所示。基于这两个特点无重叠信道划分方式一般适用于通信信号或有保护带宽的信号。对于侦察接收机而言由于接收的是非合作信号故多采用重叠信道划分如图.所示。比较图.与图可知采用%重叠的划分方式不仅能较好地解决信号接收盲区的问题而且过渡带宽的增加能够使得滤波器阶数显著减少。为了便于设计信道化的各带通滤波器一般都选择均匀信道的排列方式即各信道的滤波器除中心频率外其它各项指标都完全相同。均匀信道常见的堆积形式有两类分别为偶型排列和奇型排列分别如图.和图.所示。从图中可知在偶型排列中第k个带通滤波器的中心频率为wk=xk/K在奇型排列中第k个带通滤波器中心频率为wk=n'k/K万/K。偶型排列的各滤波器中心频率为z/K的整数倍更为符合一般的设计习惯且位于基带上的滤波器为低通滤波器其余带通滤波器均可由此低通滤波器经过上变频得到故在本系统中采用偶电子科技大学硕士学位论文型排列的堆积形式来设计多相滤波器组。以(e”)zrrr万zrKKKKKPLOo=q呸吩‰一I石图.偶型排列OJoq%q%一I图.奇型排列..基于多相DFT滤波器组的数字信道化...结构推导图为数字信道化原型结构输入信号先经过带通滤波器hkn】再进行频谱搬移将中心频率平移到坐标原点附近然后对进行M倍抽取得到该通道输出信号ykMn】。图.数字信道化原型结构分析第k个信道的输出为:第二章宽带接收机基础理论以胁】=eJ砌枷艺玩力H胁一司扣o(一)MI、N=eJ肭材xhoixMnie口施厦Ⅳ满足Ⅳ=KP令m=rpK其中.=...K一P=...P一则YkMn=eJ撇材xhopKrxMnpKre"k(p足"v石’‘pf.)=eYttMnk膳hoPKrxMnpKre口脚馏=p=O令第.路多相滤波结果为GMn%丛.M胁一球一】则有雎胁】一竺K肭KI争()eGMne)雎胁】。当K=M时式()可以改写为儿胁:窆‘Mnej当K=M时式()可以改写为儿【胁】(一)勋GMneK。足“一I三三b()()则原型结构可变换为如图所示的基于多相滤波和IDFT的高效数字信道化实现结构。yog甩IDFT哐丑必岖畔...性能分析a)结构特点:图.基于多相滤波和IDFT的数字信道化结构电子科技大学硕士学位论文.频谱搬移运算放在抽取后进行.实现频谱搬移的DFT运算在低采样率上进行.M倍抽取器被共用且采用了有效的多相结构。b)运算量比较:设滤波器hon】的长度为Nxn的抽样率为F则原结构的运算量:(IN)FK(次复数乘法/秒)高效结构的运算量:(N/Mlog:K)F/MK(次复数乘法/秒)。曲结构优点:.各支路共用一个原型低通滤波器每个通道的多相滤波器是该低通FIR滤波器的抽样值。抽样值的大小等于信道数的数目系统设计复杂性下降.在求得多相滤波结果的基础上用IDFT/IFFT一次就可将各支路信号搬到基带上去不必各通道分别进行下变频计算提高了计算效率.由于采用了多相结构抽取部分位于最前端后续的信号数据率下降有利于整个信道化模块的实时处理。...信道化设计幻信道数K和抽取率M的选取根据设计指标要求综合考虑芯片处理速率和各子信道宽度等因素将总信道数K取为。根据K个滤波器覆盖(OZ)可知每子信道带宽为GHz/=.MHz。这样就将MHz分为个信道采用前述%交叠方式设计滤波器组。基于这种结构的数字信道化接收机不仅具有GHz瞬时带宽的全概率截获的能力而且还具有较强的多信号处理能力能同时处理不同信道中的多个信号。抽取之后每个通道的输出带宽(含过渡带)被限制在一万M/Kw石M/K()为了使过渡带不产生混叠必须满足n'M/Kl"()将F=K/M代入式(.)知若要求过渡带也不产生混叠时则应满足F。虽然取可以得到最大的抽取率但它会引入测频模糊处于信道交叠处时很容易判断错误【】另一方面从...的高效实现结构中可知F取为或时其IDFI"的系数简单可有效避免过多的复数乘加利于硬件实现。综上本文选定第二章宽带接收机基础理论F=并由此确定抽取率Ⅳ=K/F=。b)滤波器设计与仿真根据前述要求需设计一个通带截止频率为n'/阻带起始频率为r/的原型滤波器。设定通带纹波系数正和阻带纹波系数吒为利用firpmord函数确定出滤波器所需的总阶数至少为Ⅳ=。考虑到滤波器系数量化后的性能损失并为便于FPGA实现滤波器阶数Ⅳ需满足Ⅳ为岸的整数倍因此取N=x=>虬并利用firpm函数设计出原型FIR滤波器。其时域系数如图所示。图滤波器时域归一化系数将滤波器系数进行bit量化前后的频域情况分别如图.和图.所示。。阿、弋可\了V锄I\f\』’ff、ff\fl/’f啪}瑚《B。Nm~E“F图.滤波器组量化前幅频响应ujl【A{目一lz潲..j州叫一I黼..i邗}.黼电子科技大学硕士学位论文。隋陌n一阿一弋一厂下}I’fllfI』fo。。NomlalizedFrequency图滤波器组量化后幅频响应从两图的对比中可以知在量化前各带通滤波器的通带截止点与阻带起始点相差约为dB。量化后由于阻带内波动增大其幅度值相比量化前有约dB左右的衰减。.小结本章详细讨论了宽带接收机中关于信号检测和信道化两方面的理论。在信号检测理论方面主要针对非合作信号首先分析了几种信号检测的方法并针对各自的特性概括了其优缺点总结了其适用范围其次提出了一种改进的自相关检测算法采用仿真证明其相对原相关算法而言能够较好地适应宽带脉冲最后讨论了虚警概率与检测门限的关系。在信道化理论方面首先分析了信道化的基础原理然后推导了基于多

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