一種高速跳頻信號實時載頻測量方法

劉麗格,魏利輝,馬 媛

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院,河北石家莊050035)

0 引言

跳頻通信具有較強的抗干擾能力,因此在戰(zhàn)術(shù)通信中得到廣泛應(yīng)用。載頻是跳頻信號的重要參數(shù),快速準(zhǔn)確估計跳頻信號的載頻,是對跳頻信號進(jìn)行實時參數(shù)分析、實時解調(diào)的基礎(chǔ)。如某目標(biāo)跳頻信號,跳速約16 000跳/s,調(diào)制類型為二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK),符號速率為100 ksps～90 Msps。為此,采用900 MHz的采樣時鐘對目標(biāo)信號進(jìn)行采樣,在FPGA中進(jìn)行實時處理,實現(xiàn)了對每跳信號載頻的精確測量。

1 載頻測量原理

離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)將信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域,以便于對信號進(jìn)行頻譜分析[2]。假設(shè)DFT的長度為N,信號的采樣頻率為fs,經(jīng)DFT計算后,信號的頻率分辨率為:

如果根據(jù)譜線的最大值來估算信號的頻率,其最大測頻誤差為Δf/2。可見,提高測頻精度有2種途徑:降低采樣率和增加DFT點數(shù)。

但是,降低采樣率會降低信號頻率分析范圍,而增加DFT點數(shù),又會提高運算量。為此,采用二次載頻測量法,即首先對信號做 N點DFT,進(jìn)行載頻粗測得:

式中,N0為載頻譜線位置。根據(jù)粗測結(jié)果,將信號移至零中頻,通過低通濾波及降采樣后,再做M點DFT,進(jìn)行頻率精測得:

式中,M0為殘留載頻譜線位置D為降采樣比例因子。降采樣之后,信號的頻率分辨率為:

故測頻誤差為原來的N/(DM)。當(dāng) N=M時 ,Δf′=Δf/D 。

根據(jù)2次測頻結(jié)果,得到精確的載頻測量值為:

2 FPGA中實現(xiàn)載頻測量

高速跳頻信號二次載頻測量實現(xiàn)框圖如圖1所示。整個算法在一片現(xiàn)場可編程門陣列器件(FPGA)中實現(xiàn),包括載頻粗測、數(shù)字正交下變頻、載頻精測和載頻合成等主要模塊。載頻粗測模塊用來粗測每跳數(shù)據(jù)的載頻,數(shù)字正交下變頻將中頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成零中頻數(shù)據(jù),載頻精測模塊用來精確測量每跳數(shù)據(jù)的載頻偏差,載頻合成模塊產(chǎn)生每跳數(shù)據(jù)的精確載頻。

圖1 高速跳頻信號二次載頻測量實現(xiàn)

由于中頻信號的采樣頻率為900 MHz,而FPGA很難直接處理這樣高速率的數(shù)據(jù),因此需要采用多路并行處理,即將中頻信號分成4路,每路225 MHz,這使得在FPGA中運算成為可能,但同時也增加了算法實現(xiàn)的復(fù)雜性。多路并行處理數(shù)據(jù)流示意如圖2所示。

圖2 多路并行處理數(shù)據(jù)流

2.1 載頻粗測

由于BPSK信號是抑制載波雙邊帶信號,不存在載頻分量,因此無法從調(diào)制信號中直接提取本地載波。BPSK信號經(jīng)平方后得到2倍載頻的分量,然后經(jīng)二分頻得到載頻分量[1]。

首先將采樣頻率為900MHz高速采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存,再以112.5 MHz速率讀出,并進(jìn)行二倍插值、濾波,此時信號采樣率變?yōu)?.8GHz,將其平方后,再進(jìn)行FFT運算,對FFT結(jié)果求最大值,即可得到信號載頻粗測譜線位置。

2.2 數(shù)字正交下變頻

復(fù)調(diào)制是將時域信號與單位復(fù)指數(shù)相乘,將實信號變?yōu)閺?fù)信號,根據(jù)傅里葉變換的頻移性質(zhì),信號頻譜產(chǎn)生平移,把感興趣頻段的中心頻率移至頻譜的原點處,再通過低通濾波將其濾出。

假設(shè)觀測信號中心頻率為F0,采樣頻率為fs,對采樣時間序列x0(n)與e-j2πnF0/fs進(jìn)行復(fù)乘,得到信號

根據(jù)DFT的頻移性質(zhì),x(n)被移至零頻,經(jīng)低通濾波,得到零中頻目標(biāo)信號。

2.3 載頻精測

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的推導(dǎo),得到基于多相分解的濾波器抽取結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 抽取濾波器多相結(jié)構(gòu)

設(shè)計多相濾波器的步驟包括:

①根據(jù)原型理想低通濾波器的頻率響應(yīng)確定所需要的濾波器類型和階數(shù);

②求出對應(yīng)的沖擊響應(yīng)h(n);

③用式(3)確定多相濾波器,

式中,m=0,1,2,…,Q-1;k=0,1,2,…,D-1,Q=N/D,且Q取整數(shù),N為濾波器的階數(shù)。

根據(jù)式(5)設(shè)計多相抽取濾波器,對零中頻信號進(jìn)行濾波抽取,經(jīng)平方后,進(jìn)行FFT運算,對FFT結(jié)果求最大值,除2,即得到信號載頻精測譜線位置。

2.4 載頻合成

根據(jù)式(3)對2次測頻結(jié)果進(jìn)行處理,可得到載頻精確測量值。

3 載頻測量仿真

跳頻信號載頻測量的仿真數(shù)據(jù)在Matlab軟件中產(chǎn)生,信號參數(shù)如下:跳速:16 000跳/s;調(diào)制樣式:BPSK;SNR=10 dB。按照要求的跳速和頻率集產(chǎn)生載頻信號,基帶碼流調(diào)制之后得到仿真目標(biāo)信號,存入文件供跳頻信號載頻測量仿真程序調(diào)用。

跳頻信號載頻測量的仿真采用ModelSim軟件完成,讀取Matlab軟件產(chǎn)生的文件作為激勵數(shù)據(jù),對載頻測量程序進(jìn)行仿真驗證,仿真結(jié)果波形圖如圖4所示。

圖4 跳頻信號起始點檢測算法仿真

4 結(jié)束語

經(jīng)實際測試,采用二次載頻測量精確估計載頻的算法工作穩(wěn)定,運行可靠,具有較高的測量精度,和較強的抗噪聲能力。為跳頻信號進(jìn)行實時參數(shù)分析、實時解調(diào)的提供了保證。同時算法處理過程簡單,易于硬件實現(xiàn),適于在工程實踐中應(yīng)用。

[1]丁玉美.數(shù)字信號處理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006:257-260.

[2]曹志剛.現(xiàn)代通信原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,1992:68-69.

[3]田 耘.無線通信FPGA設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008:210-212.

[4]陳衛(wèi)東,魏利輝.1M點FFT算法的FPGA設(shè)計現(xiàn)[J].艦船電子對抗,2009,32(3):100-103.

[5]伍 星.快速頻率細(xì)化ZOOM軟件的開發(fā)研究與實現(xiàn)[J].艦船電子對抗,2009,32(3):100-103.

[6]方 志.復(fù)雜電磁環(huán)境下跳頻信號檢測及拼接算法[J].無線電工程,2010,40(8):13-15.