基于高通濾波器的脈沖信號檢測研究

吳海峰

(張家界航空工業職業技術學院 航空制造工程系， 湖南 張家界 427000)

0 引言

在人們生活中，時刻都要接收到各種信號，其中脈沖信號在許多領域都存在，如雷達、通信傳輸、海雜波等，因此對脈沖信號進行研究具有重要意義[1]。脈沖信號是一種微弱信號，不容易被檢測出來，而且脈沖信號中通常包含了大量的噪聲，這些噪聲會對脈沖信號質量產生干擾，脈沖信號常容易被噪聲湮沒，信噪比比較低。如何在不破壞原始脈沖信號的前提下，對脈沖信號進行有效檢測，是脈沖信號處理研究領域當前迫切需要解決的一個難題[2-3]。

當前國內外許多學者和專家對脈沖信號檢測問題進行了深入分析和研究，出現許多有效的脈沖信號檢測技術[4]，當前脈沖信號檢測技術可以劃分為兩類：一類是基于硬件的脈沖信號檢測技術；另一類是基于軟件的脈沖信號檢測技術。硬件技術主要采用專門工具，通過專業人員對脈沖信號進行檢測，提高脈沖信號檢測精度，但是由于專業性比較強，因此不容易推廣，無法得到廣泛應用，實際應用價值低[5-7]。軟件技術主要引入混沌理論、小波分析對脈沖信號進行檢測，如考慮脈沖信號的混沌特性，通過混沌理論重構脈沖信號，擬合脈沖信號的變化軌跡，并通過引入自回歸等模型對脈沖信號變化特點進行預測，從而實現脈沖信號的檢測；小波分析主要考慮脈沖信號中的噪聲，首先對脈沖信號進行分解，使有用脈沖信號和噪聲分離開來，抑制噪聲對脈沖信號的干擾，恢復微弱脈沖信號，最后引入神經網絡建立脈沖信號檢測分類器，實現脈沖信號檢測，軟件技術的脈沖信號檢測精度要低于硬件技術，并且脈沖信號檢測成本低[8-10]。由于脈沖信號變化十分復雜，采用單一硬件技術或者軟件技術均無法獲得理想的脈沖信號檢測結果，脈沖信號檢測問題有待進一步研究[11-12]。

針對當前脈沖信號檢測技術存在的局限性，為了獲得理想的脈沖信號檢測結果，本文設計了基于高通濾波器的脈沖信號檢測系統，從硬件和軟件兩個方面對脈沖信號檢測問題進行研究，并在相同實驗條件下，與其他脈沖信號檢測系統進行了對比測試，測試結果表明，高通濾波器的脈沖信號檢測效果要明顯優于脈沖信號檢測系統，脈沖信號檢測結果更加可信。

1 基于高通濾波器的脈沖信號檢測系統具體設計

1.1 脈沖信號檢測系統的硬件框架

一個完整的脈沖信號檢測系統包括硬件和軟件兩部分，硬件是脈沖信號檢測的基礎，與脈沖信號檢測效果直接相關，脈沖信號檢測軟件是系統的靈魂，同樣重要，高通濾波器的脈沖信號檢測系統硬件框架如圖1所示。

圖1 脈沖信號檢測系統的硬件結構

對圖1的高通濾波器的脈沖信號檢測系統硬件框架進行分析可以知道，主要包括脈沖信號采集器、脈沖信號前置放大器、脈沖信號后置放大器、高通濾波器等。脈沖信號采集器主要負責脈沖信號的采集，將模擬信號變為數字信號，并將脈沖信號傳輸到脈沖信號前置放大器中。由于脈沖信號是一種微弱信號，直接進行處理，無法獲得理想的脈沖信號檢測結果，因此通過前置放大器和后置放大器處理微弱脈沖信號，增強脈沖信號強度。

1.2 前置放大器設計

前置放大器是脈沖信號檢測系統的關鍵模塊，由于脈沖信號屬于微弱信號，需要采用高阻抗特性的放大器，本文選擇的放大器為LF356，其結構如圖2所示。

圖2 脈沖信號的放大電路

對于脈沖信號的前置放大器來說，電阻(R)和電容(C)與脈沖信號頻率有一定的關系，具體關系可以描述為式(1)。

(1)

其中，Cw和Cm分別為等效電容和反饋電容，兩者之間的關系為式(2)。

(2)

1.3 高通濾波器

采用高通濾波器對前置放大器處理后的脈沖信號進行濾波操作，改善脈沖信號質量，滿足數模轉換所需的脈沖信號強度，其結構具體如圖3所示。

在圖3中，一些低頻漂移信號和低頻噪聲由高通濾波器進行優化。

圖3 高通濾波器的結構

為防止脈沖信號的特性發生改變，需要對濾波器截止頻率進行調節。低通采樣輸出為式(3)。

(3)

式中，y為調節因子。fij(x)和bij(x)分別為第x幀的低通濾波輸出和誤差，那么高通濾波器的輸入為式(4)。

dij(x)=bij(x)-fij(x)

(4)

高通濾波器的傳遞函數H(s)為式(5)。

(5)

截止頻率為式(6)。

(6)

1.4 脈沖信號檢測系統的工作流程

脈沖信號檢測系統是一種智能檢測系統，由于單片機具有較好信號處理和控制能力，因此本文構建的脈沖信號檢測系統通過單片機實現。單片機采用靜態組合邏輯，能夠進行乘法和累加操作，包含數據和程序存儲器，脈沖信號檢測系統的工作流程如圖4所示。

圖4 脈沖信號檢測系統的工作流程

2 脈沖信號檢測系統的性能分析

2.1 本文脈沖信號檢測系統的性能分析

為測試脈沖信號檢測系統的性能，選擇不同的脈沖信號作為對象，比較本文系統濾波前后的脈沖信號，實驗結果如圖5所示。

分析圖5的實驗結果可以發現，對于不同的脈沖信號，本文系統可以高精度檢測出相應的信號，這主要是由于本文脈沖信號檢測系統引入高通濾波器對信號進行了放大和優化處理，有利于提高脈沖信號檢測結果。

(a) 濾波前的脈沖信號

(b) 濾波后的脈沖信號

2.2 與其他系統的脈沖信號檢測結果比較

為測試高通濾波器的脈沖信號檢測系統的優越性，在相同實驗條件下，選擇基于FPGA的脈沖信號檢測系統、多重累積相關的脈沖信號檢測系統進行對比實驗，采用脈沖信號檢測時間(ms)、存儲空間(B)和脈沖信號檢測精度(%)對實驗結果進行評價。

2.2.1 脈沖信號檢測系統的檢測時間對比

統計3種脈沖信號檢測系統的檢測時間，結果如圖6所示。

圖6 不同系統的不同頻率脈沖信號檢測時間

對圖6的檢測時間進行對比和分析可以知道，本文脈沖信號檢測系統的檢測時間要遠遠少于對比系統，加快了脈沖信號檢測速度，大幅度節約了脈沖信號檢測時間，使得脈沖信號檢測成本更低。

2.2.2 脈沖信號檢測系統的存儲空間對比

統計3種脈沖信號檢測系統的存儲空間，結果如表1所示。

表1 不同系統的脈沖信號存儲空間

對表1的存儲空間進行對比和分析可以知道，本文脈沖信號檢測系統的存儲空間少于對比系統，節約了脈沖信號的存儲空間，這是由于本文系統通過高通濾波器對脈沖信號進行了處理，消除了一些無用的信號。

2.2.3 不同系統的脈沖信號檢測效果比較

選擇脈沖信號檢測精度和誤差率對脈沖信號檢測準確性進行評價，得到實驗結果如表2所示。

表2 不同系統的脈沖信號檢測精度和錯誤率

從表2的實驗結果可以看出，本文系統的脈沖信號檢測精度最高，減少了脈沖信號檢測誤差率，獲得了更加理想的脈沖信號檢測效果。

3 總結

由于脈沖信號在采集過程中，受到外界環境因素的干擾，脈沖信號的質量低，影響脈沖信號檢測效果，為了改善脈沖信號檢測效果，消除一些不利因素的影響，提出了基于高通濾波器的脈沖信號檢測系統，該系統包括原始脈沖信號的放大操作，脈沖信號的高通濾波處理以及脈沖信號檢測模塊，最后與其他脈沖信號檢測系統進行了對比測試。結果表明，本文系統的脈沖信號檢測精度高，降低了脈沖信號檢測偏差，同時縮短了脈沖信號檢測時間，加快了脈沖信號速度，具有廣泛的應用前景。