一種跳頻MSK信號(hào)檢測(cè)算法及FPGA實(shí)現(xiàn)

引言

采用MSK 調(diào)制的跳頻通信具有主瓣能量集中、旁瓣衰落滾降快、頻譜利用率高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在軍事通信中應(yīng)用廣泛。如美軍現(xiàn)役的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)采用的通信信號(hào)，工作帶寬969~1 206 MHz，跳頻速率為70000 多跳/ s， 單個(gè)頻點(diǎn)駐留時(shí)間約為13 s，信號(hào)持續(xù)時(shí)間* s， 總共有51個(gè)間隔為3 MHz 的信道，碼速率為5 MHz。已知在該工作頻段內(nèi)主要還存在單頻、窄帶調(diào)幅和線性調(diào)頻等信號(hào)。為了準(zhǔn)確截獲并識(shí)別目標(biāo)信號(hào)，針對(duì)此信號(hào)環(huán)境設(shè)計(jì)了一種MSK 信號(hào)檢測(cè)識(shí)別方法，并使用FPGA 進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

　　1 算法設(shè)計(jì)

1.1 寬帶跳頻信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)算法

用現(xiàn)代技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)字化接收的一個(gè)實(shí)用的方法是通過(guò)信道化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信道化通常的方法是采用快速傅里葉變換（FFT）。利用FFT技術(shù)比用單個(gè)濾波器設(shè)計(jì)法更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镕FT所需要的運(yùn)算量更少。

某個(gè)由FFT運(yùn)算輸出的頻率分量，可以看成輸入信號(hào)與某個(gè)脈沖函數(shù)的卷積。因此可以把FFT的每個(gè)輸出看成濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)與輸入信號(hào)的卷積。為了處理一個(gè)連續(xù)的輸入信號(hào)。必須在不同時(shí)刻對(duì)各段數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理。通常，起始點(diǎn)記為n = 0，數(shù)據(jù)段可以滑動(dòng)M點(diǎn)，相應(yīng)的FFT可以寫(xiě)成：

M 的值必須隨著輸入信號(hào)連續(xù)變化，這種運(yùn)算也叫作短時(shí)傅里葉變換（STFT）。

　　FFT的長(zhǎng)度和重疊點(diǎn)數(shù)是非常重要的參數(shù)，這些參數(shù)與最小脈寬和頻率分辨率有關(guān)，它們決定了接收機(jī)的靈敏度。若FFT的長(zhǎng)度為N，信號(hào)的采樣頻率為f s，那么經(jīng)FFT計(jì)算后，信號(hào)的頻率分辨率為：

　　數(shù)據(jù)重疊點(diǎn)數(shù)決定了時(shí)間分辨率和處理的最短脈寬，數(shù)據(jù)重疊率越高，則時(shí)間分辨率越高。

本設(shè)計(jì)中使用STFT 的方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)粗測(cè)頻引導(dǎo)數(shù)字接收機(jī)，為覆蓋整個(gè)跳頻帶寬，采用700 MHz采樣率對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行采樣，粗測(cè)頻引導(dǎo)精度在1 MHz以內(nèi)，因此FFT長(zhǎng)度選擇為1 024 點(diǎn)，數(shù)據(jù)重疊率50%，保證時(shí)間分辨率在1 s 之內(nèi)。

利用粗測(cè)頻接收單元的檢測(cè)結(jié)果去引導(dǎo)一個(gè)精測(cè)單元，可以對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行更為精確的測(cè)量和識(shí)別。精測(cè)單元采用數(shù)字正交下變頻的實(shí)現(xiàn)方法，數(shù)字本振頻率隨粗測(cè)引導(dǎo)結(jié)果而設(shè)置，變頻后的帶寬依據(jù)目標(biāo)信號(hào)而確定。

1.2 MSK 信號(hào)識(shí)別算法

MSK 信號(hào)可以寫(xiě)成：

式中，Tb 為碼元周期，θk 是第k 個(gè)碼元的相位常數(shù)，取值為nπ， Pk 為二進(jìn)制雙極性碼元，取值為 1，所以MSK 信號(hào)相位分段線性變化，每個(gè)碼元周期內(nèi)相對(duì)前*元載波相位上升或下降π/2

根據(jù)三角函數(shù)展開(kāi)，設(shè)θk 起始參考值為0，得：
又根據(jù)Ik= 1, Qk= 1, 令f L= f c-14Tb, f H=f c+14Tb,MSK 信號(hào)經(jīng)過(guò)平方環(huán)可得：

可知，MSK 信號(hào)經(jīng)過(guò)平方運(yùn)算后，含有2f L 和2fH兩個(gè)離散頻率分量，反映在FFT幅度譜上，在這2 個(gè)頻點(diǎn)上存在2 個(gè)明顯的譜峰，2 個(gè)譜峰的距離為1 個(gè)碼元速率，并且距離2 倍載頻處均為碼元速率的一半。這些特征是此頻段內(nèi)其他信號(hào)不具備的，可以根據(jù)這些特征對(duì)MSK 進(jìn)行有效的識(shí)別。因此，將經(jīng)過(guò)正交下變頻的信號(hào)進(jìn)行平方運(yùn)算，確定信號(hào)出現(xiàn)后對(duì)其平方的結(jié)果進(jìn)行FFT處理計(jì)算幅度譜，再對(duì)譜峰點(diǎn)進(jìn)行分析即可完成MSK 信號(hào)的識(shí)別。

　　2 算法的FPGA 實(shí)現(xiàn)

2.1 算法實(shí)現(xiàn)

跳頻MSK 信號(hào)檢測(cè)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1 所示，采用FPGA 實(shí)現(xiàn)，包括短時(shí)傅里葉變換（STFT） 粗測(cè)頻引導(dǎo)、數(shù)字正交下變頻、平方運(yùn)算和幅度譜分析等主要模塊。STFT 粗測(cè)頻引導(dǎo)在寬帶條件下進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)檢測(cè)和頻率粗測(cè)，測(cè)量的結(jié)果引導(dǎo)數(shù)字正交下變頻模塊，對(duì)信號(hào)進(jìn)行變頻、濾波和抽取，得到低采樣速率的零中頻數(shù)據(jù)，平方運(yùn)算模塊對(duì)零中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行平方處理，在確定存在信號(hào)后，對(duì)平方運(yùn)算模塊的輸出進(jìn)行FFT運(yùn)算得到信號(hào)的幅度譜，通過(guò)幅度譜分析模塊得到最終的識(shí)別結(jié)果。


2.2 高速STFT 實(shí)現(xiàn)

為了覆蓋整個(gè)跳頻帶寬，中頻信號(hào)的采樣率設(shè)為700MHz， 而FPGA 無(wú)法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，即將中頻采樣信號(hào)分成4 路，每路175 MHz， 這使得在FPGA 中運(yùn)算成為可能。相應(yīng)的FFT運(yùn)算也需要多個(gè)運(yùn)算模塊并行處理，這樣的代價(jià)便是增加了硬件資源消耗。數(shù)據(jù)接收及FFT處理的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2 所示。

要實(shí)現(xiàn)50%的數(shù)據(jù)重疊處理，需要2 個(gè)圖2 所示的模塊，這樣粗測(cè)頻引導(dǎo)模塊就需要8 個(gè)1 024 點(diǎn)FFT運(yùn)算單元，在FPGA 中使用FFT的IP 核實(shí)現(xiàn)。

完成FFT處理后需要進(jìn)行幅度譜計(jì)算和譜峰提取，通過(guò)對(duì)譜峰的能量檢測(cè)進(jìn)行是否存在信號(hào)的判斷，并根據(jù)譜峰位置得到粗測(cè)頻結(jié)果，以此引導(dǎo)正交下變頻模塊。

2.3 數(shù)字正交下變頻的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字正交下變頻模塊根據(jù)前面得到的引導(dǎo)信息，設(shè)置合適的數(shù)字本振頻率值，將信號(hào)搬移到零中頻，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波和抽取，得到低采樣率的零中頻數(shù)據(jù)，以方便后續(xù)處理。數(shù)字正交下變頻采用基于多相抽取濾波器的多路并行結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)如圖3所示。


2.4 信號(hào)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)

信號(hào)識(shí)別的主要模塊是平方運(yùn)算和信號(hào)的幅度譜分析。為了體現(xiàn)MSK 信號(hào)的特征，對(duì)經(jīng)過(guò)正交下變頻得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平方運(yùn)算。如果直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)的平方處理，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生零頻分量，對(duì)后續(xù)處理造成不利影響。為了消除這種影響，需要將正交的復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)變成幅度和相位的表示形式。這樣再進(jìn)行平方運(yùn)算時(shí)，保持幅度值不變，相位值變成原來(lái)的2 倍并經(jīng)過(guò)相位解卷繞處理，最后再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)反變換，得到經(jīng)過(guò)平方運(yùn)算的復(fù)數(shù)據(jù)。

坐標(biāo)變換可采用計(jì)算器（CORDIC） 運(yùn)算IP 核實(shí)現(xiàn)，有利于節(jié)省硬件資源，提高運(yùn)算效率。
幅度譜分析模塊通過(guò)粗測(cè)頻引導(dǎo)確定信號(hào)到來(lái)，對(duì)經(jīng)過(guò)平方運(yùn)算的零中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，得到信號(hào)的幅度譜。進(jìn)行譜分析時(shí)按照如下步驟：
① 提取過(guò)檢測(cè)門(mén)限的譜峰點(diǎn)；
② 確定最大譜峰的位置；
③ 確定距離最大譜峰位置左右5 MHz 處是否存在與最大譜峰值相差不大的譜峰；
④ 檢測(cè)2 個(gè)譜峰連線的中點(diǎn)位置是否是2 倍的有效信道載頻頻點(diǎn)。
經(jīng)過(guò)以上步驟，完成了MSK 信號(hào)的識(shí)別。

　　3 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證算法實(shí)現(xiàn)是否能正確截獲并識(shí)別MSK 目標(biāo)信號(hào)，使用泰克公司的任意信號(hào)發(fā)生器AWG7122B 模擬產(chǎn)生了目標(biāo)信號(hào)環(huán)境，并使用硬件平臺(tái)進(jìn)行了接收測(cè)試，為了便于觀察計(jì)算結(jié)果，使用Xilinx 公司的在線邏輯分析儀軟件ChipScope 截取了FPGA 內(nèi)部的運(yùn)算數(shù)據(jù)和結(jié)果。

使用任意信號(hào)發(fā)生共設(shè)置了3 個(gè)信號(hào)，信號(hào)1參數(shù)如下：
信號(hào)形式： 脈沖；
信號(hào)時(shí)長(zhǎng)： * s;
信號(hào)間隔： 13 s;
脈內(nèi)調(diào)制：MSK;
碼元速率： 5 MHz;
信號(hào)2 的參數(shù)如下：
信號(hào)形式： 單頻脈沖；
信號(hào)時(shí)長(zhǎng)： 5 s;
信號(hào)間隔： 50 s;
信號(hào)3 的參數(shù)如下：
信號(hào)形式： 脈沖；
信號(hào)時(shí)長(zhǎng)： 8 s；
信號(hào)間隔： 300 s；
脈內(nèi)調(diào)制： 線性調(diào)頻；
帶寬： 1 MHz。

其中MSK 信號(hào)設(shè)置為脈沖間頻率跳變，跳頻點(diǎn)3 個(gè)，間隔30 MHz, 單頻脈沖信號(hào)跳頻點(diǎn)6 個(gè)，間隔10MHz, 線性調(diào)頻信號(hào)載頻固定。

在FPGA 中經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理得到3 種信號(hào)的譜分析結(jié)果，應(yīng)用ChipScope 軟件可在線獲得FPGA 內(nèi)部數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB 處理后得到3 種信號(hào)的幅度譜圖，如圖4、圖5 和圖6 所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的實(shí)時(shí)截獲和準(zhǔn)確識(shí)別。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

該文提出了一種FPGA 可實(shí)現(xiàn)的跳頻MSK 信號(hào)實(shí)時(shí)截獲和識(shí)別的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，可以對(duì)寬帶跳頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的截獲，并能夠?qū)ζ渲械腗SK 目標(biāo)信號(hào)完成準(zhǔn)確識(shí)別，可應(yīng)用于針對(duì)特定目標(biāo)的通信偵察系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。