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學院,河北石家莊050035)

0 引言

跳頻通信具有較強的抗干擾能力,因此在戰術通信中得到廣泛應用。載頻是跳頻信號的重要參數,快速準確估計跳頻信號的載頻,是對跳頻信號進行實時參數分析、實時解調的基礎。如某目標跳頻信號,跳速約16 000跳/s,調制類型為二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK),符號速率為100 ksps～90 Msps。為此,采用900 MHz的采樣時鐘對目標信號進行采樣,在FPGA中進行實時處理,實現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)將信號從時域轉換到頻域,以便于對信號進行頻譜分析[2]。假設DFT的長度為N,信號的采樣頻率為fs,經DFT計算后,信號的頻率分辨率為:

如果根據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。

但是,降低采樣率會降低信號頻率分析范圍,而增加DFT點數,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,進行載頻粗測得:

式中,N0為載頻譜線位置。根據粗測結果,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 N=M時 ,Δf′=Δf/D 。

根據2次測頻結果,得到精確的載頻測量值為:

2 FPGA中實現載頻測量

高速跳頻信號二次載頻測量實現框圖如圖1所示。整個算法在一片現場可編程門陣列器件(FPGA)中實現,包括載頻粗測、數字正交下變頻、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據的載頻,數字正交下變頻將中頻數據轉換成零中頻數據,載頻精測模塊用來精確測量每跳數據的載頻偏差,載頻合成模塊產生每跳數據的精確載頻。

圖1 高速跳頻信號二次載頻測量實現

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據,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的復雜性。多路并行處理數據流示意如圖2所示。

圖2 多路并行處理數據流

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,因此無法從調制信號中直接提取本地載波。BPSK信號經平方后得到2倍載頻的分量,然后經二分頻得到載頻分量[1]。

首先將采樣頻率為900MHz高速采樣數據進行緩存,再以112.5 MHz速率讀出,并進行二倍插值、濾波,此時信號采樣率變為1.8GHz,將其平方后,再進行FFT運算,對FFT結果求最大值,即可得到信號載頻粗測譜線位置。

2.2 數字正交下變頻

復調制是將時域信號與單位復指數相乘,將實信號變為復信號,根據傅里葉變換的頻移性質,信號頻譜產生平移,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進行復乘,得到信號

根據DFT的頻移性質,x(n)被移至零頻,經低通濾波,得到零中頻目標信號。

2.3 載頻精測

根據文獻[3]的推導,得到基于多相分解的濾波器抽取結構,如圖3所示。

圖3 抽取濾波器多相結構

設計多相濾波器的步驟包括:

①根據原型理想低通濾波器的頻率響應確定所需要的濾波器類型和階數;

②求出對應的沖擊響應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,N為濾波器的階數。

根據式(5)設計多相抽取濾波器,對零中頻信號進行濾波抽取,經平方后,進行FFT運算,對FFT結果求最大值,除2,即得到信號載頻精測譜線位置。

2.4 載頻合成

根據式(3)對2次測頻結果進行處理,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據在Matlab軟件中產生,信號參數如下:跳速:16 000跳/s;調制樣式:BPSK;SNR=10 dB。按照要求的跳速和頻率集產生載頻信號,基帶碼流調制之后得到仿真目標信號,存入文件供跳頻信號載頻測量仿真程序調用。

跳頻信號載頻測量的仿真采用ModelSim軟件完成,讀取Matlab軟件產生的文件作為激勵數據,對載頻測量程序進行仿真驗證,仿真結果波形圖如圖4所示。

圖4 跳頻信號起始點檢測算法仿真

4 結束語

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

[1]丁玉美.數字信號處理[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006:257-260.

[2]曹志剛.現代通信原理[M].北京:清華大學出版社,1992:68-69.

[3]田 耘.無線通信FPGA設計[M].北京:電子工業出版社,2008:210-212.

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