基于FPGA的脈內調制雷達信號識別算法

王 宇，楊國彬，王 宏

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

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基于FPGA的脈內調制雷達信號識別算法

王 宇，楊國彬，王 宏

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

針對脈內調制雷達信號檢測，提出了一種基于現場可編程門陣列(FPGA)的脈內調制特征實時提取技術，利用時-頻分析、瞬時自相關、時域累加平滑的方法，實現對常見脈內調制雷達信號(簡單脈沖信號、二進制相移鍵控(BPSK)信號、正交相移鍵控(QPSK)信號、線性頻率調制(LFM)信號、頻移鍵控(FSK)信號)實時檢測及脈內調制樣式實時提取，并將脈內調制類型與常規PDW字結合構成擴展脈沖描述字(EPDW)。測試結果證明了該方法實時性好、準確率高。

時-頻分析；脈內調制；瞬時自相關；現場可編程門陣列

0 引 言

隨著電子技術的迅猛發展，新體制雷達層出不窮，頻率調制、相位編碼等雷達信號越來越多，電子偵察設備所面臨的電磁環境日益惡化。為了有效地對雷達信號進行偵收和識別，現代電子偵察系統急需研究的一個重要課題就是對雷達信號脈內調制類型的準確、實時識別[1]。脈內調制識別算法復雜，計算量大，要達到實時性的要求，需要高速數據處理芯片的硬件平臺支撐。

現場可編程門陣列( FPGA)具有實時性強的運算能力和高速數據吞吐的傳輸能力等特點。本文提出了基于FPGA硬件平臺的雷達信號脈內調制類型方法，提出了一種利用平滑的瞬時自相關法與短時傅里葉變換(STFT)相結合的方法，對幾種典型脈內調制類型線性調頻(LFM)信號、頻移鍵控(FSK)信號、二進制相移鍵控(BPSK)信號、正交相移鍵控(QPSK)信號和單載頻信號進行準確、快速的識別,在FPGA硬件平臺上實現并且通過內場測試驗證。

1 脈內調制類型識別算法

1.1 雷達信號特性分析

常用雷達信號類型主要包括：常規單載頻脈沖信號、線性調頻信號、相位編碼信號和頻率編碼信號。設A為雷達脈沖信號幅度，T為脈沖信號寬度，則不同調制形式的雷達脈沖信號可分別用以下復數形式表示[2]：

(1) 常規單載頻脈沖(FMCON)

(1)

式中：f0為信號載頻；φ0為信號初始相位。

(2) 二相編碼信號

(2)

式中：N為字碼數；ΔT為碼元寬度；φi的取值為0或者π。

(3) 線性調頻信號

(3)

式中：k為調頻率。

(4) 頻率編碼信號

(4)

式中：fi為頻率碼組；ΔT為子碼寬度。

圖1～圖4是幾種常見信號的時域及頻譜圖。

1.2 基于STFT的脈內調制類型識別算法

STFT就是短時傅里葉變換,一種常用的時頻分析方法，屬于無偏的估計。STFT 就是對傳統傅里葉變換的改進,它是對信號時域加窗處理,然后對窗內進行傅里葉變換,這樣就加入了時間信息,使信號分析具有了時間分辨率,進而可以描繪出信號的時頻特性。STFT 對非平穩信號同樣具有很好的分析效果,因為只要選取的窗口足夠窄,就可以認為窗口內短時信號為平穩信號,進而進行傅氏變換,求出其短時頻率,即可認是為此時刻的瞬時頻率,讓窗口在時間軸上滑動就可以描繪出信號的時頻關系,刻畫了信號的時頻分布[3]。

窗函數的寬度決定了 STFT的時域定位功能和頻譜分辨率。窗函數寬度越大，頻域分辨率越高，但時域分辨力越低；窗函數寬度越小，時域分辨力越好，但頻域分辨率越差。圖5為基于STFT的脈內類型識別流程圖。

1.3 基于平滑瞬時自相關和STFT相結合的脈內調制類型識別算法

實際工程中，由于硬件資源的限制，STFT時間和頻率分辨力相互制約，常常折中選定窗寬度，所以時間分辨率和頻率分辨率無法同時達到很高。瞬時自相關和累加平滑的方法運算量少，實時性高，在較高信噪比時，可以同時得到好的時間頻率分辨率，因此考慮將二者有機結合起來，通過綜合決策判斷識別脈內調制樣式。

2 脈內調制類型實時識別的FPGA設計與實現

2.1 硬件平臺

系統硬件平臺組成框圖如圖6所示，其主要包括高速模/數(A/D)轉換采集板、高速信號處理板、主機板和顯控單元。高速A/D采集板主要由1塊高速A/D芯片和2塊高性能FPGA(Altera EP3S340和EP3S110)組成，信號處理板主要由1塊高性能數字信號處理器DSP(TI C6455)和2塊FPGA(Altera EP3S110和EP2S50)組成。

2.2 FPGA設計與處理流程

FPGA的主要工作流程為：高速A/D采集中頻模擬信號送至FPGA，一路進行數字下變頻(DDC)得到零中頻信號，再對信號進行瞬時自相關，然后通過Cordic算法求取信號瞬時頻率，再根據頻率曲線特征進行脈內樣式判讀。通過大量仿真分析得到: 單載頻信號曲線為一條直線，線性調頻信號曲線為一條斜率固定的斜線，相位編碼信號曲線在相位跳變點有1個強脈沖，頻率編碼信號曲線在頻率跳變點有階梯變化。將脈內分析結果與傳統脈沖描述字(PDW)組合形成PDW組1;另一路進入STFT組，得到時頻曲線，再進行時頻特征統計，將脈內分析結果與傳統PDW組合形成PDW組2。最后，經過綜合決策，將2組PDW進行融合識別，得到最終PDW，流程圖見圖7。

脈內類型分析部分實現對脈內調制類型的實時識別，主要處理流程為：首先對輸入的信號預處理并進行常規PDW檢測，根據普通PDW進行預識別，如脈寬太小則直接判定為普通脈沖；接著先驗識別功能根據已知雷達輻射源數據庫進行分類識別判斷[4]；同時，對信號的時頻曲線、瞬時相位信息進行計算，并實時統計，得到時-頻、時-相曲線的一維和二維特征，即完成時-頻分析、時-相分析和數據統計分析；最后，簡單類型識別模塊、相位編碼調制類型模塊、線性調頻類型模塊、頻率編碼識別模塊等根據前面統計特征結果，完成對各種脈內類型的實時判斷，結果分別送入擴展PDW形成模塊。脈內識別的流程框圖如圖8所示。

3 試驗測試與結果

本算法采用3個硬件平臺，分別為偵察信號處理主站、左站和右站，系統測試框圖如圖9所示。

信號源產生信號經功分器分別注入3個站，各站對信號進行檢測和脈內特征識別，得到擴展PDW。此處信號源為安捷倫公司的任意波形發生器，可以編寫產生各種規律脈內調制信號，如二相編碼信號、四相編碼信號、線性調頻信號、頻率編碼信號及簡單脈沖信號和噪聲信號。FPGA通過sigtap實時監測脈內類型分析結果，頻率編碼、線性調頻等4種調制類型分析結果如圖10～圖13。

另外，將各種類型信號識別結果導入Matlab進行統計分析，脈內調制樣式分析準確率見表1。

表1 各種脈內調制類型信號分析準確率統計表

綜上可以看出，本雷達信號脈內調制樣式識別算法與FPGA程序可以正確地實時判斷接收信號的脈內調制類型，驗證了算法及程序的實時性、正確性和可靠性。

4 結束語

本文對雷達信號脈內調制樣式實時識別算法進行分析和仿真，并在FPGA硬件平臺上實現和測試。結果表明：信噪比在10 dB以上，可以實時準確地識別出接收到信號的脈內調制類型，該算法實時性高，占用硬件資源少，判斷準確率高，且易于工程使用,對未來進行新體制及復雜電磁環境下的信號偵察識別具有重大的意義。

[1] 余志斌.基于脈內特征的雷達輻射源信號識別研究[D].成都:西南交通大學,2010.

[2] 李磊,任麗香,毛二可，等.頻率步進信號寬帶模糊函數及其應用[J].北京理工大學學報,2011,31(7):844-848.

[3] 李利,紀凱,柴娟芳.一種由粗到細的脈壓雷達信號調制類型識別方法[J].彈箭與制導學報,2011,31(10):88-90.

[4] 翟孝霏,劉雅軒,陳濤，等.一種快速雷達信號脈內調制識別分析方法[J].現代雷達,2012,34(6):16-19.

Recognition Algorithm of Intra-pulse Modulation Radar signal Based on FPGA

WANG Yu,YANG Guo-bin,WANG Hong

(51st Research Institute of CETC,Shanghai 201802,China)

Aiming at the detection of intra-pulse modulation radar signal,this paper puts forward a real-time extracting technique of intra-pulse modulation characteristic based on field-programmable gate array (FPGA),uses the methods of time-frequency analysis,instantaneous auto-correlation,time-domain accumulation smooth to detect several common intra-pulse modulation radar signals: simple pulse signal,binary phase shift keying (BPSK) signal,quaternary phase shift keying (QPSK) signal,linear frequency modulation (LFM) signal,frequency shift keying (FSK) signal in real time,and extract the intra-pulse modulation modes in real time,and combines the intra-pulse modulation type with general pulse description word (PDW) to form the extension pulse description word (EPDW).The testing results demonstrate that the method has good real-time performance and high precision.

time-frequency analysis;intra-pulse modulation;instantaneous auto-correlation;field-programmable gate array

2017-02-23

TN971.1

A

CN32-1413(2017)02-0051-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.012