基于寬帶接收機的2FSK 信號自動檢測

程 輝，王 峰

（1.通信信息控制和安全技術重點實驗室，浙江 嘉興 314033；2.中國電子科技集團公司第36 研究所，浙江嘉興 314033）

短波通信由于其特殊機理和獨特優勢，一直是中遠程通信的重要手段[1]，廣泛應用于交通、軍事、外交等通信領域。移頻鍵控（FSK）信號因其方法簡單、易于實現、可以異步傳輸、抗噪聲和抗衰落性能[2]較強等特點成為通信領域的重要手段之一，廣泛應用于短波等中低速數據通信。2FSK 信號的檢測方法一直是許多學者關注的焦點[3-7]，傳統方法采用窄帶接收機在指定的頻率上對2FSK 信號進行控守，當信號出現時進行抄收。當需要檢測識別的信號個數增加、信息量變大時,就需要大量的窄帶接收機及人工參與。隨著數字信號處理技術的迅速發展以及軟件無線電技術[8]的成熟應用，基于射頻直接采樣軟件無線電架構設計的短波寬帶接收機應運而生。該架構的短波接收機可以避免復雜的模擬前端對接收設備性能指標的影響，同時也避免了采用窄帶接收機所帶來的設備量巨大等問題。該文闡述的2FSK 信號自動檢測方法基于該寬帶接收機進行設計，可實現短波全頻段范圍內2FSK 信號的實時自動檢測，減少了人工參與，降低了設備成本，解決了信號檢測非實時及漏檢等問題。

1 硬件平臺

目前使用的短波接收機大多是基于軟件無線電理念[9-10]的中頻采樣架構[11-12]，該架構的接收系統需要配備多通道的分波段濾波器、變頻器等模擬前端設備，系統性能受模擬器件影響較大，并且系統體積大、成本高。隨著AD 器件性能的提高，射頻直接采樣技術越來越成熟，該方案提出了短波全帶寬射頻直接采樣方法，該方法采用單通道ADC 對短波全頻段進行射頻直接采樣，瞬時處理帶寬為28.5 MHz，避免了采用多頻段窄帶拼接方式帶來的跳頻、寬帶等跨多個頻段的信號同步及拼接[13]問題。該接收方式不僅在硬件架構上有了明顯的改善，取得了設備小型化的效果，同時降低了設備成本及功耗。圖1 給出了基于射頻直接采樣的短波寬帶接收機原理圖。

圖1 基于射頻直接采樣的短波寬帶接收機原理圖

由圖1 可見，該接收機采用了一路ADC 器件進行采樣，覆蓋了短波信號的全頻段。采樣后的數據在FPGA 內進行數字信號處理，該片FPGA 具備短波全帶寬范圍內的信號檢測能力。該方案設計時選用的ADC 位寬為16 bit，采樣率為100 MHz，無雜散動態范圍大于95 dBc。從前端放大模塊到ADC 的全鏈路范圍的噪聲系數小于12 dB。數字信號處理單元采用Xilinx 公司的XC7K410T 芯片，在FPGA 內完成數字信號處理，實現信號下變頻、抽取、濾波、信號自動檢測等功能，最后，將檢測結果和基帶數據上報給CPU 控制處理單元。CPU 控制處理單元與數字處理單元之間采用TOE 總線進行數據傳輸，這樣的設計既保證了設備的性能指標，又滿足功能設計的需求，極大程度地降低了設備成本。

2 信號自動檢測

基于短波寬帶接收機的2FSK 信號接收處理主要分為兩步：第一步是自動檢測；第二步是信號存儲和后處理。在短波信道中，通常會有多路信號同時出聯在外，需要有相應的偵錄能力。因此，該文闡述的短波寬帶接收機在設計時，支持256 個2FSK 信號的自動檢測及數據偵錄。信號自動檢測流程如圖2所示。

圖2 2FSK信號自動檢測流程

由圖2 可知，在對數字信號進行AD 采樣后，應當對數字信號進行下變頻和抽取濾波等預處理，以抑制有效帶寬之外的所有信號，減少對信號檢測的干擾。預處理后進行基于多相濾波的信道化，信道化后的數據同時送入兩個DDR 緩存。DDR1 緩存用于將各個信道的數據進行重新排序，將每個信道的數據按照數據塊的結構進行輸出，該數據塊作為自動檢測模塊的輸入。DDR2 緩存用于延遲信道化數據，由于自動檢測模塊會帶來處理的延時，為了保障后處理過程中信號起始時刻在時域上的完整性，將信道化之后的數據緩存在DDR2 中。當自動檢測模塊檢測到有效的2FSK 信號后，會從DDR2 緩存中讀取對應的2FSK 信號的信道化數據。然后對信道化數據進行二次變頻及抽取濾波等后處理，最后將基帶IQ 數據落盤，并將檢測結果上報顯控。

2.1 預處理

2FSK 信號的通信頻率在1.5～30 MHz 之間，該頻段信號種類繁多。當ADC 采用寬帶采樣時，復雜的電磁環境對信號處理的影響較大。因此，在采樣后首先要對信號進行變頻濾波[14]，濾波可以減少帶外信號的影響。在濾波前，應增加DDC，將DDC 頻率設置為15.75 MHz，可將短波頻帶的中間移至零頻率，這樣濾波器將需要較少的FPGA 資源和更好的性能。

2.2 數字信道化

寬帶接收模塊可以同時接收和處理多個信號，系統響應時延小，信號截獲概率高。然而，由于信息數據量的指數增加、信道環境的復雜度提升以及信號間混疊等問題，使得寬帶環境下的自動檢測變得更加困難。因此，該方案在進行信號的自動檢測前先進行信道化[15]，信道化后每個信道只有數十千赫茲的帶寬，有利于窄帶信號的檢測，最后將每個信道的檢測結果融合在一起，就實現了整個帶寬范圍內2FSK 信號的檢測。

基于多相濾波的信道化技術的基本思想是采用一個原型低通濾波器組將寬帶信號S(n)均勻分成若干個(D個)子頻帶信號輸出。實信號的多相濾波信道化接收機結構模型如圖3 所示。由圖3 可知，信道化輸出的D個信道化信號yk是正交的復時域信號，后接D個解調器或檢測器就可實現對每路輸出信號的實時解調或信號檢測。

圖3 信道化接收機結構模型（實信號）

如果是復信號，信道間隔為2π/D。濾波器組的低通實現也會有所不同，此處不作詳解，見參考文獻[1]。該文所闡述的方案中信道化通道數為1 024。為了解決相鄰信道頻率范圍間信號質量惡化的問題，信道化模塊采用重采樣技術。

2.3 檢測算法

利用時頻域特性對信號自動檢測進行了分析。通過特征提取和信號判決完成信道化后的自動檢測[16]。短時傅里葉變換的頻譜能夠反映信號幅度隨時間和頻率的變化。為了降低信號檢測的虛警率，同時利用信號的SNR、頻率抖動、帶寬和持續時間進行決策。

信道化后，可以假設每個信道是由窄帶接收機處理的窄帶信號。由于2FSK 信號的窄帶寬，在同一信道中可能出現多個信號。將短時傅里葉變換（STFT）應用于信道化數據，得到信號的時域和頻域特征。短時傅里葉變換是反映信號能量隨時間和頻率分布的時頻分析方法。通過對信號加窗，得到時間窗中信號的傅里葉變換，當窗函數沿時間軸移動時，得到不同時刻信號的傅里葉變換譜。信號x(n)的短時傅里葉變換定義如下：

短時傅里葉變換Xn(ejω)是頻率ω的連續函數，其幅值的平方通常被定義為STFT 的頻譜，反映了STFT 的幅度隨時間和頻率而變化，因為STFT是雙變量函數，所以它可以用被定義為信號的時間-頻率矩陣的二維矩陣來描述。在時間頻率矩陣中，水平方向表示時間變量m，垂直方向表示頻率變量，表示幅度。通過分析2FSK 信號的時頻特性判斷2FSK 信號是否出現。2FSK 信號檢測流程圖如圖4 所示。

圖4 2FSK信號檢測流程圖

2FSK 信號時頻圖給出了信號的時頻域特征。2FSK 信號包含兩個譜峰，為了減少噪聲引起的誤判，首先判決譜峰的信噪比（SNR），信噪比應大于指定門限，文中根據經驗值設置門限為7 dB，該門限也可以根據應用環境的不同由用戶通過顯控界面來設置。其次要判決信號的帶寬，2FSK 信號的兩個譜峰的間距等于調制頻偏的兩倍，若兩個譜峰的間距與目標信號的頻偏不一致，則可以剔除。頻率抖動是由發射機與接收機之間的時鐘同步引起的，因此需要避免由于接收信號頻率的改變而引起的錯誤判斷，這里增加了抖動范圍的判決條件。短波頻段短脈沖串信號較多，因此，增加信號檢測的保持時間條件可以減少干擾信號的誤判。文中將保持時間門限設置為3 s，該參數同樣可以根據應用環境的不同由用戶通過顯控界面來設置。

2.4 后處理

由于信道化通道數為1 024，因此對每個信道都進行信號檢測后，需要對檢測結果進行融合，從而獲取全頻段范圍內2FSK 信號的檢測結果。然后，利用檢測結果來提取DDR 緩存中對應的信道化數據。由于數據上傳給CPU 處理板的總線容量的限制，需要把檢測到的有效信號對應的信道化數據進行抽取后再上傳。因此，信號檢測后需要完成的后處理主要包括多信道檢測結果的融合、信道化數據提取、DDC、抽取濾波及打包等操作，最后將目標信號的基帶IQ 數據上傳給CPU 控制處理單元。

3 檢驗結果

在實驗室環境下，利用Matlab 對數據采集的2FSK 樣本進行信號處理，使用信號源SMBV100A進行信號傳輸，將信號頻率設定在1.5、3、10、20 和30 MHz。連續發送2FSK 信號5 s，再斷開信號5 s，信噪比設置為10 dB，測試2FSK 信號的檢測概率如表1所示。

表1 2FSK檢測概率

在現場測試環境中，采用短波寬帶接收機和當前使用的窄帶接收機同時檢測由同一天線接收的2FSK 信號。由于窄帶接收機只能針對指定的窄帶頻段內的信號進行檢測，因此，同時啟動了三臺窄帶接收機，在窄帶接收機上可檢測的所有信號也可以在寬帶接收機上檢測。然而，由于有限的檢測能力，在窄帶接收機上檢測到的信號數目明顯小于寬帶接收機的信號數目。圖5 顯示了寬帶接收機檢測到的2FSK 信號的時頻圖。黑色線條表示基于寬帶接收機的識別結果，灰色線條表示兩個接收機同時識別出的結果從圖中可以看出，該文闡述的接收機可以減少漏警率，并且可以實現短波全頻段范圍內的信號識別。

圖5 2FSK信號自動檢測結果的頻率時間分布圖

4 結束語

該文提出了一種利用短波寬帶接收機實現2FSK 信號自動檢測的方案。文中闡述了2FSK 信號檢測的具體過程以及驗證該方法可行性的試驗結果。短波寬帶接收機采用射頻直接采樣技術，減少了復雜模擬前置設備對接收設備性能的影響，實現了模擬設備的小型化，具有全帶寬、高靈敏度、大動態等特點。自動檢測技術可以降低人力和時間成本，具有一定的應用推廣價值。該方法也適用于其他類型短波信號的自動檢測。