一種跳頻MSK信號檢測算法及FPGA 實現

作者：時間：2011-06-06 來源：網絡

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引言

本文引用地址：http://www.j9360.com/article/191179.htm

　　采用MSK 調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等優點，在軍事通信中應用廣泛。如美軍現役的聯合戰術信息分發系統采用的通信信號，工作帶寬969~1 206 MHz，跳頻速率為70000 多跳/ s，單個頻點駐留時間約為13 s，信號持續時間* s，總共有51個間隔為3 MHz 的信道，碼速率為5 MHz。已知在該工作頻段內主要還存在單頻、窄帶調幅和線性調頻等信號。為了準確截獲并識別目標信號，針對此信號環境設計了一種MSK 信號檢測識別方法，并使用FPGA 進行了設計實現。

　　1 算法設計

　　1.1 寬帶跳頻信號實時檢測算法

　　用現代技術來實現寬帶數字化接收的一個實用的方法是通過信道化技術，實現信道化通常的方法是采用快速傅里葉變換（FFT）。利用FFT技術比用單個濾波器設計法更容易實現，因為FFT所需要的運算量更少。

　　某個由FFT運算輸出的頻率分量，可以看成輸入信號與某個脈沖函數的卷積。因此可以把FFT的每個輸出看成濾波器的脈沖響應函數與輸入信號的卷積。為了處理一個連續的輸入信號。必須在不同時刻對各段數據進行FFT處理。通常，起始點記為n = 0，數據段可以滑動M點，相應的FFT可以寫成：

　M 的值必須隨著輸入信號連續變化，這種運算也叫作短時傅里葉變換（STFT）。

　　FFT的長度和重疊點數是非常重要的參數，這些參數與最小脈寬和頻率分辨率有關，它們決定了接收機的靈敏度。若FFT的長度為N，信號的采樣頻率為f s，那么經FFT計算后，信號的頻率分辨率為：

　　數據重疊點數決定了時間分辨率和處理的最短脈寬，數據重疊率越高，則時間分辨率越高。

　　本設計中使用STFT 的方法實現一個粗測頻引導數字接收機，為覆蓋整個跳頻帶寬，采用700 MHz采樣率對目標信號進行采樣，粗測頻引導精度在1 MHz以內，因此FFT長度選擇為1 024 點，數據重疊率50%，保證時間分辨率在1 s 之內。

　　利用粗測頻接收單元的檢測結果去引導一個精測單元，可以對目標信號進行更為精確的測量和識別。精測單元采用數字正交下變頻的實現方法，數字本振頻率隨粗測引導結果而設置，變頻后的帶寬依據目標信號而確定。

　　1.2 MSK 信號識別算法

　　MSK 信號可以寫成：

　　式中，Tb 為碼元周期，θk 是第k 個碼元的相位常數，取值為nπ， Pk 為二進制雙極性碼元，取值為 1，所以MSK 信號相位分段線性變化，每個碼元周期內相對前*元載波相位上升或下降π/2

　　根據三角函數展開，設θk 起始參考值為0，得：

　　又根據Ik= 1, Qk= 1, 令f L= f c-14Tb, f H=f c+14Tb,MSK 信號經過平方環可得：

　　可知，MSK 信號經過平方運算后，含有2f L 和2fH兩個離散頻率分量，反映在FFT幅度譜上，在這2 個頻點上存在2 個明顯的譜峰，2 個譜峰的距離為1 個碼元速率，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其他信號不具備的，可以根據這些特征對MSK 進行有效的識別。因此，將經過正交下變頻的信號進行平方運算，確定信號出現后對其平方的結果進行FFT處理計算幅度譜，再對譜峰點進行分析即可完成MSK 信號的識別。

　　2 算法的FPGA 實現

　　2.1 算法實現

　　跳頻MSK 信號檢測識別的實現框圖如圖1 所示，采用FPGA 實現，包括短時傅里葉變換（STFT）粗測頻引導、數字正交下變頻、平方運算和幅度譜分析等主要模塊。STFT 粗測頻引導在寬帶條件下進行實時的信號檢測和頻率粗測，測量的結果引導數字正交下變頻模塊，對信號進行變頻、濾波和抽取，得到低采樣速率的零中頻數據，平方運算模塊對零中頻數據進行平方處理，在確定存在信號后，對平方運算模塊的輸出進行FFT運算得到信號的幅度譜，通過幅度譜分析模塊得到最終的識別結果。

　　2.2 高速STFT 實現

　　為了覆蓋整個跳頻帶寬，中頻信號的采樣率設為700MHz，而FPGA 無法直接處理這樣高速率的數據，因此需要采用多路并行處理，即將中頻采樣信號分成4 路，每路175 MHz，這使得在FPGA 中運算成為可能。相應的FFT運算也需要多個運算模塊并行處理，這樣的代價便是增加了硬件資源消耗。數據接收及FFT處理的實現框圖如圖2 所示。