CN101793952A - 一种基于欠采样的电子侦察宽带数字接收信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于欠采样的电子侦察宽带数字接收信号处理方法，本发明方法如下：确定接收机的系统带宽，选择两个采样AD；根据Winograd算法分别对两路AD采集信号做FFT运算，得到第一采样AD的第一频率谱和第二采样AD的第二频率谱；分别对两个频率谱求模；搜索出第一、第二频率谱的模的最大值及其在谱线中的位置，次大值及其在谱线中的位置；最后得到原正弦波分量的频率值。本发明在避免使用复信号的前提下，使得接收机的处理带宽能够突破AD器件采样频率的一半，并提高了处理带宽。

Description

一种基于欠采样的电子侦察宽带数字接收信号处理方法

技术领域

本发明涉及电子侦察宽带数字接收领域中雷达信号的数字处理方法。

背景技术

宽带数字接收机技术是电子侦察领域的一个热门课题，随着处理带宽的增大，对AD的采样率和后续数字信号处理能力的要求也增加，这在工程实现上带来困难。

目前电子侦察宽带数字接收机的处理对象通常是复信号(如数字信道化接收机，见文献[1-4])，如果被采样信号是I、Q两路互相正交的复信号，那么接收机的系统处理带宽等于两路AD的采样速率。但是接收到的雷达信号为单路的实信号，在系统处理带宽较大的时候(特别对于1GHz以上时)，将实信号转换为复信号存在较大的难度：用模拟器件将宽带内的实信号转换为正交两路复信号，其幅相一致性很难达到后端处理的要求；而用数字的方法做正交变换，在硬件中将会消耗过多的逻辑资源，使得正交化和信号处理不能同时在一片器件中完成，增加了工程实现的难度。如果接收信号实信号，那么根据耐奎斯特采样定律，其处理带宽只有AD器件采样频率的一半。

宽带数字接收机是电子侦察数字接收机的发展方向，其特点就是在现有的电子器件水平的基础上，尽可能地提高接收机的处理带宽(目前对接收机的处理带宽要求往往在1GHz以上)。随着对接收机处理带宽要求的日益加大，用模拟器件将宽带实信号转换为复信号的工作难度很大，而用数字的方法做正交变换又不适合复杂度较高的工程实现，因此在这种情况下，接收机只能对单路的实信号进行处理，其处理带宽受到AD器件采样频率的制约，只能达到AD器件采样频率的一半。因此，找到一种在工程较为可行的方法，在避免使用复信号的前提下，使得接收机的处理带宽能够突破AD器件采样频率的一半，并尽量提高处理带宽，成为电子侦察宽带数字接收机急待解决的重点问题。

参考文献

[1]徐文明.数字信道化接收机的FPGA实现[D].南京航空航天大学硕士学位论文，2005.2.

[2]王旭东.基于FPGA的雷达信号侦察数字接收机关键技术研究[D].南京航空航天大学博士学位论文，2007.12.

[3]张棪棪.数字信道化接收机的研究与FPGA实现[D].南京航空航天大学硕士学位论文，2006.12.

[4]张鑫鑫.基于梳状滤波器的宽带数字接收机研究与FPGA实现[D].南京航空航天大学硕士学位论文，2008.12.

[5]Winograd S.On Computing the Discrete Fourier Transform[J].Proc.Nat.Acad.Sci.USA0，1976，73(4)：1005-1006.

发明内容

本发明的目的就是提出一种基于欠采样的电子侦察宽带数字接收信号处理方法，通过对实信号进行处理，可以使得字接收机的处理带宽达到AD的采样频率，这样，比以往的数字接收机的处理带宽增加了一倍(以往数字接收机的处理带宽仅为AD器件的采样频率的一半)，满足在电子侦察领域对宽带接收的需求。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明基于欠采样的电子侦察宽带数字接收信号处理方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)确定接收机的系统带宽f_b，并选择两个采样频率分别为f_s1＝f_b和f_s2＞f_b的采样AD；

(2)根据时间分辨率和频率分辨率确定对两个AD采集信号做FFT的点数N；

(3)根据FGPA的时钟频率范围，确定每路AD输出数据的路数P；

(4)用实验的方式统计接收机的系统噪声的方差σ²；

(5)根据步骤(4)所述的接收机的系统噪声的方差σ²得到第一采样AD的频谱检测门限为

第二采样AD的频谱检测门限为

(6)根据Winograd算法分别对两路AD采集信号做P×(N/P)点FFT运算，得到第一采样AD的第一频率谱和第二采样AD的第二频率谱；

(7)分别对步骤(6)所述的两个频率谱求模；

(8)搜索出第一频率谱的模的最大值K₁₁及其在谱线中的位置P₁₁，次大值K₁₂及其在谱线中的位置P₁₂；搜索出第二频率谱的模的最大值K₂₁及其在谱线中的位置P₂₁，次大值K₂₂及其在谱线中的位置P₂₂；

(9)如果K₁₂＞A₁且K₂₂＞A₂，则转向步骤(10)；如果K₁₁＞A₁且K₁₂＜A₁且K₂₁＞A₂且K₂₂＜A₂，则转向步骤(11)；否则转向步骤(6)；

(10)输入信号中有两个频率分量，则m＝1或2，估计得到两个原正弦波分量的频率值：

转向步骤(6)，其中f′_m、f″_m分别为第一、第二采样AD的投影频率，下同；

(11)输入信号中只有一个频率分量，则m＝1，得到原正弦波分量的频率：

转向步骤(6)。

本发明在避免使用复信号的前提下，使得接收机的处理带宽能够突破AD器件采样频率的一半，提高了处理带宽，有效地满足了在信息时代战争中，对日益增多的超宽带信号雷达的截获和处理需求，并且具备对同时存在的多部雷达的信号的同时处理能力。从实现流程图上看，本算法的计算量小，并且当接收机的工作带宽(即AD的采样率)增加时，只需要改变AD输出数据的路数P以及做FFT的点数N即可，在FPGA内部只增加了少量的资源消耗就可以实现，因此有效地解决了宽带数字接收机中的数据“瓶颈”问题，具备较高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为正弦波分量频率为200MHz和300MHz时的FPGA仿真结果，频率估计的结果为信号“frequency_1”和“frequency_2”，估计值分别为203125和296875，单位为kHz。

图3为正弦波分量频率为100MHz和600MHz时的FPGA仿真结果，频率估计的结果为信号“frequency_1”和“frequency_2”，估计值分别为109375和609375，单位为kHz。

图4为正弦波分量频率为100MHz和700MHz时的FPGA仿真结果，频率估计的结果为信号“frequency_1”和“frequency_2”，估计值分别为93750和703125，单位为kHz。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明对实信号采用两个采样速率接近的AD分别进行采样，设它们的采样速率分别为f_s1和f_s2(f_s1＞f_s2)，那么宽带数字接收机的处理带宽能达到f_s2。并且本发明算法针对的接收信号，可以是单频率成分的正弦波信号，也可以是包含两个频率的多成分信号。

假设接收机的处理带宽为f_b，输入信号x(t)为M个频率在0～f_b之间的正弦波分量叠加，信号模型如(1)式和(2)式所示，其中x(t)是输入信号，x_m(t)是第m个分量，A_m、f_m和分别为第m个分量的幅度、频率和初始相位，且0≤f_m＜f_b。

用两个采样率分别为f_s1和f_s2的AD对信号进行采集，其中f_s≤f_s2＜f_s1＜2_fs。两个AD采集到的信号序列分别如(3)式和(4)式所示，其中n＝0，1，…，L-1。对y₁(n)做离散傅立叶变换(DFT)得到它的频谱Y₁(k)。由于实信号的频谱有正、负频率两个分量，它们对称于f_s1/2，我们仅保留Y₁(k)的前一半(k＜L/2)，用Y₁(k)表示，即(5)式。

Y₁(k)中的谱峰对应的频率值f′_m称作第m个正弦波分量在Y₁(k)中的投影频率。对序列y₂(n)做同样处理，得到Y₂(k)，Y₂(k)中的谱峰对应的频率值f″_m称为第m个正弦波分量在Y₂(k)中的投影频率。投影频率f′_m和f″_m与正弦波分量的真实频率f_m的对应关系见(6)式和(7)式。

从(6)式和(7)式中可以看出，当第m个正弦波分量的频率大于f_s2/2时，就可能产生频率模糊。现在考虑如何利用投影频率f′_m和f″_m解出原正弦波分量的频率f_m。

A.当输入信号中只有一个正弦波分量时，m＝1，需要根据f′₁和f″₁解出原正弦波分量的频率f₁。根据(6)式和(7)式对信号的频率分三段进行讨论：

(1)当f₁＜f_s2/2时，f′₁＝f″₁＝f₁；

(2)当f_s2/2≤f₁＜f_s1/2时，f′₁＝f₁，f″₁＝f_s2-f₁，且f′₁+f″₁＝f_s2；

(3)当f₁≥f_s1/2时，f′₁＝f_s1-f₁，f″₁＝f_s2-f₁，且f′₁-f″₁＝f_s1-f_s2。

从以上分析中可以看出，对于输入信号中只有一个正弦波分量的情况，我们可以利用f′₁、f″₁正确解出信号频率，概括如下：对于频率组合(f′_m，f″_m)，如果满足条件f′_m＝f″_m、f′_m+f″_m＝f_s2、f′_m-f″_m＝f_s1-f_s2之一时，可以根据(8)式解出频率值f_m。而反过来，如果f′_m和f″_m分别是频率值为f_m的正弦波分量在Y₁(k)和Y₂(k)上的投影频率，那么f′_m和f″_m一定满足以上三个条件中的一个，这种情况下，我们称频率组合(f′_m，f″_m)有解，其解为f_m，否则称频率组合(f′_m，f″_m)无解。

B.当输入信号中有两个正弦波分量时，m＝1或2，必须先对投影频率f′₁、f′₂∈Y₁(k)和f′_m、f″₂∈Y₂(k)进行配对，正确配对时，就可用(8)式对两组正确配对分别求解，解出f₁和f₂。这四个投影频率可以有两种配对组合：{(f′₁，f″₁)，(f′₂，f″₂)}和{(f′₁，f″₂)，(f′₂，f″₁)}，现假设{(f′₁，f″₁)，(f′₂，f″₂)}是正确配对组，那么错误配对组合{(f′₁，f″₂)，(f′₂，f′₁)}不可能同时有解，那么可以根据这一特性，就可以在两组配对组合中找出正确的一组：{(f′₁，f″₁)，(f′₂，f″₂)}。

本设计算法利用两个异速采样AD对包含一个或两个频率分量的信号进行采集，通过对采集信号的处理，分辨出信号中频率分量的数量，并估计出各分量的频率值，其算法流程如图1所示，实现方案的算法描述如下：

(1)根据需求确定接收机的系统带宽f_b，并选择两个AD的采样频率分别为f_s1＝f_b和f_s2＞f_b；

(2)根据时间分辨率和频率分辨率确定对两个AD采集信号做FFT的点数N；

(3)根据FGPA的时钟频率范围，确定每路AD输出数据的路数P；

(4)用实验的方式统计接收机的系统噪声的方差σ²：

(5)计算1号AD的频谱检测门限为

计算2号AD的频谱检测门限为

(6)根据文献[5]的Winograd算法分别对两路AD采集信号做P×(N/P)点FFT运算，得到两个频率谱，记为第一频率谱和第二频率谱；

(7)分别对这两个频率谱求模；

(8)搜索出第一频率谱的模的最大值K₁₁及其在谱线中的位置P₁₁，次大值K₁₂及其在谱线中的位置P₁₂；搜索出第二频率谱的模的最大值K₂₁及其在谱线中的位置P₂₁，次大值K₂₂及其在谱线中的位置P₂₂；

(9)如果K₁₂＞A₁且K₂₂＞A₂，则转向步骤(10)，如果K₁₁＞A₁且K₁₂＜A₁且K₂₁＞A₂且K₂₂＜A₂，则转向步骤(11)，否则转向步骤(6)；

(10)输入信号中有两个频率分量，根据“B.”中的方法估计两个频率值，转向步骤(6)；

(11)输入信号中只有一个频率分量，根据(8)式估计频率值，转向步骤(6)；

在FPGA中实现本算法，以测试该发明的实用性与正确性。用Matlab产生两路AD(第一AD的采样频率为1GHz，第二AD的采样频率为960MHz)采集到的实信号，并用Multisim软件对FPGA设计进行仿真，令输入信号为实连续波信号，其中两个正弦波分量的幅度相等，频率分别为(200MHz，300MHz)、(100MHz，600MHz)和(100MHz，700MHz)，仿真结果分别为附图中的图(2)、图(3)和图(4)。其中图(2)中得出的仿真结果频率为203125Hz和296875Hz，图(3)中得出的仿真结果频率为109375Hz和609375Hz，图(4)中得出的仿真结果频率为93750Hz和703125Hz。三个图的结果显示，该FPGA设计基本实现了两信号的实时处理算法，能够对包含两个正弦波频率成分的信号正确地进行频率配对以得到两个频率分量的频率估计值，并且系统处理带宽为960MHz，等于第二AD器件的采样频率。

$x\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_m\left(t\right)---\left(1\right)$

${\stackrel{\&OverBar;}{Y}}_1\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{Y}_1\left(k\right),& k<L/2\\ 0,& k\&GreaterEqual;L/2\end{array}\right.---\left(5\right)$

$f_m^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{f}_m,& f_m<f_{s1}/2\\ f_{s1}-f_m,& f_m\&GreaterEqual;f_{s1}/2\end{array}\right.----\left(6\right)$

$f_m^{\&prime;\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{f}_m,& f_m<f_{s2}/2\\ f_{s2}-f_m,& f_m\&GreaterEqual;f_{s2}/2\end{array}\right.---\left(7\right)$

。

Claims (1)

1.一种基于欠采样的电子侦察宽带数字接收信号处理方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)确定接收机的系统带宽f_b，并选择两个采样频率分别为f_s1＝f_b和f_s2＞f_b的采样AD；

(2)根据时间分辨率和频率分辨率确定对两个AD采集信号做FFT的点数N；

(3)根据FGPA的时钟频率范围，确定每路AD输出数据的路数P；

(4)用实验的方式统计接收机的系统噪声的方差σ²；

(5)根据步骤(4)所述的接收机的系统噪声的方差σ²得到第一采样AD的频谱检测门限为

第二采样AD的频谱检测门限为

(6)根据Winograd算法分别对两路AD采集信号做P×(N/P)点FFT运算，得到第一采样AD的第一频率谱和第二采样AD的第二频率谱；

(7)分别对步骤(6)所述的两个频率谱求模；

(8)搜索出第一频率谱的模的最大值K₁₁及其在谱线中的位置P₁₁，次大值K₁₂及其在谱线中的位置P₁₂；搜索出第二频率谱的模的最大值K₂₁及其在谱线中的位置P₂₁，次大值K₂₂及其在谱线中的位置P₂₂；

(9)如果K₁₂＞A₁且K₂₂＞A₂，则转向步骤(10)；如果K₁₁＞A₁且K₁₂＜A₁且K₂₁＞A₂且K₂₂＜A₂，则转向步骤(11)；否则转向步骤(6)；

(10)输入信号中有两个频率分量，则m＝1或2，估计得到两个原正弦波分量的频率值：

转向步骤(6)，其中f′_m、f″_m分别为第一、第二采样AD的投影频率，下同；

(11)输入信号中只有一个频率分量，则m＝1，得到原正弦波分量的频率：

转向步骤(6)。

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