CN108063641A - 单通道多信号检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种单通道多信号检测方法，旨在提供一种运算量小、资源消耗低，能够减少信号频谱毛刺的检测方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在星载信号处理平台上，AD模块对接收信号采样后送给FPGA，FPGA对接收带宽内信号进行抽取、数字下变频、滤波预处理得到基带IQ数据，将基带IQ数据送至FFT模块进行快速傅氏变换FFT运算，对FFT模块输出计算频谱包络，对频谱包络进行N次最大保持累积处理后送至DSP，DSP对频谱包络进行对数计算、双平滑处理、频谱包络变化率计算，对频谱包络变化率进行分割以检测信号，检测起点和终点的中间值为信号频率，检测终点与起点之差为信号带宽，完成单个信号检测，依次循环获取多信号参数值，直到结束整个检测流程。
Description
技术领域
本发明涉及一种对电子接收信道中多信号的检测方法。
背景技术
由于当今无线电通信技术快速发展、通信频段不断扩展、频谱空间资源日益拥挤以及各种复杂调试信号的应用，导致现在无线电通信侦收所面临的电磁环境更加复杂。通信接收信道中存在的可能不仅仅是一种信号,而是两种或两种以上的混合信号，信号淹没在噪声中无法直观分辨。而且存在各种人为的有意干扰和各种自然辐射产生的无意干扰,这些因素形成了时域高度密集、频谱混叠严重、空间相互交错的复杂电磁环境。随着异构通信网络的广泛应用，由于频谱的密集利用，单通道内出现两个或多个信号的现象也越来越常见。由于单通道混合信号在时域和频域上是部分或完全重叠的，无法使用传统的时域或频域滤波的方法对混合信号分离。针对当前无线电通信接收信道多采用宽开、大动态，由此带来的接收带宽内信号数量增加、同时多个信号混叠等现象，提高接收处理设备的多信号检测处理能力，成为无线电通信侦收亟待解决的问题。
现阶段国内外对于单通道内同时出现的频谱不混叠的多信号检测，通常采用谱分析的方法，主要通过预设信号门限，检测到连续过门限频谱作为信号判决依据。由于噪声的随机性在没有信号的情况下也可能会偶尔超过门限值，有信号的时候也可能偶尔低于门限。该种检测方式存在抗干扰能力弱，当强弱信号同时存在时，弱信号易被误判成噪声或者与强信号识别为同一信号等确定。
发明内容
本发明针对无线电通信侦收所处的复杂电磁环境下，接收处理设备对单通道频谱不重叠的多信号进行信号检测的需求，提供一种信号稳定，可靠性、鲁棒性高，运算量小、资源消耗低、可移植性强，能够减少信号频谱毛刺的单通道多信号检测方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是.一种单通道多信号检测方法，具有如下技术特征：在星载信号处理平台上，信道模块通过接收通道对天线接收信号进行模拟变频、滤波、放大输出；AD采样模块对接收信道的模拟信号进行模数AD采样，并送给现场可编程门阵列FPGA对接收带宽内的信号进行抽取、数字下变频、滤波预处理得到基带IQ数据，将基带IQ数据送至FFT处理模块进行快速傅氏变换算法FFT运算，对FFT处理模块输出的实部和虚部进行平方再开方计算频谱包络，对频谱包络进行N次最大保持累积处理，将累积后频谱包络数据送至数字信号处理器DSP中，DSP对频谱包络数据进行对数计算，获取分贝dB形式的频谱数据，在频域内对频谱数据进行长度为L的频谱滑动窗的最大值平滑及均值平滑处理来消除频谱中“毛刺”，以降低连续谱的幅值差，差分计算平滑后的频谱包络变化率，然后根据设置门限检测单通道多信号，采用多门限对频谱包络变化率进行分割处理，计算信号频率和带宽；针对频谱包络变化率与设置门限对检测状态从开始状态到检测信号终点进行状态转换，将检测起点和检测终点中间值作为信号检测频率，检测信号的终点减去起点作为信号检测带宽，完成一个信号的检测流程，依次循环获取多信号参数值，直到将整个接收频段的多信号检测完毕，结束整个检测流程。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
信号稳定性。本发明在信号处理设备中，信道模块通过接收通道对天线接收信号进行模拟变频、滤波、放大输出；AD采样模块对接收信道的模拟信号进行模数AD采样，并送给现场可编程门阵列FPGA对接收带宽内的信号进行抽取、数字下变频、滤波预处理得到基带IQ数据，将基带IQ数据送至FFT处理模块进行快速傅氏变换算法FFT运算，对FFT处理模块输出的实部和虚部进行平方再开方计算频谱包络，对频谱包络进行N次最大保持累积处理，将累积后频谱包络数据送至数字信号处理器DSP中，采用多次频谱累积，提高了信号稳定性；
可靠性、鲁棒性高。本发明差分计算平滑后的频谱包络变化率，然后采用多门限对频谱包络变化率进行分割处理，计算信号频率和带宽；通过对接收信号频谱累积、对数计算、多次平滑处理、变化率等预处理，提高了多信号检测工程实现的可靠性；用多门限对频谱包络变化率进行分割处理检测多信号，采用多门限对变化率进行分割处理获得每个信号起止点位置、最后计算出每个信号的频率、带宽及幅度等参数，鲁棒性强。
运算量小、资源消耗低、可移植性强。本发明采用FPGA对接收通道预处理后的基带IQ数据进行FFT运算、频谱包络计算、并对频谱包络数据进行N次最大保持累积预处理，消除单次频谱中信号的随机性，运算量较小；差分计算平滑后的频谱包络变化率，然后采用多门限对频谱包络变化率进行分割处理，计算信号频率和带宽，对平滑后的频谱包络进行差分计算获取频谱包络变化率，资源消耗低。基于频谱包络变化率的多信号检测，提高了弱信号的检测概率，可移植性强等特点。工程化应用在星载平台的通信信号处理设备接收处理模块，实时性较高。
减少了信号频谱毛刺。本发明采用DSP首先对频谱包络数据进行对数计算，获取数据库分贝dB形式的频谱数据，在频域内对频谱数据进行长度为L的频谱滑动窗的最大值平滑的均值平滑处理来消除频谱中“毛刺”。DSP对频谱包络进行频域滑动窗最大值平滑处理和均值平滑处理的双平滑处理方法，消除信号频谱中“毛刺”，降低连续谱差值；采样双平滑处理措施减少了信号频谱中的“毛刺”。
本发明还可以推广应用到机载、舰载、地面等电子侦察系统平台中。
附图说明
为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图给出最佳实施用例，从而使本发明的细节和优点变得更为明显。
图1是本发明单通道多信号检测流程示图。
图2是图1频谱包络变化率分割示意图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，在星载信号处理平台上，信道模块通过接收通道对天线接收信号进行模拟变频、滤波、放大输出；AD采样模块对接收信道的模拟信号进行模数AD采样，并送给现场可编程门阵列FPGA对接收带宽内的信号进行抽取、数字下变频、滤波预处理得到基带IQ数据，将基带IQ数据送至FFT处理模块进行快速傅氏变换算法FFT运算，对FFT处理模块输出的实部和虚部进行平方再开方计算频谱包络，对频谱包络进行N次最大保持累积处理，将累积后频谱包络数据送至数字信号处理器DSP中，DSP首先对频谱包络数据进行对数计算，获取数据库dB形式的频谱数据，在频域内对频谱数据进行长度为L的频谱滑动窗的最大值平滑的均值平滑处理来消除频谱中“毛刺”，以降低连续谱的幅值差，差分计算平滑后的频谱包络变化率，然后采用多门限对频谱包络变化率进行分割处理，计算信号频率和带宽；当频谱包络变化率大于DSP设置上升沿检测门限Sth1时，检测状态从无信号状态进入信号开始状态，并作为检测信号起点；当频谱包络变化率小于设置上升沿结束门限Sth2时，检测状态从开始状态转换成信号平稳状态；当频谱包络变化率小于设置下降沿门限Sth3时，检测状态从信号平稳状态转换成信号下降沿状态，当频谱包络变化率大于设置下降沿结束门限Sth4时，检测状态从下降沿状态转换成无信号状态，即信号结束状态，并设置检测信号终点；将检测起点和检测终点中间值作为信号检测频率，检测信号的终点减去起点为信号带宽，完成一个信号的检测流程，依次循环获取多信号参数值，直到将整个接收频段的多信号检测完毕，结束整个检测流程。
参阅图2。在频谱包络变化率分割中，接收模块对天线接收信号进行模拟滤波、放大处理后送给后端信号处理设备；信号处理设备中的AD模块对模拟信号进行AD采样；FPGA对接收带宽内的信号进行抽取、数字下变频、滤波等预处理得到基带IQ数据，将基带IQ数据送至FFT处理模块进行快速傅氏变换FFT运算、对FFT输出的实部和虚部进行平方再开方计算频谱包络Si(ω)，对频谱包络进行N次最大保持累积处理，得到最大保持累积之后的频谱包络
SΣ(ω)＝max(Si(ω)),i＝1,2,…,N (1)
Si(ω)为第i次频谱包络，N为累积处理次数。
FFT处理模块将获得的送入数字信号处理器DSP对频谱包络数据SΣ(ω)进行对数计算，得到对数包络Slg(ω)，
Slg(ω)＝20*log(SΣ(ω)) (2)
数字信号处理器DSP根据对数包络Slg(ω)进行双平滑处理，首先进行滑动窗最大值平滑处理，获得第k点最大值平滑处理后频谱对数包络
再进行滑动窗均值平滑处理，获取第k点均值平滑处理后频谱对数包络
式中，L为滑动窗长度，FFTN为快速傅氏变换FFT的点数，为第i点最大值平滑处理后频谱对数包络。
数字信号处理器DSP最后根据第i点之后的M个频谱对数包络值累加和第i点之前的M个频谱对数包络值累加和获取第i点频谱包络变化率Sk(ωi)，
进而获得频谱包络变化率Sk(ω)，其中，是第j点频谱对数包络。
数字信号处理器DSP采用多门限对频谱包络变化率进行包络分割处理方式，在初始化信号检测个数m为0，接收机带宽内频谱包络变化率序号i为0时，开始进行信号检测，检测状态为无信号状态时，DSP首先判断频谱包络变化率Sk(ω)是否大于设置上升沿检测门限正值Sth1，若频谱包络变化率Sk(ω)＜Sth1，频谱序号i＝i+1后检测状态依旧为无信号状态；若频谱包络变化率Sk(ω)＞Sth1，信号状态进入上升状态，并作为检测信号起始点，信号检测个数m加1，该点作为第m个检测信号的起始频率DSP设置上升沿结束门限正值Sth2；然后判断频谱包络变化率Sk(ω)是否小于设置的上升沿结束门限正值Sth2，若Sk(ω)＞Sth2，频谱序号i＝i+1后返回信号上升状态，否则，信号状态转为平稳状态，设置下降沿门限负值Sth3，再判断Sk(ω)是否小于设置的下降沿门限负值Sth3，若频谱包络变化率Sk(ω)＞Sth3门限，频谱序号i＝i+1后返回信号状态转为平稳状态，若频谱包络变化率Sk(ω)＜小于Sth3门限，检测状态从信号平稳状态转换成下降状态，设置下降沿结束门限负值Sth4；根据下降沿结束门限负值Sth4判断Sk(ω)是否大于设置的下降沿结束门限负值Sth4，若Sk(ω)＜Sth4，频谱序号i＝i+1后返回信号状态为下降状态，若Sk(ω)＞Sth4，检测状态从下降状态转换成结束状态，该点作为第m个检测信号的终止频率最后判断频谱序号i是否小于接收机带宽内频谱点数P，若i<P返回到无信号状态，若i＞P则多信号检测结束。完成一个信号的检测流程，依次循环获取多信号参数值，直到将整个接收频段的多信号检测完毕，结束整个检测流程。数字信号处理器DSP将整个接收频段检测完毕，得到频谱分选集{f1，f2，f3，···，fj，···，fm}， 为第j个检测信号的起始频率，为第j个检测信号的终止频率。其中，f1，f2，f3，···，fj，···，fm为频谱包络特征频率，m为检测信号总个数。
数字信号处理器DSP根据频谱分选集，将检测起始点和检测终止点的中间值作为信号检测频率，将检测信号终止点减去起始点作为信号带宽，计算第m个信号检测频率fcm和第m个信号检测带宽BWm
其中，为第m个信号的起始点频率，为第m个信号的终止点频率。
以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，上述实例所描述的是仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，比如可以结合具体的实现改变处理流程和处理顺序、可以选用不同的处理设备和芯片实现本发明的技术方法。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种单通道多信号检测方法，具有如下技术特征：在星载信号处理平台上，信道模块通过接收通道对天线接收信号进行模拟变频、滤波、放大输出；AD采样模块对接收信道的模拟信号进行模数AD采样，并送给现场可编程门阵列FPGA对接收带宽内的信号进行抽取、数字下变频、滤波预处理得到基带IQ数据，将基带IQ数据送至FFT处理模块进行快速傅氏变换算法FFT运算，对FFT处理模块输出的实部和虚部进行平方再开方计算频谱包络，对频谱包络进行N次最大保持累积处理，将累积后频谱包络数据送至数字信号处理器DSP中，DSP对频谱包络数据进行对数计算，获取分贝dB形式的频谱数据，在频域内对频谱数据进行长度为L的频谱滑动窗的最大值平滑及均值平滑处理来消除频谱中“毛刺”，以降低连续谱的幅值差，差分计算平滑后的频谱包络变化率，然后根据设置门限检测单通道多信号，采用多门限对频谱包络变化率进行分割处理，计算信号频率和带宽；针对频谱包络变化率与设置门限对检测状态从开始状态到检测信号终点进行状态转换，将检测起点和检测终点中间值作为信号检测频率，检测信号的终点减去起点作为信号检测带宽，完成一个信号的检测流程，依次循环获取多信号参数值，直到将整个接收频段的多信号检测完毕，结束整个检测流程。
2.如权利要求1所述的单通道多信号检测方法，其特征在于：在检测状态的状态转换中，当频谱包络变化率大于DSP设置的上升沿检测门限Sth1时，检测状态从无信号状态进入信号开始上升状态，并作为检测信号起点；当频谱包络变化率小于设置上升沿结束门限Sth2时，检测状态从上升状态转换成信号平稳状态；当频谱包络变化率小于设置下降沿门限Sth3时，检测状态从信号平稳状态转换成信号下降状态，当频谱包络变化率大于设置下降沿结束门限Sth4时，检测状态从下降状态转换成无信号状态，信号结束，设置检测信号终点。
3.如权利要求1所述的单通道多信号检测方法，其特征在于：在频谱包络变化率分割中，接收模块对天线接收信号进行模拟滤波、放大处理后送给后端信号处理设备中的AD模块对模拟信号进行AD采样。
4.如权利要求3所述的单通道多信号检测方法，其特征在于：FPGA对接收带宽内的AD采样信号进行抽取、数字下变频、滤波等预处理得到基带IQ数据，将基带IQ数据送至FFT处理模块进行快速傅氏变换FFT运算，对FFT输出的实部和虚部进行平方再开方计算频谱包络Si(ω)，对频谱包络进行N次最大保持累积处理，得到最大保持累积之后的频谱包络
SΣ(ω)＝max(Si(ω)),i＝1,2,…,N (1)
式中，Σ为累积频谱包络，ω为频谱包络，Si(ω)为第i次频谱包络，N为累积处理次数。
5.如权利要求2所述的单通道多信号检测方法。其特征在于：数字信号处理器DSP对FFT处理模块送入的累积频谱包络数据SΣ(ω)进行对数计算，得到对数包络Slg(ω)为
Slg(ω)＝20*log(SΣ(ω)) (2)。
6.如权利要求1所述的单通道多信号检测方法，其特征在于：数字信号处理器DSP对对数包络Slg(ω)进行双平滑处理，首先进行滑动窗最大值平滑处理，获得第k点最大值平滑处理后频谱对数包络
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式中，L为滑动窗长度，FFTN为快速傅氏变换FFT的点数，为第i点最大值平滑处理后频谱对数包络。
7.如权利要求6所述的单通道多信号检测方法。其特征在于：数字信号处理器DSP根据第i点之后的M个频谱对数包络值累加和第i点之前的M个频谱对数包络值累加和获取第i点频谱包络变化率Sk(ωi)，
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进而获得频谱包络变化率Sk(ω)，是第j点频谱对数包络。
8.如权利要求2所述的单通道多信号检测方法。其特征在于：在初始化信号检测个数m为0，接收机带宽内频谱包络变化率序号i为0时，数字信号处理器DSP开始进行信号检测，采用多门限对频谱包络变化率进行包络分割处理方式，检测状态为无信号状态时，DSP首先判断第k点频谱包络变化率Sk(ω)是否大于设置上升沿检测门限正值Sth1，若频谱包络变化率Sk(ω)＜Sth1，频谱序号i＝i+1，检测状态依旧为无信号状态；若频谱包络变化率Sk(ω)＞Sth1，信号状态进入上升沿状态，并作为检测信号起始点，信号检测个数m加1，该点作为第m个检测信号的起始频率DSP设置上升沿结束门限正值Sth2；然后判断频谱包络变化率Sk(ω)是否小于设置的上升沿结束门限正值Sth2，若Sk(ω)＞Sth2，频谱序号i＝i+1后返回信号上升状态，否则，信号状态转为平稳状态，设置下降沿门限负值Sth3，再判断Sk(ω)是否小于设置的下降沿门限负值Sth3，若频谱包络变化率Sk(ω)＞Sth3门限，频谱序号i＝i+1后返回信号状态转为平稳状态，若频谱包络变化率Sk(ω)＜小于Sth3门限，检测状态从信号平稳状态转换成下降状态，设置下降沿结束门限负值Sth4；根据下降沿结束门限负值Sth4判断Sk(ω)是否大于设置的下降沿结束门限负值Sth4，若Sk(ω)＜Sth4，频谱序号i＝i+1后返回信号状态为下降状态，若Sk(ω)＞Sth4，检测状态从下降状态转换成结束状态，该点作为第m个检测信号的终止频率最后判断频谱序号i是否小于接收机带宽内频谱点数P，若i<P返回到无信号状态，若i＞P，多信号检测结束。完成一个信号的检测流程，依次循环获取多信号参数值，直到将整个接收频段的多信号检测完毕，结束整个检测流程。
9.如权利要求8所述的单通道多信号检测方法。其特征在于：数字信号处理器DSP将整个接收频段检测完毕，得到频谱分选集{f1，f2，f3，···，fj，…，fm}，其中， 为第j个检测信号的起始频率，为第j个检测信号的终止频率，f1，f2，f3，…，fj，…，fm为频谱包络特征频率，m为检测信号总个数。
10.如权利要求1所述的单通道多信号检测方法。其特征在于：数字信号处理器DSP根据频谱分选集，将检测起始点和检测终止点的中间值作为信号检测频率，将检测信号终止点减去起始点作为信号检测带宽，计算第m个信号检测频率fcm和第m个信号检测带宽BWm：
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其中，为第m个信号的起始点频率，为第m个信号的终止点频率。
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