CN111239700A - 基于fpga的高斯白噪声发生器及压制干扰模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的高斯白噪声发生器和压制干扰模拟器，属于雷达技术领域。该模拟器采用多模块方式检测得到雷达信号的PDW信息，并在此基础上，引导模拟器利用FPGA产生相关压制干扰；同时本方法采用新型高斯白噪声生成算法，利用Combined‑Tausworthe算法产生均匀随机数，然后通过Box‑Muller算法将均匀随机数转换成高斯白噪声；同时本设备可以实现不同带宽、不同类型的干扰信号，满足多型号多类型的雷达抗干扰性能检测需要，操作方便简单；产生的噪声信号效果逼真，应用广泛。

Description

基于FPGA的高斯白噪声发生器及压制干扰模拟器
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，特别涉及雷达信号模拟技术领域，具体是指一种基于FPGA的高斯白噪声发生器及压制干扰模拟器。
背景技术
在电子对抗领域，为了掩护真实目标不被对方发现，需要对敌方雷达进行有效的干扰，而干扰信号的质量直接决定着干扰的有效性。通常，雷达干扰技术可以分为压制干扰和欺骗干扰。其中，压制干扰旨在充分降低雷达接收机中的信号质量，以使雷达无法截获或跟踪目标，可以在缺乏先验知识的基础上，对雷达形成有效的干扰。压制干扰通常采用噪声波形来破坏雷达的电子防护特性，噪声质量直接决定着干扰效果。传统的压制干扰模拟器使用伪随机数模拟噪声信号，这种形式的噪声信号干扰效果不能达到最优。理想的干扰噪声是高斯白噪声，因此，有必要开发一种基于高斯白噪声的压制干扰模拟器。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种基于FPGA的高斯白噪声发生器和压制干扰模拟器，根据本原多项式使用移位寄存器产生均匀随机数，通过运算转换成高斯白噪声，检波、测幅、测频模块得到雷达信号的PDW信息，根据要求设置FIR滤波器参数，产生相应带宽的噪声。
为了实现上述的目的，本发明的基于FPGA的高斯白噪声发生方法包括以下步骤：
(A)检测获得雷达信号的脉冲描述字信息；
(B)产生均匀分布随机数；
(C)将所述的均匀分布随机数转换为高斯分布随机数，并基于所述的高斯分布随机数产生高斯白噪声。
该基于FPGA的高斯白噪声发生方法中，所述的步骤(B)具体为：
利用移位寄存器，采用Combined-Tausworthe算法，基于本原多项式和模2运算产生TURN序列，并将多个所述的TURN序列的输出进行异或操作，得到所述的均匀分布随机数。
该基于FPGA的高斯白噪声发生方法中，所述的步骤(C)具体为：
利用NIOS模块，基于Box-Muller算法，使用转换方程将所述的均匀分布随机数转换为所述的高斯分布随机数；并基于所述的高斯分布随机数产生高斯白噪声。
本发明还提供一种压制干扰模拟方法，该方法包括以下步骤：
利用上述的基于FPGA的高斯白噪声发生方法产生高斯白噪声；
(D)利用FIR滤波器，根据所述高斯白噪声和脉冲描述字信息，产生相应带宽的干扰模拟噪声信号。
该压制干扰模拟方法中，所述的步骤(D)具体为：
根据预设的中心频率以及带宽值，使用Matlab求得所述的FIR滤波器的参数，对所述参数进行映射和分解，使用移位和加法操作代替乘法操作，产生相应带宽的干扰模拟噪声信号。
本发明还提供一种基于FPGA的高斯白噪声发生器。该基于FPGA的高斯白噪声发生器包括：
检波模块，用以检测获得雷达信号的波形；
测幅模块，用以检测获得雷达信号的幅度；
测频模块，用以检测获得雷达信号的频率；
所述的雷达信号的波形、幅度和频率为雷达信号的脉冲描述字信息；
均匀随机数发生模块，用以产生均匀分布随机数；
NIOS模块，用以将所述的均匀分布随机数转换为高斯分布随机数，并基于所述的高斯分布随机数产生高斯白噪声。
该基于FPGA的高斯白噪声发生器中，所述的均匀随机数发生模块包括移位寄存器，该移位寄存器用以采用Combined-Tausworthe算法，基于本原多项式和模2运算产生TURN序列，并将多个所述的TURN序列的输出进行异或操作，得到所述的均匀分布随机数。
该基于FPGA的高斯白噪声发生器中，所述的NIOS模块，具体用以基于Box-Muller算法，使用转换方程将所述的均匀分布随机数转换为所述的高斯分布随机数；并基于所述的高斯分布随机数产生高斯白噪声。
本发明还提供一种压制干扰模拟器，其包括上述的基于FPGA的高斯白噪声发生器，还包括：
FIR滤波器，用以根据所述高斯白噪声以及所述的脉冲描述字信息，产生相应带宽的干扰模拟噪声信号。
该压制干扰模拟器中，所述的FIR滤波器具体用以根据预设的中心频率以及带宽值，使用Matlab求得所述的FIR滤波器的参数，对所述参数进行映射和分解，使用移位和加法操作代替乘法操作，产生相应带宽的干扰模拟噪声信号。
采用了该发明的基于FPGA的高斯白噪声发生器和压制干扰模拟器，其基于FPGA的高斯白噪声发生器可根据本原多项式使用移位寄存器产生均匀随机数，通过运算转换成高斯白噪声；同时，检波模块、测幅模块、测频模块得到雷达信号的PDW信息，压制干扰模拟器可根据要求设置FIR滤波器参数，产生相应带宽的噪声。
附图说明
图1为本发明的基于FPGA的高斯白噪声发生方法及压制干扰模拟方法的步骤流程图。
图2为本发明的压制干扰模拟器的结构示意图。
图3为本发明的采用的随机数生成器的结构示意图。
图4为利用本发明的基于FPGA的高斯白噪声发生方法产生的高斯白噪声幅度分布示意图。
图5为利用本发明的基于FPGA的高斯白噪声发生方法产生的带限高斯白噪声频谱示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1所示，为本发明的基于FPGA的高斯白噪声发生方法及压制干扰模拟方法的步骤流程图。
在一种实施方式中，该基于FPGA的高斯白噪声发生方法包括以下步骤：
(A)检测获得雷达信号的脉冲描述字信息；
(B)产生均匀分布随机数；
(C)将所述的均匀分布随机数转换为高斯分布随机数，并基于所述的高斯分布随机数产生高斯白噪声。
在优选的实施方式中，所述的步骤(B)具体为：利用移位寄存器，采用Combined-Tausworthe算法，基于本原多项式和模2运算产生TURN序列，并将多个所述的TURN序列的输出进行异或操作，得到所述的均匀分布随机数。
所述的步骤(C)具体为：利用NIOS模块，基于Box-Muller算法，使用转换方程将所述的均匀分布随机数转换为所述的高斯分布随机数；并基于所述的高斯分布随机数产生高斯白噪声。
本发明还提供一种压制干扰模拟方法，在一种实施方式中，该方法包括以下步骤：
利用上述的基于FPGA的高斯白噪声发生方法产生高斯白噪声；
(D)利用FIR滤波器，根据所述高斯白噪声和脉冲描述字信息，产生相应带宽的干扰模拟噪声信号。
在优选的实施方式中，该压制干扰模拟方法中的步骤(D)具体为：
根据预设的中心频率以及带宽值，使用Matlab求得所述的FIR滤波器的参数，对所述参数进行映射和分解，使用移位和加法操作代替乘法操作，产生相应带宽的干扰模拟噪声信号。
本发明还提供一种基于FPGA的高斯白噪声发生器，如图2所示，其包括：
检波模块，用以检测获得雷达信号的波形；
测幅模块，用以检测获得雷达信号的幅度；
测频模块，用以检测获得雷达信号的频率；
所述的雷达信号的波形、幅度和频率为雷达信号的脉冲描述字信息；
均匀随机数发生模块，用以产生均匀分布随机数；
NIOS模块，用以将所述的均匀分布随机数转换为高斯分布随机数，并基于所述的高斯分布随机数产生高斯白噪声。
在优选的实施方式中，所述的均匀随机数发生模块包括移位寄存器，该移位寄存器用以采用Combined-Tausworthe算法，基于本原多项式和模2运算产生TURN序列，并将多个所述的TURN序列的输出进行异或操作，得到所述的均匀分布随机数。所述的NIOS模块，具体用以基于Box-Muller算法，使用转换方程将所述的均匀分布随机数转换为所述的高斯分布随机数；并基于所述的高斯分布随机数产生高斯白噪声。
本发明还提供一种压制干扰模拟器，其包括上述的基于FPGA的高斯白噪声发生器，还包括FIR滤波器，该FIR滤波器用以根据所述高斯白噪声以及所述的脉冲描述字信息，产生相应带宽的干扰模拟噪声信号。
在优选的实施方式中，所述的FIR滤波器具体用以根据预设的中心频率以及带宽值，使用Matlab求得所述的FIR滤波器的参数，对所述参数进行映射和分解，使用移位和加法操作代替乘法操作，产生相应带宽的干扰模拟噪声信号。
在实际应用中，本发明的目的在于开发一种基于高斯白噪声的压制干扰模拟器。
高斯白噪声可以通过均匀分布随机数转换得到。均匀随机数可以由Combined-Tausworthe算法产生。Combined-Tausworthe随机数生成器由若干个Tausworthe随机数生成器组成，每个Tausworthe随机数生成器产生的随机数可以表示为
Figure BDA0002376293440000051
其中，L和s是非零正整数，s是跳变步长，L是随机数的输出位宽，Xj,ns+i-1是一个随机序列，其递归关系式为：
Xj,ns+i-1＝a1Xj,n-1⊕a2Xj,n-2⊕…⊕akXj,n-k
其中，ai是特征多项式P(z)＝zk-a1zk-1-…-ak的系数。当P(z)为本原多项式时，输出序列的周期取得最大值：2k-1。P(z)通常取三项式：P(z)＝zk-zq-1。
由J个Tausworthe随机数生成器构成的Combined-Tausworthe随机数生成器所产生的(0,1)区间内的均匀随机数可以表示为：
Figure BDA0002376293440000052
其中，
Figure BDA0002376293440000053
是第J个Tausworthe随机数生成器的输出。
Box-Muller算法可以将均匀分布随机数转换为高斯分布随机数，它依据的原理是：两组相互独立的高斯分布随机数的平方和服从指数分布。其转换过程可以表示为
Figure BDA0002376293440000054
Figure BDA0002376293440000055
其中，u1和u2是两路均匀分布随机数，α和β是得到的高斯分布随机数。
本发明提出了一种基于FPGA的高斯白噪声发生装置和压制干扰模拟器。其实现方式如下：
硬件方面包括集成检波模块、测频模块和测幅模块，并根据各模块检测结果，检测得到雷达信号的PDW信息。
随机数生成器基于Combined-Tausworthe算法，使用TURN序列生成器产生随机数，并将多个TURN序列生成器的输出进行异或操作，得到均匀分布随机数。TURN序列生成器基于本原多项式和模2运算，使用移位寄存器实现，其反馈抽头由本原多项式决定。
NIOS模块实现运算功能，基于Box-Muller算法，通过转换方程将均匀随机数转换为高斯白噪声。运算操作由NIOS软核实现。
根据要求的中心频率以及带宽值，设置FIR滤波器参数，得到带限的噪声信号。分解FIR滤波器参数，使用移位和加法运算代替乘法运算，从而减少FPGA的资源消耗以及功耗。
具体而言，本发明的基于FPGA实现的高斯白噪声发生器及压制干扰模拟器，如图2所示，包括检波模块，测幅模块，测频模块，随机数生成器，运算模块和FIR滤波器。
检波模块、测幅模块、测频模块测量雷达信号的检波信号、幅度、频率信息，得到雷达信号的PDW信息。
随机数生成器基于Combined-Tausworthe算法，根据本原多项式和移位寄存器生成均匀分布随机数。如图3所示，Combined-Tausworthe随机数生成器的输出un是J个Tausworthe随机数生成器的输出的异或结果。每个Tausworthe随机数生成器由一个L位的寄存器和转换逻辑构成。
NIOS模块基于Box-Muller算法，将随机分布随机数转换为高斯白噪声，使用软核完成运算操作。运算模块获取均匀分布随机数后，完成转换操作，实现如下：
计算均匀分布随机数的正弦值，sin(2πu2)；
计算另一路均匀分布随机数的对数开根号值，
Figure BDA0002376293440000061
相乘得到高斯白噪声，
Figure BDA0002376293440000062
高斯白噪声幅度分布如图4所示。利用上述方法发生的带限高斯白噪声的频谱如图5所示。
根据设定的中心频率以及带宽值，使用Matlab求得FIR滤波器的参数，对参数值进行映射和分解，使用移位和加法操作代替乘法操作，最终得到相应带宽的噪声信号。
采用了该发明的基于FPGA的高斯白噪声发生器和压制干扰模拟器，其基于FPGA的高斯白噪声发生器可根据本原多项式使用移位寄存器产生均匀随机数，通过运算转换成高斯白噪声；同时，检波模块、测幅模块、测频模块得到雷达信号的PDW信息，压制干扰模拟器可根据要求设置FIR滤波器参数，产生相应带宽的噪声。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的高斯白噪声发生方法，其特征在于，包括以下步骤：
(A)检测获得雷达信号的脉冲描述字信息；
(B)产生均匀分布随机数；
(C)将所述的均匀分布随机数转换为高斯分布随机数，并基于所述的高斯分布随机数产生高斯白噪声。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的高斯白噪声发生方法，其特征在于，所述的步骤(B)具体为：
利用移位寄存器，采用Combined-Tausworthe算法，基于本原多项式和模2运算产生TURN序列，并将多个所述的TURN序列的输出进行异或操作，得到所述的均匀分布随机数。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的高斯白噪声发生方法，其特征在于，所述的步骤(C)具体为：
利用NIOS模块，基于Box-Muller算法，使用转换方程将所述的均匀分布随机数转换为所述的高斯分布随机数；并基于所述的高斯分布随机数产生高斯白噪声。
4.一种压制干扰模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用权利要求1所述的方法产生高斯白噪声；
(D)利用FIR滤波器，根据所述高斯白噪声和脉冲描述字信息，产生相应带宽的干扰模拟噪声信号。
5.根据权利要求4所述的压制干扰模拟方法，其特征在于，所述的步骤(D)具体为：
根据预设的中心频率以及带宽值，使用Matlab求得所述的FIR滤波器的参数，对所述参数进行映射和分解，使用移位和加法操作代替乘法操作，产生相应带宽的干扰模拟噪声信号。
6.一种基于FPGA的高斯白噪声发生器，其特征在于，包括：
检波模块，用以检测获得雷达信号的波形；
测幅模块，用以检测获得雷达信号的幅度；
测频模块，用以检测获得雷达信号的频率；
所述的雷达信号的波形、幅度和频率为雷达信号的脉冲描述字信息；
均匀随机数发生模块，用以产生均匀分布随机数；
NIOS模块，用以将所述的均匀分布随机数转换为高斯分布随机数，并基于所述的高斯分布随机数产生高斯白噪声。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA的高斯白噪声发生器，其特征在于，所述的均匀随机数发生模块包括移位寄存器，该移位寄存器用以采用Combined-Tausworthe算法，基于本原多项式和模2运算产生TURN序列，并将多个所述的TURN序列的输出进行异或操作，得到所述的均匀分布随机数。
8.根据权利要求1所述的基于FPGA的高斯白噪声发生器，其特征在于，所述的NIOS模块，具体用以基于Box-Muller算法，使用转换方程将所述的均匀分布随机数转换为所述的高斯分布随机数；并基于所述的高斯分布随机数产生高斯白噪声。
9.一种压制干扰模拟器，其特征在于，包括权利要求6所述的基于FPGA的高斯白噪声发生器，还包括：
FIR滤波器，用以根据所述高斯白噪声以及所述的脉冲描述字信息，产生相应带宽的干扰模拟噪声信号。
10.根据权利要求9所述的压制干扰模拟器，其特征在于，所述的FIR滤波器具体用以根据预设的中心频率以及带宽值，使用Matlab求得所述的FIR滤波器的参数，对所述参数进行映射和分解，使用移位和加法操作代替乘法操作，产生相应带宽的干扰模拟噪声信号。
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