CN112014810A - 基于fpga的电子侦察信号参数高精度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA的电子侦察信号参数高精度测量方法，包括以下步骤：在上位机中输入检测门限设置方式和固定门限值两个参数，通过PCIe将该参数发送到FPGA；雷达侦察信号经模数转换器得到原始数字信号，并传输至FPGA进行多路数据缓存；对原始数字信号进行分帧处理，对每帧数据做短时傅里叶变换；计算频域数据的频率功率谱，选取频率功率谱的峰值与判决门限做比较，判断是否存在目标信号；对于存在目标信号的频域数据进行敌方雷达的脉冲信号参数的测量。本发明采用频域脉冲检测，能有效提升脉宽、脉冲重复周期等参数的精度；通过频谱的粗测与精测，可在较少资源代价下获取精度较高的频谱测量结果，实时性好。
Description
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，特别涉及一种基于FPGA的电子侦察信号参数高精度测量方法。
背景技术
在现代战争中，获取敌方情报的有效手段是电子侦察，其最大的特点是利用电子技术侦测敌方雷达参数以获取重要情报。它的工作原理是对空间中电磁信号进行截获，通过预处理(放大、下变频等)及后续的信号处理测量出电磁脉冲典型参数。由于敌我双方对战争中主导权的争夺，对侦察系统实时性和测量的敌方雷达参数精度提出了更高的要求，因此有必要研究应用于实时处理系统中的高精度参数测量方法。
传统电子侦察主要基于模拟器件，设备简单，实时性较差，处理能力有限，很难对雷达参数进行高精度的测量，极大的限制了电子侦察机的性能。近年来，大规模集成电路飞速发展，为侦察机提供了硬件支撑，而数字信号处理理论的发展也为参数测量方法提供了理论基础。但一些基于高速器件搭载的平台存在硬件设计复杂、开发困难的缺点，所采用的算法也存在不易编程实现或对精度提升有限的问题，这些缺点或问题均加大了侦察机设计的难度和开发周期。
FPGA(现场可编程门阵列)是一种由用户编程来实现所需逻辑功能的数字集成电路器件，具有高度并行、流水处理的特点，可有效提高处理系统的实时性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于FPGA的电子侦察信号参数高精度测量方法，本发明采用的频域脉冲检测相比时域检测方法性能更优，高速采样和滑窗FFT(重叠一定点数)能有效提升脉宽、脉冲重复周期等参数的精度，而通过频谱精测等手段，可在较少资源代价下获取精度较高的频谱测量结果。同时还具有可编程性强、可移植性强、开发周期短的特点。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
基于FPGA的电子侦察信号参数高精度测量方法，包括以下步骤：
步骤1，在上位机中输入检测门限设置方式和固定门限值两个参数，上位机通过PCIe将该参数发送到FPGA，FPGA根据预定的数据帧格式解析出相应的控制字，并通过寄存器变量对其进行存储；
其中，所述检测门限设置方式为固定门限值或CFAR门限值；
步骤2，雷达信号经过模数转换器将模拟信号转换成原始数字信号，并将原始数字信号传输至FPGA，FPGA将数字信号进行多路数据缓存；
步骤3，对经模数转换得到的原始数字信号进行分帧处理，对每帧数据做短时傅里叶变换，得到对应频域数据；选取频率功率谱的峰值与判决门限做比较，判断是否存在目标信号；
步骤4，对于存在目标信号的频域数据进行敌方雷达的脉冲信号参数的测量，得到敌方雷达的脉冲信号参数测量值；
其中，敌方雷达的脉冲信号参数包含脉冲宽度、脉冲重复周期、脉冲到达时间、信号频率和信号幅度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明摒弃了之前时域法进行脉冲检测的方法，而采用频域检测方法。频域检测将时间窗内的信号能量积累到对应频点，将获得频域处理增益，提升频域的信噪比，有利于大动态范围内准确的检测信号。
(2)本发明采用了粗测频加精测频的设计方案，大幅降低处理时间的同时，有效提高了频率和幅度的测量精度。由于ADC的采样率为3GHz，如果通过FFT达到1MHz的测频精度，FFT长度为3000点，在FPGA内部实现时计算时间太长，无法达到系统实时性的要求。而本发明采用的粗测加精测方案，是先对信号做256点FFT得到粗测的频率，然后在粗测频率的两侧设计一组等间隔的滤波器，将时域数据通过这一组滤波器，比较滤波器的输出，根据最大输出滤波器的编号得到精测频频率。这种粗测+精测的方案使得处理时间大大减少，系统实时性得到有效提高。此外，测频精度可通过调节带通滤波器间隔和滤波器个数来实现，使用较为灵活。
(3)本发明通过上位机输入检测门限设置方式、下发固定门限等参数，同时显示FPGA上报的脉冲描述字(PDW)参数，上位机界面简洁，支持参数灵活调节，方便用户实时输入各种参数和获取雷达脉冲参数测量结果，交互性强。
(4)本发明摒弃了之前用UART低速串口来进行上位机和FPGA的通信方式，而采用PCIe传输。上位机将各项参数通过PCIe发送到FPGA，FPGA进行参数的解析。雷达脉冲参数测量完成后，将测量结果上报给上位机。这种高速数据传输方式使一端能快速响应另一端的指令，大大提高了通信效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明基于FPGA的电子侦察信号参数高精度测量方法的信号处理流程图。
图2是本发明实施例的三级级联短时傅里叶变换处理流程图；
图3是本发明实施例中的精测频率功率谱图；
图4为本发明一种实施例的FPGA内部ILA抓取信号结果的页面截图；
图5为本发明另一种实施例的FPGA内部ILA抓取信号结果的页面截图；
图6为本发明实施例的上位机界面输入参数及PDW参数显示界面截图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
参考图1，本发明提供的基于FPGA的电子侦察信号参数高精度测量方法，包括以下步骤：
步骤1，在上位机中输入检测门限设置方式和固定门限值两个参数，上位机通过PCIe将该参数发送到FPGA，FPGA根据预定的数据帧格式解析出相应的控制字，并通过寄存器变量对其进行存储；
其中，所述检测门限设置方式为固定门限或CFAR门限；
示例性地，当检测门限设置方式为固定门限时，则输入固定门限值；当检测门限设置方式为CFAR门限时，则不需要输入固定门限值；门限参数为32位宽。
步骤2，雷达信号经过模数转换器由模拟信号转换成原始数字信号，并将原始数字信号传输至FPGA，FPGA将数字信号进行多路数据缓存；
具体地数据缓存方式为：定义一个数据位宽为16*16bit的RAM，深度下限视处理延时而定。
步骤3，对经模数转换得到的原始数字信号进行分帧处理，对每帧数据做短时傅里叶变换，得到对应频域数据；选取频率功率谱的峰值与判决门限做比较，判断是否存在目标信号；
在FPGA中，每帧时域数据做短时傅里叶变换的具体实现过程为：每帧数据为256点，采用二维矩阵的快速傅里叶变换(FFT)进行计算：
示例性地，参考图2，基于二维矩阵的FFT计算方法实现时分为三级结构：第一级为16个FFT IP，第二级为16个Cordic IP，第三级同样为16个FFT IP。其中，Cordic IP核用于产生算法所需的旋转因子(正余弦角度值)。将原始16路数据直接输入到第一级FFT IP中，然后将结果与Cordic IP实时产生的旋转因子相乘，最后再将结果输入到第三级FFT IP。对第三级的结果需进行重排，得到正常顺序的频域序列。
所述判断是否存在目标信号的实现过程为：
(3a)定义一个32bit位宽的寄存器，用来存储判决门限值；
当检测门限设置方式为固定门限时，直接将上位机传输的固定门限值作为判决门限；
当检测门限设置方式为CFAR门限时，选取设定数目的噪声频点，由选取的噪声频点的功率值得到判决门限值；
(3b)定义一个比较器，用来比较频率功率谱峰值与判决门限的大小，当频率功率谱峰值大于判决门限时，判定为存在目标信号，则转入步骤4处理，否则判定为不存在目标信号，不再做后续处理。
(3c)定义一个寄存器，用来存储判决门限值；
当检测门限设置方式为固定门限时，直接将上位机传输的固定门限值作为判决门限；
当检测门限设置方式为CFAR门限时，选取l个噪声频点，对l个噪声频点的噪声功率值求平均，得到判决门限值；8≤l≤32；
(3d)定义一个比较器，用来比较频率功率谱峰值与判决门限的大小，当频率功率谱峰值大于判决门限时，判定为存在目标信号，则转入步骤4处理，否则判定为不存在目标信号。
步骤4，对于存在目标信号的频域数据进行敌方雷达的脉冲信号参数的测量，得到敌方雷达的脉冲信号参数测量值；
其中，敌方雷达的电磁脉冲参数包含脉宽、脉冲重复周期、到达时间、信号频率和信号幅度；
(4a)对于存在目标信号的频域数据，进行脉冲上升沿时刻和脉冲下降沿时刻的检测；
(4b)脉宽的测量：定义一个16位的时间计数器，记录脉冲上升沿和下降沿时间窗对应的计数值，两者之差即为信号脉宽。从计数原理可知，最恶劣情况下脉宽测量理论偏差不会超过2个时间窗长度。本设计中，时间窗长为85.3ns，则最差情况下脉宽测量误差不超过0.17us。
(4c)到达时间(TOA)测量：上升沿到来时刻锁存系统时间计数器值，将其转换为时域时间即为脉冲到达时间。根据实时频域检测的原理可知，TOA测量的最大误差为1个时间窗长度，即85.3ns。
(4d)脉冲重复周期测量：相邻两个脉冲到达时间之差即为脉冲重复周期。根据重复周期的计算原理，其最大测量误差应为TOA的两倍，即0.17us。
(4e)信号频率的测量：
首先，根据FFT后的频率功率谱，得到粗测频率值，即频率功率谱峰值对应的频点值fx；
然后，在fx-Δf～fx+Δf范围内，设计一组滤波器，其相邻滤波器的中心频率间隔为df，将步骤2缓存的原始数字信号即时域信号输入该组滤波器，得到精测频谱。Δf为预设频率裕量。结果如图3所示。
精测频谱的实现过程为：
(a)频域数据的正频部分为128个频点，对每个频点设计一组滤波器；
(b)精测频率采用查找表滤波法，滤波系数查表获得并预先用MATLAB生成；
(c)由于FPGA内部是定点运算，将每个滤波系数量化为一定位宽的定点数，存放在FPGA内的ROM中；
(d)设每个滤波器的输出能量为
求取{bk}的最大值对应的序号km，则精测频率为fx-Δf+(km-1)df。
滤波系数产生过程为：用MATLAB生成相应的滤波器系数，再根据FPGA内部计算方式，将浮点滤波器系数量化为为一定位宽的定点数，存放于FPGA内的ROM中。
设每个滤波器输出能量为
求取{bk}的最大值对应的序号km，则精测频频率为fx-Δf+(km-1)df。
本设计中，设计
测频误差在
以内。检测到信号存在时，通过一个使能信号启动精测频模块。根据粗测频频谱峰值索引值计算ROM读的起始地址，将滤波器系数从ROM中依次读出。滤波系数读出后和缓存的原始时域数据做内积得到滤波器输出能量值。
由于FPGA为并行流水处理，则每隔一个时钟周期输出一个滤波器能量值；将当前时钟周期输出与上一时钟周期输出做比较，保留较大者，直至所有滤波器均输出能量值后，得到最大滤波器输出，该最大值的索引号即为km，带入精测频率公式计算得到精测频率值。
(4f)幅度测量：与频率测量步骤相同，得到滤波器输出最大能量值后，再对其进行开方，得到信号幅度值。
最后，将测量所得的脉冲信号参数即脉冲描述字(PDW)按照通信协议进行数据帧的拼装，然后FPGA通过PCIe将数据帧发送到上位机，上位机通过界面进行显示。
本发明使用Xilinx Kintex UltraScale系列xcku060-ffva1517-2-i型芯片实现整个发明流程，但不局限于该型号。Kintex UltraScale系列拥有丰富的运算(主要是硬件乘法器)和存储资源，算法处理需要的大量运算和滤波器系数的存储都可很好满足。由于无需外部扩展存储器，可有效简化硬件接口设计，降低硬件设计和程序编写的复杂度。
实测实验
下面验证上位机参数的正确下发以及PDW参数的正确上报和显示。
实测实验1：验证本发明方法雷达脉冲信号参数测量结果的正确性。
将信号源发射的信号输入到ADC，信号源各项参数设置为幅度-10dBm，频率1.85GHz，脉宽400ns，脉冲重复周期(PRI)40us。使用Xilinx Kintex UltraScale系列xcku060-ffva1517-2-i型芯片实现整个发明流程，采用本发明方法进行信号源脉冲信号参数的测量，结果如图4和图5所示，图4为通过ILA抓取各项参数测量值结果图，从图中可以看出，频率为2526，转换为真值就是
脉宽为5，转换为真值就是5*85.3＝426.5ns；PRI为468，转换为真值就是468*85.3＝39920.4ns。该结果与信号源设置值比较，可以看出本发明方法的误差均在理论范围内。
改变信号源信号参数，频率设置为1.75GHz，脉宽1us，PRI20us。对应的测量结果如图5所示，频率为2389，转换为真值就是
脉宽为13，转换为真值就是13*85.3＝1108.9ns；PRI为234，转换为真值就是234*85.3＝1996.02ns，与信号源设置值之间的误差均在理论范围内。证明本发明可对电子侦察信号参数进行高精度测量。
实测实验2：验证上位机与FPGA数据传输的准确性。
图6为上位机输入参数及本发明参数测量结果显示界面。比较图4和图6参数测量值结果。上位机界面选择固定门限，固定门限值设置为2560。通过ILA抓取FPGA内部存放门限值的oThreshValue寄存器，可以看到其值为2560，和上位机界面输入一致，证明参数下发的正确性。ILA同样抓取到参数测量结果，频率为2526，转换为真值就是
脉宽为5，转换为真值就是5*85.3＝426.5ns；PRI为468，转换为真值就是468*85.3＝39920.4ns。由图5上位机PDW参数界面可以看到上位机显示出的参数测量值和FPGA内部测量值一致，由此证明PDW上报和显示的正确性。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (7)
1.基于FPGA的电子侦察信号参数高精度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在上位机中输入检测门限设置方式和固定门限值两个参数，上位机通过PCIe将该参数发送到FPGA，FPGA根据预定的数据帧格式解析出相应的控制字，并通过寄存器变量对其进行存储；
其中，所述检测门限设置方式为固定门限值或CFAR门限值；
步骤2，雷达信号经过模数转换器将模拟信号转换成原始数字信号，并将原始数字信号传输至FPGA，FPGA将数字信号进行多路数据缓存；
步骤3，对经模数转换得到的原始数字信号即时域数据进行分帧处理，对每帧时域数据做短时傅里叶变换，得到对应频域数据；选取频率功率谱的峰值与判决门限做比较，判断是否存在目标信号；
步骤4，对于存在目标信号的频域数据进行敌方雷达的脉冲信号参数的测量，得到敌方雷达的脉冲信号参数测量值；
其中，敌方雷达的脉冲信号参数包含脉宽、脉冲重复周期、到达时间、信号频率和信号幅度。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的电子侦察信号参数高精度测量方法，其特征在于，所述对每帧时域数据做短时傅里叶变换的具体实现过程为：每帧数据为256点，采用二维矩阵的短时傅里叶变换进行计算：
(3a)采用三级级联结构，第一级为16个16点的FFT IP核、第二级为16个Cordic IP核、第三级为16个16点的FFT IP核；
(3b)将16路并行原始数字信号直接输入到第一级FFT IP核，进行按列做短时傅里叶变换，然后将第一级变换结果与第二级Cordic IP核生成的旋转因子相乘后送入第三级FFTIP核，在第三级中进行按行做短时傅里叶变换；最后将第三级FFT结果进行按列重排，得到一维频域序列。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的电子侦察信号参数高精度测量方法，其特征在于，所述判断是否存在目标信号的实现过程为：
(3c)定义一个寄存器，用来存储判决门限值；
当检测门限设置方式为固定门限时，直接将上位机传输的固定门限值作为判决门限；
当检测门限设置方式为CFAR门限时，选取l个噪声频点，对l个噪声频点的噪声功率值求平均，得到判决门限值；8≤l≤32；
(3d)定义一个比较器，用来比较频率功率谱峰值与判决门限的大小，当频率功率谱峰值大于判决门限时，判定为存在目标信号，则转入步骤4处理，否则判定为不存在目标信号。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的电子侦察信号参数高精度测量方法，其特征在于，所述对于存在目标信号的频域数据进行敌方雷达的脉冲信号参数的测量，其具体实现过程为：
(4a)对于存在目标信号的频域数据，进行脉冲上升沿时刻和脉冲下降沿时刻的检测，得到每帧数据对应的脉冲上升沿时刻和脉冲下降沿时刻；
(4b)脉宽的测量：定义一个16位的时间计数器，记录脉冲上升沿时刻和脉冲下降沿时刻对应的计数值，两者之差即为信号脉宽；
(4c)到达时间测量：锁存脉冲上升沿时刻的计数器值，将其转换为时域时间即为脉冲到达时间；
(4d)脉冲重复周期测量：相邻两个脉冲到达时间之差即为脉冲重复周期；
(4e)信号频率的测量：
首先，根据频率功率谱，得到粗侧频率值，即为频率功率谱峰值对应的频点值fx；
然后，在fx-Δf～fx+Δf范围内，设计一组滤波器，其相邻滤波器的中心频率间隔为df，将步骤2缓存的原始数字信号即时域信号输入该组带通滤波器，得到精测频谱；Δf为预设频率裕量；
(4f)幅度测量：与频率测量步骤相同，得到滤波器输出最大能量值后，再对其进行开方，得到信号幅度值。
5.根据权利要求4所述的基于FPGA的电子侦察信号参数高精度测量方法，其特征在于，所述精测频谱的实现过程为：
(a)频域数据的正频部分为128个频点，对每个频点设计一组滤波器；
(b)精测频率采用查找表滤波法，滤波系数查表获得并预先用MATLAB生成；
(c)由于FPGA内部是定点运算，将每个滤波系数量化为一定位宽的定点数，存放在FPGA内的ROM中；
(d)设每个滤波器的输出能量为
求取{bk}的最大值对应的序号km，则精测频率为fx-Δf+(km-1)df。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA的电子侦察信号参数高精度测量方法，其特征在于，所述每个滤波器的输出能量的计算过程为：
首先，当步骤3判断为当前帧数据存在目标信号时，当前帧数据的时间窗内脉冲输出高电平，该高电平触发一个使能信号启动精测频模块，将滤波器系数从ROM中依次读出；
其次，根据粗测频频率谱的峰值对应编号计算ROM读出的起始地址；
最后，采用读出的滤波系数与步骤2中缓存的时域数据做内积，得到滤波器的输出能量值。
7.根据权利要求5所述的基于FPGA的电子侦察信号参数高精度测量方法，其特征在于，所述求取{bk}的最大值对应的序号km的实现过程为：由于FPGA为并行流水处理，则每隔一个时钟周期输出一个滤波器能量值；将当前时钟周期输出与上一时钟周期输出做比较，保留较大者，直至所有滤波器均输出能量值后，得到最大滤波器输出，该最大值的索引号即为km，带入精测频率公式计算得到精测频率值。
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