CN115499279B - 一种基于相位差分的脉内调制类型识别方法 - Google Patents

一种基于相位差分的脉内调制类型识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于相位差分的脉内调制类型识别方法，利用CORDIC计算法计算脉冲信号的瞬时相位，并通过瞬时相位的一阶差分、二阶差分进行脉内调制类型的识别，可实现常规信号、二相编码信号、四相编码信号、线性调频信号、非线性调频信号、频率编码信号的识别，本发明能够避免短时傅里叶变换等复杂运算，且利于FPGA工程实现。

Description

一种基于相位差分的脉内调制类型识别方法
技术领域
本发明涉及雷达信号脉内调制技术，具体涉及一种基于相位差分的脉内调制类型识别方法。
背景技术
随着雷达电子对抗环境的日益复杂，信号密度可达数百万量级，信号样式也更加复杂多变，对雷达的信号的侦察、截获、识别都提出了新的挑战。传统的电子侦察利用包括脉冲重复周期(PRI)、载频(RF)、幅度(PA)、到达时间(TOA)、到达角(DOA)的脉冲描述字进行信号的分选与识别，为了更精确地识别雷达信号、判别雷达属性，还必须对雷达信号的脉内调制类型进行识别。
目前，实现雷达信号调制类型的识别算法，如短时傅里叶变换法、小波变换法、Wigner变换法等，采用的变换大多数比较复杂并且计算量大，在硬件平台上实现难度较大，不能进行实时处理。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于相位差分的脉内调制类型识别方法，本发明基于相位差分能够实现常规信号(NS)、二相编码信号(BPSK)、四相编码信号(QPSK)、线性调频信号(LFM)、非线性调频信号(NLFM)、频率编码信号(FSK)的识别，避免短时傅里叶变换等复杂运算，计算量小且利于FPGA工程实现。
技术方案：本发明的一种基于相位差分的脉内调制类型识别方法，包括以下步骤：
步骤1：将脉冲信号的I分量和Q分量分别作为CORDIC计算法的同相和正交分量的输入，利用CORDIC计算法计算信号的瞬时相位，对CORDIC模块输出的瞬时相位信息做延时处理，得到前后两个时刻的相位信息，计算两个时刻的相位差，并进行相位解绕以得到瞬时一阶相位差；
步骤2：脉冲周期内统计频率范围Δf
通过步骤1所得瞬时一阶相位差计算获得瞬时频率f(n)：
其中，Ts为采样间隔；和/>分别表示后一个时刻点的相位、以及减去前一个时刻点的相位；
然后计算每一个当前瞬时频率点与其前一个瞬时频率点的频率差，如果某一瞬时频率点的频率差的差值大于预设阈值fth1，则认为该瞬时频率点是频率跳变点；
接着计算每一个频率跳变点前相邻M(M取值2至8)个点的瞬时频率均值以及频率跳变点后相邻M个点的均值，若某一频率跳变点的前后两个均值的差值小于预设阈值d，则认为该频率跳变点是相位跳变引起的伪频率跳变点，在统计频率时将该频率跳变点进行剔除；
剔除伪频率跳变点后，在脉冲持续时间内，记录最小频率值和最大频率值，最小频率值和最大频率值的差值即为Δf；
步骤3：步骤2中的频率范围Δf在脉冲结束才能完成计算，采用流水线结构同时进行步骤A调相信号识别和步骤B调频信号识别，直至脉冲结束时刻再根据调频调相类别的判别结果来决定取调相信号模块的判别结果或调频信号识别模块的判别结果；
步骤A、调相信号识别，采用时域累加瞬时自相关方法进行常规信号NS、二相编码信号BPSK和四相编码信号QPSK的判别，具体如下：
步骤A1、为减少相位变化受噪声的影响，对步骤1所得的瞬时一阶相位差进行多点平均，做窗口宽度为W1的一个滑动窗口，每次滑动距离为1，将瞬时一阶相位差每个窗口内的W1个数据取平均以平滑噪声；
步骤A2、对平均后的瞬时一阶相位差做窗口宽度为W2的一个滑动窗口，每次滑动距离为1，对平均后的相位差差分后进行L次累加求和并取模，L＝W2-1；
步骤A3、相位突变由于多次叠加而增强并呈现双峰，采用滑动窗口检测的方法寻找调相信号局部峰值，确定相位跳变点的数目(即局部峰值个数为相位跳变点的数目)并记录相位跳变点的幅值(即相位跳变点位置记录此时对应的峰值)，将跳变点的幅值与设定的BPSK和QPSK的阈值VB和VQ比较，大于VQ的个数记为CQ，大于VB的个数记为CB；
步骤A4、先判断CQ≤2是否成立，如果CQ≤2，则判别为常规信号NS；否则再判断CQ-CB＞2是否成立，若CQ-CB＞2，则判别为QPSK信号，如果CQ-CB≤2，则判别为BPSK信号；
步骤B、调频信号识别，即采用对瞬时二阶相位差进行跳变点检测的方法，实现对频率编码信号FSK、线性调频信号LFM和非线性调频信号NLFM的识别，具体如下：
步骤B1、对步骤1所得瞬时一阶相位差进行差分(即后一个点减去前一个点的一阶相位差)，得到瞬时二阶相位差，采用滑动窗口检测的方法寻找调频信号局部峰值，确定二阶相位差中大于预设阈值VF的跳变点的数目；
步骤B2、同时为确定信号的调频规律，对步骤2中的瞬时频率f(n)，做一个宽度为W3的滑动窗口，计算滑动窗口内的频率变化值fend-fstart，每次保存更新当前的最小频率变化值Δfmin和最大频率变化值Δfmax；fend和fstart分别是指当前窗口内最后一个频率值和第一个频率值；
步骤B3、脉冲结束后，将调频信号局部峰值个数与设定的FSK的跳变点数阈值NF比较，大于NF判别为FSK信号，否则为LFM或NLFM信号；
步骤B4如果Δfmax-Δfmin＜Δfth，认为调频斜率恒定，判别为LFM信号，如果Δfmax-Δfmin≥Δfth，否则判别为NLFM信号；Δfth根据据频率测量误差来设定，如果调频斜率恒定，那么每个窗口的Δf一致，Δfmax和Δfmin也应该一致；
步骤6：脉冲结束时，根据步骤2所得最大频率和最小频率的差值计算出频率范围Δf；
如果频率范围Δf小于预设阈值fth2的判别为调相信号，则将步骤4中的判别结果作为最终脉内调制类型识别结果；
如果频率范围Δf大于预设阈值fth2的判别为调频信号，则将步骤5中的判别结果作为最终的脉内调制类型识别结果。
进一步地，所述步骤S1中相位解绕的方法为：如果相位差大于+180°，就减去360°；如果小于-180°，就加上360°。即统一将相位差折算到[-180°，+180°]范围内对瞬时相位作差并去卷叠，得到-π～π的瞬时一阶相位差。
进一步地，所述步骤A2的详细内容为：对平均后的瞬时一阶相位差做窗口宽度为W2的一个滑动窗口，每次滑动距离为1，对平均后的相位差差分后进行L次累加求和并取模，L＝W2-1；
x(n)和k分别表示第n+k个采样点的一阶相位差、第n个采样点的一阶相位差、累加求和取绝对值后的序列、k表示1到L的累加步进。
进一步地，采用滑动窗口检测方法寻找局部峰值的具体过程：每五点判断一次极大值，即当某一点的幅度值大于其前后两点的幅度值时认为该点为第一个峰值点，并记录当前峰值，窗口计数器为0；继续进行极大值搜索，同时进行窗口计数器的累加，若搜索到下一个峰值时，窗口计数器小于预设值(例如20)，认为搜索到的为双峰的第二个点，将当前的峰值与上一个峰值进行比较，如果当前峰值大于上一个峰值则进行替换，并重新将窗口计数器置0；若窗口计数器大于等于预设值，则记录下当前的峰值点作为局部峰值。
有益效果：本发明利用相位差分实现对雷达信号脉内调制类型的识别，不需要进行短时傅里叶变换等复杂运算。在脉冲接收期间实时进行频率统计、调相识别、调频识别，采用流水线结构不需要进行脉冲数据的缓存，在脉冲结束就可以得到调制类型识别结果。
附图说明
图1为本发明整体流程图；
图2为本发明中局部峰值搜索的流程图；
图3为本发明中BPSK信号判别实施例；
图4为本发明中QPSK信号判别实施例；
图5为本发明中FSK信号一阶相位差分后示意图；
图6为本发明中FSK信号二阶相位差分后示意图；
图7为本发明中LFM信号一阶相位差分后示意图；
图8为本发明中LFM信号二阶相位差分后示意图；
图9为本发明中NLFM信号一阶相位差分后示意图；
图10为本发明中NLFM信号二阶相位差分后示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，本实施例的一种基于相位差分的脉内调制类型识别方法，包括频率范围统计、调相信号识别和调频信号识别三个环节；对于频率范围统计环节来说，频率的实时统计将持续到脉冲结束才能得到频率范围，从而得到调相信号或是调频信号类别的判定结果。因此对于未知的信号，在统计频率变化范围的同时，也进行调频信号识别的运算和调相信号识别的运算。在脉冲的结束时刻，根据频率范围的统计结果以及附图1的判断逻辑决定当前取信于调频信号的识别结果或调相信号的识别结果。
脉冲信号预处理
首先，对接收脉冲信号的I分量和Q分量，使用CORDIC计算法来计算信号的瞬时相位，然后对瞬时相位相位信息做延时处理，得到前后两个时刻的相位信息，计算两个时刻的相位差，并将相位差折算到[-180°，+180°]范围内，得到瞬时一阶相位差。
频率范围统计
根据瞬时频率计算公式，实时计算当前的瞬时频率：Ts为采样间隔；
频率跳变点可由相位跳变或频率跳变引起，统计频率范围时，需要剔除由相位跳变引起的伪频率跳变点。计算每一个瞬时频率点与前一个点的频率差，差值大于预设阈值fth1的认为是频率跳变点，计算每一个跳变点前相邻M个点的均值以及跳变点后相邻M个点的均值，对前后的均值差值小于预设阈值d的频率跳变点认为跳变前后频率一致，是由相位跳变引起的伪频率跳变，在统计频率范围时进行剔除。在脉冲持续时间内，记录并更新最小频率值和最大频率值。
调相信号识别
采用时域累加瞬时自相关的方法寻找相位跳变点，NS信号不存在相位跳变值，BPSK信号存在一种相位跳变值，QPSK信号存在两种相位跳变值。为了减少相位变化受噪声的影响，对瞬时一阶相位差进行多点平均，使用滑动窗口法，窗口的宽度设为W1，计算窗口内的W1个相位差的平均值作为当前的平均相位差。假设信号在t到t+τ发生相位突变，那么依次增大τ(τ<T(码元周期))，分别取不同的τ值，多次作差分运算，然后时域累加。相位的跳变会由于多次叠加而增强，可降低算法对信噪比的要求。此处取FPGA的处理时间为延迟时间，对平均后的相位差计算L次累加求和并取模：
相位突变由于多次叠加而增强并呈现双峰，采用滑动窗口检测的方法寻找局部峰值，窗口的宽度为LQ。
如图2所示，本实施例在累加求模后的顺序进入局部峰值搜索，每五点判断一次极大值，即当某一点的幅度值大于其前后两点的幅度值时认为该点为第一个峰值点，并记录当前峰值，窗口计数器为0。继续进行极大值搜索，同时进行窗口计数器的累加，若搜索到下一个峰值时，窗口计数器小于20，认为搜索到的为双峰的第二个点，将当前的峰值与上一个峰值进行比较，如果当前峰值大于上一个峰值则进行替换，并重新将窗口计数器置0。若窗口计数器大于等于20，则记录下当前的峰值点作为局部峰值，并判断其幅度值与QPSK、BPSK阈值VQ与VB的关系，若大于VQ，CQ自增1，若同时也大于VB，CB自增1。至脉冲结束，若CQ≤2，判别为常规信号，否则若CQ-CB＞2判别为QPSK信号，CQ-CB≤2判别为BPSK信号。
如图3所示，输入信号为BPSK信号，频率为9MHz，码元宽度为2us，码元序列为[1 11 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1]。根据瞬时频率计算频率范围，剔除跳变点后，小于阈值，判为调相信号。根据时域累加的结果，超过VB的峰值点数为6，超过VQ的峰值点数为6，判为BPSK信号。
如图4所示，输入信号为QPSK信号，频率为2.5MHz，码元宽度为2us，码元序列为[00 0 0 0 1 2 3 0 2 0 2 0 3 2 1]。根据瞬时频率计算频率范围，剔除跳变点后，小于阈值，判为调相信号。根据时域累加的结果，超过VB的峰值点数为5，超过VQ的峰值点数为11，判为QPSK信号。
调频信号识别
采用对瞬时二阶相位差进行跳变点检测的方法，瞬时二阶相位差代表了频率变化率的变化规律，FSK信号的瞬时二阶相位差在频率切换时产生跳变点，LFM的瞬时二阶相位差接近于0，NLFM的瞬时二阶相位差为连续变化的曲线。对一阶相位差进行差分，得到瞬时二阶相位差，同样采用附图2中的局部峰值搜索的方式寻找局部峰值，并记录局部峰值的个数。根据局部峰值个数可以区分FSK信号，而对于LFM和NLFM信号还需要通过频率变化率是否恒定来区分，因此还需要同时对信号的频率变化率进行测量。对瞬时频率，做一个宽度为W3的滑动窗口，计算窗口内的频率变化值fend-fstart，记录为当前的最小频率变化值Δfmin和最大频率变化值Δfmax，窗口滑动时，将下一个频率变化值与Δfmin和Δfmax进行比较，并更新Δfmin和Δfmax。脉冲结束后，将局部峰值个数与设定的FSK的跳变点数阈值NF比较，大于NF判别为FSK信号，否则为LFM或NLFM信号。再根据Δfmin和Δfmax的关系，Δfmax-Δfmin＜Δfth的判别为LFM信号，否则判别为NLFM信号。
脉冲结束时，通过频率范围统计得到频率范围Δf，通过调相信号识别得到调相信号的识别结果，通过调频信号识别得到调频信号的识别结果。
如果Δf小于预设阈值fth2，则将该脉冲信号判别为调相信号，然后取调相信号识别的判别结果作为最终脉内调制类型识别结果。
如果Δf大于预设阈值fth2，则将该脉冲信号判别为调频信号，然后取调频信号识别模块的判别结果作为最终的脉内调制类型识别结果。
如图5和图6所示，输入信号为FSK信号，两个频率为3MHz和7MHz，码元宽度为2us，码元序列为[1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1]。根据瞬时频率计算频率范围，大于阈值，判为调频信号。采用局部峰值搜索，判断二阶相位差分存在6个跳变点，判为FSK信号。
如图7和图8所示，输入信号为LFM信号，起始频率为2.5MHz，带宽为6MHz，脉宽为26us。二阶差分不存在跳变点，排除FSK信号，对瞬时频率滑窗比较，最大频率变化值和最小频率变化值小于阈值，判断为LFM信号。
如图9和图10所示，输入信号为NLFM信号，起始频率为2.5MHz，带宽为3MHz，脉宽为26us。二阶差分不存在跳变点，排除FSK信号，对瞬时频率滑窗比较，最大频率变化值和最小频率变化值大于阈值，判断为NLFM信号。

Claims (6)

1.一种基于相位差分的脉内调制类型识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、将脉冲信号的I分量和Q分量分别作为CORDIC计算法的同相和正交分量的输入，利用CORDIC计算法计算信号的瞬时相位，然后对所得瞬时相位信息做延时处理，得到前后两个时刻的相位信息，计算两个时刻的相位差，并进行相位解绕以得到瞬时一阶相位差；
步骤2、脉冲周期内统计频率范围Δf
通过步骤1所得瞬时一阶相位差计算获得瞬时频率f(n)：然后计算每一个当前瞬时频率点与其前一个瞬时频率点的频率差，如果某一瞬时频率点的频率差的差值大于预设阈值fth1，则认为该瞬时频率点是频率跳变点；接着剔除伪频率跳变点；剔除伪频率跳变点后，在脉冲持续时间内，记录最小频率值和最大频率值，最小频率值和最大频率值的差值即为Δf；
剔除伪频率跳变点的方法为：计算每一个频率跳变点前相邻M个点的瞬时频率均值以及频率跳变点后相邻M个点的均值，若某一频率跳变点的前后两个均值的差值小于预设阈值d，则认为该频率跳变点是相位跳变引起的伪频率跳变点，在统计频率时将该频率跳变点进行剔除；
步骤3、步骤2中的频率范围Δf在脉冲结束才能完成计算，采用流水线结构同时进行步骤A调相信号识别和步骤B调频信号识别，直至脉冲结束时刻再根据调频调相类别的判别结果来决定取调相信号模块的判别结果或调频信号识别模块的判别结果；
步骤A、调相信号识别，采用时域累加瞬时自相关方法进行常规信号NS、二相编码信号BPSK和四相编码信号QPSK的判别，具体如下：
步骤A1、对步骤1所得的瞬时一阶相位差进行多点平均以平滑噪声；
步骤A2、对平均后的瞬时一阶相位差差分后进行累加求和并取模；
步骤A3、采用滑动窗口检测方法寻找调相信号局部峰值，确定相位跳变点的数目并记录相位跳变点的幅值，将跳变点的幅值与设定的BPSK和QPSK的阈值VB和VQ比较，大于VQ的个数记为CQ，大于VB的个数记为CB；
步骤A4、先判断CQ≤2是否成立，如果CQ≤2，则判别为常规信号NS；否则再CQ-CB＞2是否成立，若CQ-CB＞2，则判别为QPSK信号，如果CQ-CB≤2，则判别为BPSK信号；
步骤B、调频信号识别，即采用对瞬时二阶相位差进行跳变点检测的方法，实现对频率编码信号FSK、线性调频信号LFM和非线性调频信号NLFM的识别，具体如下：
步骤B1、对步骤1所得瞬时一阶相位差进行差分得到瞬时二阶相位差，采用滑动窗口检测的方法寻找调频信号局部峰值，确定二阶相位差中大于预设阈值VF的跳变点的数目；
步骤B2、对步骤2中的瞬时频率f(n)，做一个宽度为W3的滑动窗口，计算滑动窗口内的频率变化值fend-fstart，每次保存更新当前的最小频率变化值Δfmin和最大频率变化值Δfmax；fend和fstart分别是指当前窗口内最后一个频率值和第一个频率值；
步骤B2、脉冲结束后，将调频信号局部峰值个数与设定的FSK的跳变点数阈值NF比较，如果调频信号局部峰值个数大于NF，则判别为FSK信号，否则为LFM或NLFM信号；
步骤B2、如果Δfmax-Δfmin＜Δfth，则认为调频斜率恒定，判别为LFM信号，如果Δfmax-Δfmin≥Δfth，判别为NLFM信号；
步骤4：脉冲结束时，根据步骤2所得最大频率和最小频率的差值计算出频率范围Δf；
如果频率范围Δf小于预设阈值fth2的判别为调相信号，则将步骤A中的判别结果作为最终脉内调制类型识别结果；
如果频率范围Δf大于预设阈值fth2的判别为调频信号，则将步骤B中的判别结果作为最终的脉内调制类型识别结果。
2.根据权利要求1所述的基于相位差分的脉内调制类型识别方法，其特征在于：所述步骤1中相位解绕的方法为：如果相位差大于+180°，就减去360°；如果小于-180°，就加上360°，即统一将相位差折算到[-180°，+180°]范围内对瞬时相位作差并去卷叠，得到-π～π的瞬时一阶相位差。
3.根据权利要求1所述的基于相位差分的脉内调制类型识别方法，其特征在于：所述步骤2中瞬时频率f(n)为：
Ts为采样间隔；和/>分别表示后一个时刻点的相位、以及减去前一个时刻点的相位。
4.根据权利要求1所述的基于相位差分的脉内调制类型识别方法，其特征在于：所述步骤A1对瞬时一阶相位差进行多点平均的方法为：做窗口宽度为W1的一个滑动窗口，每次滑动距离为1，将瞬时一阶相位差每个窗口内的W1个数据取平均以平滑噪声。
5.根据权利要求1所述的基于相位差分的脉内调制类型识别方法，其特征在于：所述步骤A2的详细内容为：对平均后的瞬时一阶相位差做窗口宽度为W2的一个滑动窗口，每次滑动距离为1，对平均后的相位差差分后进行L次累加求和并取模，L＝W2-1；
x(n)和k分别表示第n+k个采样点的一阶相位差、第n个采样点的一阶相位差、累加求和取绝对值后的序列、k表示1到L的累加步进。
6.根据权利要求1所述的基于相位差分的脉内调制类型识别方法，其特征在于：采用滑动窗口检测方法寻找局部峰值的具体过程：
每五点判断一次极大值，即当某一点的幅度值大于其前后两点的幅度值时认为该点为第一个峰值点，并记录当前峰值，窗口计数器为0；
继续进行极大值搜索，同时进行窗口计数器的累加，若搜索到下一个峰值时，窗口计数器小于预设值，认为搜索到的为双峰的第二个点，将当前的峰值与上一个峰值进行比较，如果当前峰值大于上一个峰值则进行替换，并重新将窗口计数器置0；
若窗口计数器大于等于预设值，则记录下当前的峰值点作为局部峰值。
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