一种高速跳频信号实时载频测量方法

刘丽格,魏利辉,马 媛

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;2.石家庄信息工程职业学院,河北石家庄050035)

0 引言

跳频通信具有较强的抗干扰能力,因此在战术通信中得到广泛应用。载频是跳频信号的重要参数,快速准确估计跳频信号的载频,是对跳频信号进行实时参数分析、实时解调的基础。如某目标跳频信号,跳速约16 000跳/s,调制类型为二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK),符号速率为100 ksps～90 Msps。为此,采用900 MHz的采样时钟对目标信号进行采样,在FPGA中进行实时处理,实现了对每跳信号载频的精确测量。

1 载频测量原理

离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)将信号从时域转换到频域,以便于对信号进行频谱分析[2]。假设DFT的长度为N,信号的采样频率为fs,经DFT计算后,信号的频率分辨率为:

如果根据谱线的最大值来估算信号的频率,其最大测频误差为Δf/2。可见,提高测频精度有2种途径:降低采样率和增加DFT点数。

但是,降低采样率会降低信号频率分析范围,而增加DFT点数,又会提高运算量。为此,采用二次载频测量法,即首先对信号做 N点DFT,进行载频粗测得:

式中,N0为载频谱线位置。根据粗测结果,将信号移至零中频,通过低通滤波及降采样后,再做M点DFT,进行频率精测得:

式中,M0为残留载频谱线位置D为降采样比例因子。降采样之后,信号的频率分辨率为:

故测频误差为原来的N/(DM)。当 N=M时 ,Δf′=Δf/D 。

根据2次测频结果,得到精确的载频测量值为:

2 FPGA中实现载频测量

高速跳频信号二次载频测量实现框图如图1所示。整个算法在一片现场可编程门阵列器件(FPGA)中实现,包括载频粗测、数字正交下变频、载频精测和载频合成等主要模块。载频粗测模块用来粗测每跳数据的载频,数字正交下变频将中频数据转换成零中频数据,载频精测模块用来精确测量每跳数据的载频偏差,载频合成模块产生每跳数据的精确载频。

图1 高速跳频信号二次载频测量实现

由于中频信号的采样频率为900 MHz,而FPGA很难直接处理这样高速率的数据,因此需要采用多路并行处理,即将中频信号分成4路,每路225 MHz,这使得在FPGA中运算成为可能,但同时也增加了算法实现的复杂性。多路并行处理数据流示意如图2所示。

图2 多路并行处理数据流

2.1 载频粗测

由于BPSK信号是抑制载波双边带信号,不存在载频分量,因此无法从调制信号中直接提取本地载波。BPSK信号经平方后得到2倍载频的分量,然后经二分频得到载频分量[1]。

首先将采样频率为900MHz高速采样数据进行缓存,再以112.5 MHz速率读出,并进行二倍插值、滤波,此时信号采样率变为1.8GHz,将其平方后,再进行FFT运算,对FFT结果求最大值,即可得到信号载频粗测谱线位置。

2.2 数字正交下变频

复调制是将时域信号与单位复指数相乘,将实信号变为复信号,根据傅里叶变换的频移性质,信号频谱产生平移,把感兴趣频段的中心频率移至频谱的原点处,再通过低通滤波将其滤出。

假设观测信号中心频率为F0,采样频率为fs,对采样时间序列x0(n)与e-j2πnF0/fs进行复乘,得到信号

根据DFT的频移性质,x(n)被移至零频,经低通滤波,得到零中频目标信号。

2.3 载频精测

根据文献[3]的推导,得到基于多相分解的滤波器抽取结构,如图3所示。

图3 抽取滤波器多相结构

设计多相滤波器的步骤包括:

①根据原型理想低通滤波器的频率响应确定所需要的滤波器类型和阶数;

②求出对应的冲击响应h(n);

③用式(3)确定多相滤波器,

式中,m=0,1,2,…,Q-1;k=0,1,2,…,D-1,Q=N/D,且Q取整数,N为滤波器的阶数。

根据式(5)设计多相抽取滤波器,对零中频信号进行滤波抽取,经平方后,进行FFT运算,对FFT结果求最大值,除2,即得到信号载频精测谱线位置。

2.4 载频合成

根据式(3)对2次测频结果进行处理,可得到载频精确测量值。

3 载频测量仿真

跳频信号载频测量的仿真数据在Matlab软件中产生,信号参数如下:跳速:16 000跳/s;调制样式:BPSK;SNR=10 dB。按照要求的跳速和频率集产生载频信号,基带码流调制之后得到仿真目标信号,存入文件供跳频信号载频测量仿真程序调用。

跳频信号载频测量的仿真采用ModelSim软件完成,读取Matlab软件产生的文件作为激励数据,对载频测量程序进行仿真验证,仿真结果波形图如图4所示。

图4 跳频信号起始点检测算法仿真

4 结束语

经实际测试,采用二次载频测量精确估计载频的算法工作稳定,运行可靠,具有较高的测量精度,和较强的抗噪声能力。为跳频信号进行实时参数分析、实时解调的提供了保证。同时算法处理过程简单,易于硬件实现,适于在工程实践中应用。

[1]丁玉美.数字信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006:257-260.

[2]曹志刚.现代通信原理[M].北京:清华大学出版社,1992:68-69.

[3]田 耘.无线通信FPGA设计[M].北京:电子工业出版社,2008:210-212.

[4]陈卫东,魏利辉.1M点FFT算法的FPGA设计现[J].舰船电子对抗,2009,32(3):100-103.

[5]伍 星.快速频率细化ZOOM软件的开发研究与实现[J].舰船电子对抗,2009,32(3):100-103.

[6]方 志.复杂电磁环境下跳频信号检测及拼接算法[J].无线电工程,2010,40(8):13-15.