基于短时傅里叶变换的跳频信号检测系统设计

何 军

(中国人民解放军驻201所军事代表室，北京 100072)

基于短时傅里叶变换的跳频信号检测系统设计

何 军

(中国人民解放军驻201所军事代表室，北京 100072)

基于长短窗口结合的傅里叶变换技术，设计出一种适用于装甲车辆通信设备的信号检测系统，该检测系统由射频处理模块、中频处理模块和ARM处理模块组成.试验室测试结果表明，该系统能够对车载通信设备跳频信号主要性能参数进行实时检测，达到了判定跳频设备工作状态是否正常的目标，从而满足了装甲车辆通信的正常需求.

装甲车辆通信；跳频信号检测；时频分析；傅里叶变换

现代战场作战环境日趋复杂，信号分布密集、种类繁多，装甲车辆通信系统的高效运行尤为重要，要从各种噪声、信号中快速检测出车载通信设备跳频信号并及时对设备进行修正保证战场通信的互联互通更是一项很大的技术挑战.目前，车载跳频设备检测分析主要的研究方向集中在时频分析技术上[1].时频分析法在分析跳频信号上有很大优势，通过这一方法，不仅可以有效检测出跳频信号，同时也可以有效估计跳频信号的各种参数.当前主流的时频分析方法各有利弊，Hilbert变换虽然对于单频信号有很高的时间分辨率和频率分辨率，但是对于多频信号无物理意义；平滑伪WVD分布虽然能抑制和消除大部分交叉干扰项，但是计算量太大.从实现角度来看，短时傅里叶具有计算量小，易于实现的优越性，并且运算速度快，实时性强，但是时间分辨率和频率分辨率难以同时取得高分辨率，如果能有效解决这个问题，实时检测跳频信号就成为了可能.本研究基于该思路，提出一种跳频检测系统的设计方案.

1 跳频信号检测系统的设计

跳频信号检测系统主要包含射频处理模块、中频处理模块和ARM处理模块3个模块，如图1所示.

图1 跳频信号检测的总体系统架构

1.1 射频处理模块设计

射频处理模块主要由接收机部分、本振部分两个部分组成，其基本结构如图2所示.

本振部分提供2 540～4 540 MHz频率和步进10 MHz的1本振信号、2 386.4 MHz的2本振信号，并将1、2本振信号提供给接收机部分.

接收机部分首先在通过前置程控衰减器和DC-2GHZ的低通滤波器对宽带射频信号进行幅度调理和带外滤波后，将其变换成153.6 MHz左右的中频信号；然后在频率变换过程中由2 540 MHz的滤波器，对产生的镜频和高次谐波进行有效的滤除；最后在153.6 MHz中频点进行增益控制和幅度校准补偿.这就将一个宽带的问题简化成一个定频问题，使得设计难度大大简化.

图2 射频处理模块基本结构框图

1.2 中频处理模块设计

中频处理模块的功能主要是将射频信号转化为数字信号后，采用数字下变频后，使用FFT算法将跳频信息的幅度、频率、跳速等信息提取出来[2].中频处理模块的架构如图3所示.

图3 中频处理模块的架构

1.2.1 高速AD采样模块

要实现无线电信号数字化，关键器件就是模数转换器(ADC).模数转换器实现框图如图4所示.

本系统采用带通采样技术实现模拟信号的数字化，即通过对带通采样技术进行较深入的研究，并通过对目前市场上可以获得的ADC器件性能特性进行仔细地对比与分析后，选取合适的中频频率和ADC采样频率，实现模拟信号的数字化.为实时分析数据，要求对中心频率153.6 MHz的模拟中频信号作数字量化，要求SNR大于72 dB，SFDR大于85 dB.根据带通采样设计要求，中频信号带宽为90 MHz.为满足SFDR要求，采样率最低应为最大被采样信号的2.56倍，采样时钟为204.8 MHz.为了便于重采样电路设计，需要设计一个2的幂次方的时钟频率，结合抗混叠滤波器设计，要求我们采用204.8 MHz作为采样电路时钟.

图4 模数转换器实现框图

1.2.2 数字下变频(DDC)模块

数字下变频(DDC)模块是跳频检测系统中中频模块的重要部分，分为正交分解、CIC抽取、半带抽取和整形滤波几个部分[3].

正交分解的FPGA实现，是通过将输入的采样信号序列与复正弦序列相乘，实现数字混频的效果，生成I(In-phase)分量和Q(Quadrature-phase)分量，如图5所示.

图5 正交分解的FPGA实现

CIC抽取的FPGA实现.在频谱分析模式下，根据FFT运算的特性，可得出分辨率带宽RBW与FFT运算点数N及FFT输入信号采样频率fs间的关系，如式(1)所示.

(1)

由式(2)可得到硬件电路ADC的采样频率fsa、数字信号处理过程中CIC滤波器的抽取倍数D、半带滤波器的级数H、预检测单元的FFT模块转化点数N1之间的关系，如式(3)所示.

(2)

D×2H

(3)

考虑到抽取时抗混跌滤波，可以取k为0.8附近的值，同时保证D为大于4的正整数，且H为0～5的整数.当fsa取204.8 MHz、k取0.8、N1取512、N2取4 096时，得到最大频率分辨率为122 Hz.满足目前主流通信设备的分辨率要求.

实现框图如图6所示，主要由CIC抽取器和CIC补偿滤波器组成.

图6 CIC滤波器的实现

半带抽取的FPGA实现.半带抽取主要由5级半带滤波器的级联来实现，级数H值的选择由公式(3)可得，FPGA实现如图7所示.

图7 5级半带滤波器

整形滤波器的FPGA实现.在实时模式下，将数字下变频后的I/Q两路信号，送给DSP进行FFT运算之前，要进行低通滤波，抑制带外信号.实现框图如图8所示.

图8 整形RBW滤波器

1.2.3 实时FFT频谱分析模块

实时FFT频谱分析模块主要包括I/Q数据的封帧、加窗、FFT变换、频谱检测和频点跟踪处理，如图9所示.封帧、加窗操作将I/Q两路数据封装成帧内连续的N点数据，并进行加窗操作，为FFT运算模块提供稳定的运算数据.频谱检测模块从FFT运算结果中获取频谱信息，包括频谱的幅值和频率.频点跟踪模块主要计算各个频点之间的时间间隔等信息.

图9 FFT频谱分析模块的硬件实现结构

1.3 ARM处理模块的设计

跳频信号参数分析系统采用嵌入式ARM处理系统完成整机的联动控制、通用外围测试接口、人机交互界面、相应指标测量算法的实现.系统采用S3C2410处理器，该处理器是韩国三星公司的一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，主要面向手持设备以及高性价比、低功耗的应用.运行的频率可以达到203 MHz.ARM920T核由ARM9TDMI、存储管理单元(MMU)和高速缓存3部分组成.其中MMU可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的16 kB地址和16 kB数据高速Cache组成.嵌入式ARM处理系统的硬件结构如图10所示.被测信号从存储器中读出，通过FFT变换得到被测信号实时频谱，该频谱信息和时域基带信号通过扩展插座送入嵌入式ARM处理系统，完成时域分析和跳频信号指标测试，分析结果送入触摸屏显示.用户通过该触摸屏来设置系统工作状态和参数.同时，可通过100 M网口进行远端登录，实现跳频信号参数分析系统的远程控制和测量.

图10 嵌入式ARM处理系统硬件结构框图

2 应用测试结果

根据上述对跳频信号检测系统关键技术的研究，进行了相关的设计，完成了试验样机，并通过搭建试验室测试环境对系统的功能与性能进行了测试.由于试验条件的约束，因此本系统采用Agilent的E4432B作为信号源.此信号源可以通过手动设置输出跳频信号，记录跳频检测系统中输出的值，进行对比、分析，完成对跳频检测系统的测试.

使用试验样机对跳频信号源输出的跳频分别是：10 MHz，12.5 MHz，13 MHz，15 MHz，17.5 MHz，20 MHz，22.5 MHz，…， 88 MHz等44个点的频率测量，输入信号功率为30.25 dBm，跳频速率为250 hop/s.通过测量数据的分析，测试的跳频频率范围、跳频频率集与测试数据相同.测试性能达到以下指标：频率测量误差不大于5 kHz，最小为0，通过软件归整处理，与输入数据相同；测试跳频发射平均功率精度小于等于5%；测试的跳频速率误差为4%；跳频分辨率为1hop.小功率、中功率、大功率的通讯设备均可测，获得了预期效果.

3 结束语

本研究主要对装甲车辆通信设备跳频信号的检测进行了研究与设计.首先针对跳频信号时频分析方法进行了分析比较，得出该跳频信号检测系统的设计基础；然后，对射频、中频和ARM处理模块进行了理论分析与设计，根据理论研究成果完成了试验样机并通过了试验室测试.结果表明，该系统解决了装甲车辆通信设备性能检测的问题，能够对装甲车辆通信设备的跳频带宽、跳频频率序列、跳频功率、跳频速率等关键指标进行实时检测，满足了战场环境下装甲车辆车际之间高效、不间断通信的需要.

[1] 冯 涛，袁超伟. 跳频信号的时频分析新方法[J]. 北京邮电大学学报，2010，33(3)：10-14.

[2] 刘祖深. 频谱分析仪全数字中频设计研究与实现[J]. 电子测量与仪器学报，2009，23(2)：39-45.

[3] 杨 晨，冯 超. 基于DDS的高精度频率信号源的实现[J]. 电子测试，2011(12)：82-85.

Frequency Hopping Signal Detection System Design Based on Short-time Fourier Transform

HE Jun

(the Military Representative Office of PLA in No.201 Research Institute，Beijing 100072，China)

Based on the length of the window combined with Fourier transform technique, a kind of frequency hopping signal detection system was designed for armored vehicles communication equipment in this paper. It consists of radio frequency processing module, intermediate frequency processing module and the ARM processing module. The testing results showed that the system can monitor momently the main performance parameters of frequency hopping signal in the communication equipment, and reach the target whether or not the frequency modulation equipment worked normally , and satisfy the requirements of the armored vehicles communication.

armored vehicles communication；frequency hopping signal detection；the time-frequency analysis； the Fourier transform

1009-4687(2015)04-0007-04

2015-11-6

何 军(1979-),男,研究生，研究方向为检测技术与自动化装置.

TJ81+0.35；TN713；TN722

A