基于多级信道化的调相信号检测与识别技术*

袁梦云，赵忠凯

（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨 150001）

基于多级信道化的调相信号检测与识别技术*

袁梦云，赵忠凯

（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨 150001）

在现代电子战中，日益复杂的电磁环境对侦察系统的灵敏度提出了更高要求。针对低信噪比情况下调相信号检测困难与调制类型识别正确率低的问题，设计了一种两级宽带均匀数字信道化接收机。该接收机采用幅度自相关累加技术提高检测概率，同时采用相位累加瞬时自相关技术提高调相信号的调制类型识别正确率。仿真结果表明，该两级信道化高效结构信噪比增益约17 dB，能适应-6 dB的低信噪比环境，信号调制类型的识别正确率不低于90%。

多级信道化，低信噪比，宽带数字接收机，调相信号，检测与识别

0 引言

电子战在现代信息化战争中起决定性作用，而接收机作为无线电信号重要的接收装置，具有重要的研究价值。随着战场电磁环境的日益复杂，每秒钟接收的脉冲数可达几百万，且其功率、调制类型和频域均不相同，对接收机的瞬时覆盖带宽、灵敏度、动态范围、实时性和处理时域重叠信号能力提出了更高要求［1］。信道化接收机是目前唯一能满足现代电子战需求的宽带接收机结构，通过模拟或数字滤波器组进行信道划分，将接收信号从频域上分离，具有高频率分辨率、高截获概率、高灵敏度和能处理时域重叠信号的优点［2-3］。20世纪90年代，随着ADC和数字信号处理技术的飞速发展，数字信道化接收机在继承模拟信道化接收机优点的基础上，融合数字化的稳定性与灵活性，成为电子战和无线电通信不可或缺的重要组成部分［4-6］。文献［7-9］围绕基于多相滤波的宽带数字信道化高效结构展开研究，研究发现该高效结构较一般宽带接收机硬件资源利用率高，计算复杂度低，吞吐量高［12］。文献［10］采用多相滤波结构，先对时域抽取信号进行傅里叶变换，再对变换结果进行加权处理，节省了硬件资源。文献［11］提出了一种STFT的高速实现方法，提高了接收机的实时性。可见，许多学者对数字信道化技术进行了优化和改进，但针对多级信道化的研究并不多，因此，设计了一种两级宽带均匀数字信道化接收机，可以更好地满足现代电子战对接收机灵敏度提出的新要求。

针对低信噪比情况下信号检测困难、信号调制类型识别正确率低的问题，设计了一种两级宽带数字信道化接收机，能适应-6 dB的低信噪比环境。一方面，该接收机采用幅度累加自相关技术克服复杂电磁环境中信号检测困难的问题；另一方面，针对单级信道化在同时处理宽带和窄带信号时的不足［13］，该接收机基于信道化高效结构设计了两级数字信道化方案，提升信噪比17 dB，结合相位累加瞬时自相关技术解决了低信噪比情况下信号调制类型识别正确率低的问题。

1 两级信道化实现结构

图1 信道划分方式

为节省硬件资源，提高实时性，该接收机采用了如图2所示的信道化高效结构，该高效结构的主要原理是将信道化过程推导成离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）的表达形式，同时采用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）代替DFT运算，提高了运算效率，保证了数字信道化接收机的实时性。

本设计要求的瞬时频率覆盖范围500 MHz，中频1.5 GHz。首先确定ADC的采样频率，根据带通采样定理fs=4f0/（2k+1）（k为大于0的整数），选取采样率为1.2 GHz，此时接收机能够处理的最大瞬时带宽为600 MHz，满足接收机要求。

图2 信道化高效结构

采用高效结构的信道化接收机的信号检测与识别流程如图3所示。首先，ADC以1.2 GHz采样得到的10 bit采样数据经过串并转换完成16倍抽取送入一级信道化并进行参数提取。接着，从一级信道化输出的16路中选取一路信号送入二级信道化并进行参数提取和信号调制类型识别。最后，由综合分析模块分析参数测量结果并提取幅度与相位信息，组成脉冲描述字送入后续模块。

图3 信号处理流程图

两级信道化结构采用串联方式，一级信道化输入实信号，一半输出信道是独立的。取信道数K1=32，抽取倍数M1=16，子带宽度为37.5 MHz，处理带宽为75 MHz。当输入信号频率范围为1 250 MHz～1 750 MHz时，信号位于第 2～16 信道，因此，需要对15个信道输出进行实时处理。

二级信道化输入为一级的选择输出，取信道数K2=8，抽取倍数 M2=4，子带宽度为 9.375 MHz，处理带宽为18.75 MHz。二级信道化输入信号有效带宽为 -18.75 MHz～18.75 MHz，信号可对应到 3～7 信道，因此，需要对5个信道输出进行实时处理。

信道化结构能够通过有效抑制子信道带宽外的噪声提升信号的信噪比，多级信道化相比单级信道化能适应更低的信噪比。因此，该接收机采用的两级信道化结构不仅能适应多种带宽特性的信号，而且能适应更低的信噪比。该信道化结构采用具有系统稳定性、能实现线性相位的FIR型滤波器，一级信道化的原型滤波器为192阶，二级信道化的原型滤波器为48阶，两级原型滤波器的幅频响应曲线如下页图4所示。

2 检测与识别方法

图4 原型滤波器幅频响应曲线

传统的基于信号幅度的检测方法在低信噪比时性能较差，因此，本设计采用幅度自相关累加技术对信号进行处理，通过增加信噪比增益提高对低信噪比环境下信号的检测能力。

现状的18条内河中，二坑溪、朝阳溪、竹排冲下游段、良凤江下游（水塘江）段、凤凰江、亭子冲等，上游河道或被填塞、或遭渠化、或已覆盖，下游河道为工厂和居民密集地区。河道内垃圾杂物等堆积，淤塞严重，河床抬高，人为占用河道严重，已成为城市排污河道，现状在出口处水质大多为劣Ⅴ类。其他河流上游未开发的河道属天然河道，两岸植被茂盛；中下游人为活动的河段，如心圩江、可利江等，枯水期为耕地，种植水稻、蔬菜，洪水期为滞洪区。沿河道两岸有工厂、屠宰厂、住宅群，占用河道情况比较严重。现状在出口处水质除四塘江为Ⅲ类外，其余为Ⅳ～Ⅴ类。

假设信道化输出的信号表达式为

其复数表达式为

其相关函数 y（i）为

当N＞＞1，其输出信噪比为

当幅度自相关累加点数为N时，输出信号的信噪比增益可达到N/（2+1/2/SNRx）。当信道化输出信噪比高于14 dB时，虚警概率能达到10-7，检测概率高于90%。在输入信噪比为-6 dB时，考虑一级信道化信噪比增益约10.5 dB，则幅度自相关累加技术的信噪比增益应大于9.5 dB。若选取N=16，信噪比增益约8.6 dB，无法满足接收机要求；当选取N=32时，信噪比增益约11.6 dB，可以实现信号的稳定检测。

检测到包络后要进行信号类型的识别，接收机截获的信号按调制方式可分为调频和调相信号，按带宽可分为宽带和窄带信号。在实际测试中，一级信道化的信噪比增益约10.5 dB，二级信道化的信噪比增益约6.5 dB。当信号的信噪比高于-6 dB时，一级信道化输出的信噪比高于4.5 dB，采用FFT技术能够完成调频信号的识别。但是，针对窄带调相信号的识别技术无法适应4.5 dB的信噪比，因此，需要二级信道化进一步提升信噪比，以完成调相信号的调制类型识别。

对于调相信号，相位的跳变点会引起瞬时频率的跳变，可根据时域频率跳变点的幅度种类识别BPSK和QPSK信号。其瞬时频率和相位一阶差分瞬时累加结果如图5所示。

图5 两种调相信号脉内特征

相位变化对噪声干扰比较敏感，识别信号调制类型受噪声影响较大，为改善其抗噪声性能，提出了时域累加瞬时自相关的方法。假设信号s（t）在 时间内发生相位突变，那么依次增大1（1＜T（码元周期）），分别取不同的1值，多次运算，然后时域累加。相位的突变由于多次叠加而增强，因此，能适应更低的信噪比。时间延迟取等间隔1，上述过程的离散形式可由式（5）表示，其中k为自然数，L为叠加次数。

根据信号带宽特性和脉内特征完成脉内调制类型的识别，得到识别调相信号的流程图如图6所示。

图6 信号类型识别流程图

3 仿真结果分析

仿真条件：采样率选取1.2 GHz，载波频率范围1 250 MHz～1 750 MHz，功率范围 -34 dBm～2 dBm，加入窄带高斯噪声。

设置前端输入信噪比为-6 dB，利用幅度自相关累加技术对信号进行处理，处理前后对比如下页图7所示。一级信道化信噪比增益约10.5 dB，其输出信号的信噪比约4.5 dB，如图7（a）所示。对一级信道化输出幅度进行32点幅度自相关累加，处理结果如图7（b）所示。

图7 相关累加前后对比图

通过仿真结果对比可以看出，经过自相关累加处理后，信号增强，可以提高检测灵敏度，能适应-6 dB的低信噪比环境。

为从统计意义上考察识别正确率随信噪比的变化情况，采用蒙特卡洛仿真法，载波频率和信号功率在要求范围内随机。信噪比在一定范围变化，统计每种信噪比下的1 000次试验结果。当输入由13位巴克码调制的BPSK信号时，可得到BPSK的识别正确率随信噪比的变化曲线如图8（a）所示。当输入由16位Frank码调制的QPSK信号时，可得到QPSK的识别正确率随信噪比的变化曲线如图8（b）所示。由仿真结果可得，当信噪比不小于-6 dB时，能保证识别正确率达到90%以上。

图8 不同信噪比下的调相信号识别正确率

4 两级信道化接收机的FPGA实现

两级信道化接收机包括两级信道化高效结构、信号检测与脉内调制类型识别和参数提取4部分，均在Virtex-7系列FPGA上实现。

两级信道化接收机的硬件实现框图如图9所示。截获的信号由高速ADC以1.2 GHz的采样率采样，得到量化为10 bit的采样数据。通过串并转换模块将数据进行16倍抽取，得到的数据速率为75 MHz。经过一级信道化后进入CORDIC模块计算2～16信道的瞬时幅度和相位，送入后续检测与识别模块。

在此基础上，采用一阶相位差分放大求取前沿频率，采用幅度累加自相关技术求取信号的幅度。当该幅度至连续多个高于门限值且测频有效时，认为存在信号，将检波包络拉高；当该幅度连续多个低于门限值或测频无效时，认为不存在信号，将检波包络拉低。

当信号处于两个子信道中间时，输出选择较高信道数的信道输出。由检波包络控制输出3个子信道的IQ数据，选取中间的一组IQ送入二级信道化。经过两级信道化后，信噪比提升17 dB，采用幅度自相关累加技术完成信号的检测，依据相位累加瞬时自相关技术进行调相信号的识别。

当输入频率为1 720 MHz，脉宽为20 us，信噪比为-6 dB的QPSK信号时，得到的仿真结果如下页图10所示。从图中可以看出，信号经过一级信道化后位于第15信道，相位一阶差分累加结果为add_freq，经过二级信道化后位于第4信道，相位一阶差分累加结果为add_freq_result。参数测量中的测频结果520表示信号频率为1 720 MHz，识别结果3代表调制类型为四相编码，pw为1 413个时钟表示脉宽约19 us。

结果表明该接收机在信噪比不低于-6 dB时，能完成调相信号的检测与识别，满足对接收机提出的高灵敏度的要求。基于多级信道化的宽带数字接收机的资源占用情况如下页表1所示。

5 结论

本文基于多级信道化结构，采用幅度自相关累加和相位累加瞬时自相关技术，实现了低信噪比环境下调相信号的检测与识别。ADC采样率为1.2 GHz，两级信道化结构的瞬时覆盖带宽为500 MHz，动态范围达36 dB。采用幅度自相关累加技术提高了检测概率，同时，两级信道化高效结构配合相位累加瞬时自相关技术提高了信号类型识别正确率，解决了在低信噪比环境下调相信号检测与识别困难的问题。最后，基于Vivado和ModelSim平台，完成了两级信道化接收机的建模仿真。仿真结果表明该接收机在信噪比不低于-6 dB时，对调相信号的识别正确率达90%以上，非常适合低信噪比环境中调相信号的检测与识别。

图9 两级信道化接收机的硬件实现框图

图10 基于ModelSim的仿真结果

表1 基于多级信道化的宽带数字接收机资源评估结果

［1］龚仕仙，魏玺章，黎湘.宽带数字信道化接收机综述［J］.电子学报，2013，41（05）：949-959.

［2］李云杰，高梅国.带宽准匹配的高灵敏度数字信道化接收机［J］.北京理工大学学报，2009，29（12）：1110-1113.

［3］HARRIS F，DICK C，CHEN X，et al.Wideband 160-channel polyphase filter bank cable TV channeliser［J］.Iet Signal Processing，2011，5（3）：325-332.

［4］王宏伟，赵国庆，王玉军，等.一种宽带数字信道化接收机［J］.西安电子科技大学学报，2010，37（3）：487-491.

［5］MAHESH R，VINOD A P.An area-efficient non-uniform filter bank for low overhead reconfiguration of multi-standard software radio channelizers［J］.Journal of Signal Processing Systems，2011，64（3）：413-428.

［6］MAHESH R，VINOD A P.Low complexity flexible filter banks for uniform and non-uniform channelisation in software radios using coefficient decimation ［J］.Circuits Devices&Systems Iet，2011，5（3）：232-242.

［7］罗勇江，汤建龙，赵国庆，等.一种高效的宽带数字接收机及其FPGA实现［J］.系统工程与电子技术，2010，32（5）：916-920.

［8］LIN M，VINOD A P，CHONG M S S.A new flexible filter bank for low complexity spectrum sensing in cognitive radios［J］.Journal of Signal Processing Systems，2011，62（2）：205-215.

［9］常虹，赵国庆，牛新亮.高效的宽带数字信道化接收机设计［J］.西安电子科技大学学报，2010，37（3）：464-468.

［10］MAHESH R，VINOD A P.Reconfigurable low area complexity filter bank architecture based on frequency response masking for nonuniform channelization in software radio receivers［J］.IEEE Transactions on Aerospace&Electronic Systems，2011，47（2）：1241-1255.

［11］MAHESH R，VINOD A P，LAI M K，et al.Filter bank channelizers for multi-standard software defined radio receivers［J］.Journal of Signal Processing Systems，2011，62（2）：157-171.

［12］刘光祖，王建新，徐达龙.数字信道化接收机高效结构的设计与实现［J］.系统工程与电子技术，2012，34（2）：391-395.

［13］王永明，张尔扬，王世练，等.基于多级信道化的超宽带搜索接收机设计与实现［J］.信号处理，2010，26（1）：121-126.

Detection and Recognition of Phase-modulated Signal Based on Multistage Channelized

YUAN Meng-yun，ZHAO Zhong-kai
（School of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

In the modern electronic warfare，increasingly complex electromagnetic environment puts forward higher requirements to the sensitivity of the reconnaissance system.It’s difficult to detect and recognize the phase-modulated signal in the case of low SNR，so a two-stage uniform broadband digital channelized receiver is designed.The receiver improves the detection probability by accumulating the autocorrelation of amplitude，at the same time，the instantaneous self-correlation technique of phase accumulation is used to improve the recognition accuracy of the modulation type.Simulation results show that the two-stage channelized high efficient structure can improve the signal-to-noise ratio of about 17 dB，can adapt to the low SNR environment of-6 dB，whose recognition accuracy of the signal modulation type is not less than 90%.

multistage channelized，low SNR，broadband digital channelized receiver，phase-modulated，detection and recognition

1002-0640（2017）10-0124-05

TN713

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.10.026

2016-09-07

2016-10-29

国家自然科学基金面上基金资助项目（61571146）

袁梦云（1992- ），女，河北安国人，硕士研究生。研究方向：宽带信号的检测与识别。