一种基于FPGA 平台的宽带信号检测算法的实现*

高 峰，刘兆春，杨 柯

（1.中电科网络空间安全研究院有限公司，四川 成都 610041；2.中国人民解放军32151 部队，河北 邢台 054000）

0 引言

随着通信技术的发展，军民用通信系统向具备提供实时、大容量传输能力的方向发展。以数字微波通信、数字卫星通信、移动通信[1-3]为代表的现代通信系统，大多采用宽带传输体制，促使宽带信号成为无线电监测的重要目标。在无线电监测任务中，获取载频、带宽、调制样式以及符号速率等技术参数是宽带信号检测的第一步。技术参数提取的正确性决定了后续解调分析及信息解析的准确性。目前，常见的宽带调制方式主要有QPSK、QAM 以及FSK 等，传输速率一般为几兆至十几兆波特率[3]。宽带信号检测需要采用大量的数字化处理单元实现，如现场可编程逻辑器件（Field-Programmable Gate Array，FPGA）、DSP 等[3]。如何在以FPGA为处理核心的无线电监测系统中实现宽带信号的精确检测，实现数字处理资源的优化，是需要研究解决的重要问题。

1 宽带信号检测的原理

在对宽带信号的无线电监测过程中，监测处理设备需要对宽带信号进行信号检测和参数估计。处理流程如图1 所示。

图1 宽带信号检测处理流程

1.1 信号检测

宽带信号检测一般采用基于功率谱的信号检测方法，可用于多种调制样式快速检测信号。基于功率谱的信号检测方法，一般分为功率谱估计和频谱检测方法两部分。

（1）Welch 功率谱估计方法。相较于传统周期图法功率谱估计，它可以得到较为稳定、准确的功率谱估值，能有效减小随机起伏现象和频谱失真，采用流水线设计后，计算复杂度和信号处理延时没有明显增加。Welch 功率谱估计方法的具体流程如图2 所示[4]。

图2 Welch 功率谱估计方法

数据分段后，设分段数据为x(i),i=1,…,N，窗函数为w(i)，其分段功率谱估计为：

（2）频谱检测方法。通过遍历功率谱估计值，对各频点功率谱密度和预设门限进行比较，认为大于预设门限的频点存在待识别信号，反之不存在待识别信号。

相同功率信号因带宽和调制方式不同，功率谱密度的分布情况存在一定差异。在相同频谱分辨率的情况下，随信号带宽的增加，信号功率谱密度分布的差异愈发显著，直接降低了单一预设门限的有效性，从而影响频谱检测结果的可靠性。针对宽带信号检测，为了尽可能提高检测可靠性，避免单一预设门限失效的可能，采用二次频谱检测方法。首先，进行待识别频段检测，检测门限为预设信号检测门限。在遍历频谱过程中，认为连续或间歇大于检测门限的频段为待识别频段。通过待识别频段检测，可以有效检测存在待识别信号的频段，但不能完全确认待识别信号数量和频谱特征。其次，对待识别频段进行待识别信号检测，检测门限通过待识别频段内频谱密度极大值和均值实时计算得出。通过待识别信号检测，可以有效检测待识别频段内待识别信号的具体数量和频谱特征。最后，通过待识别频段检测和待识别信号检测的二次频谱检测，完成对待识别信号数量、频谱基本特征的检测。

1.2 带宽估计

信号带宽一般指信号所占频带宽度，通常以3 dB 带宽作为衡量标准，具体指信号幅度与信号最大值相差3 dB 所对应的频带宽度，对应功率表示信号功率为信号最大功率的1/2。

先通过信号检测搜索到待识别信号获得待识别信号最大功率值Pmax，从而计算出功率谱3 dB 带宽门限Th3dB，计算公式为：

1.3 调制识别

针对L 频段典型宽带信号，以2FSK、QPSK 和QAM 调制方式的信号为例进行调制识别说明。

若2FSK 信号的中心频率为fc，偏移频率为fb，则其功率谱存在两条关于fc对称的离散谱线。谱线位置分别位于{fc±fb}，其四次方谱谱线位置分别位于{fc±4fb}。

若QPSK 或QAM 信号的中心频率为fc，成型滤波器采样周期为TS，则其功率谱和二次方谱均不存在明显谱线。四次方谱在存在离散谱线，谱线衰减速度大于或等于f-4，因此处谱线远远小于处谱线。

基于上述调制信号功率谱和四次方谱的不同特征，通过功率谱和四次方谱的谱线数量，可以有效识别基于频率调制的FSK 信号和基于相位/幅度调制的QPSK 或QAM 信号。

为进一步识别QPSK 和QAM 信号，对一定时间内信号能量峰值进行检测。QPSK 信号星座图各点均位于同一单位圆上，峰值振幅一致，峰值能量稳定；QAM 信号星座图不在同一单位圆上，振幅不一致，信号能量变化较大。基于此，通过判断一段时间内信号能量方差的大小，对QPSK 和QAM信号进行区分。

1.4 符号速率估计

符号速率是单位时间内传输符号的个数，其估计精度不仅影响后续解调、同步等的成功率，更直接影响对具体信号类型的判断。针对L 频段典型宽带信号，以2FSK、QPSK 和QAM 调制方式的信号为例进行说明。

2FSK 信号的符号速率估计，在调制指数不明确的情况下，通常很难通过频谱信息进行直接估计，而小波变换能对局部时域信号的频域特征进行有效分析。利用2FSK 信号在同一符号时间内能量集中于单一频点的特点，通过小波变换对2FSK 信号的时频域特征进行分析，可以较容易地估计信号的符号速率。

为进一步降低计算复杂度和实现难度，先通过采用多分辨率2 阶Mallat 快速离散小波变换对2FSK 进行时频域变换，再通过比较同一时段不同频段能量的大小确定2FSK 信号在该时段的信号频率，从而实现该时段的信号符号估计。最后，通过统计、分析各符号最短持续时间，估计2FSK 信号的符号速率。多分辨率离散小波变换第j阶模糊分量和细节分量为：

式中，d为尺度因子，为尺度函数和小波函数双尺度差分方程的函数序列空间。

2FSK 符号速率估计的具体流程如图3 所示。

图3 2FSK 符号速率估计流程

QPSK 和QAM 信号四次方谱的谱线位置和符号速率具有强相关性[5]。通过检测信号四次方谱谱线位置，可以直接估算出信号的符号速率。若信号四次方谱的谱线分别位于f1、f2和f3(f1＜f2＜f3)，则其符号速率fsymbol的计算公式为：

2 宽带信号检测算法的FPGA 设计方案

项目研发需要在无线电监测中实现对宽带信号的检测，针对典型的宽带信号进行研究，具体参数为：载波为L 频段，调制带宽为0.444～4.812 MHz，码速率为0.296～2.406 Msps，调制方式为QPSK、FSK 和16QAM。信号检测方案为通过接收天线和宽带射频进行信号接收，并变频到140 MHz中频、60 MHz 带宽的中频模拟信号。采用200 MHz采样率对中频信号进行ADC 量化，并进行后续信号检测。

首先，通过中频信号功率谱检测模块对信号进行检测，当发现未知信号后，对其中心频点、信号带宽进行预识别。若信号带内不存在明显谱线，则预识别信号为QPSK 或16QAM 信号；反之，预识别信号为FSK 信号。

其次，通过数字下变频模块将信号中心频率下变频，并降采样率至20 MHz。若信号预识别为QPSK 或16QAM 信号，则通过数字下变频模块将信号中心频率下变频至零频。若信号预识别为2FSK信号，则通过数字下变频模块将信号中心频率下变频至5 MHz。

再次，若信号预识别为QPSK 或16QAM 信号，则通过四次方谱进一步确认调制样式，并通过谱线间关系估计信号符号速率。若信号预识别为2FSK信号，则通过下变频后信号的功率谱进一步确认调制样式。

最后，若信号识别为QPSK 或16QAM 信号，则将下变频后信号通过峰值能量检测模块检测信号能量峰值变化情况，进一步区分QPSK 和16QAM信号。若信号预识别为2FSK 信号，则通过离散小波变换模块估计信号符号速率。

宽带信号检测具体设计方案如图4 所示。宽带信号检测具体流程如图5 所示。

图4 宽带信号检测设计方案

3 试验验证

3.1 FPGA 资源占用情况

通过赛灵思V7 系列FPGA 芯片进行仿真和试验，宽带信号检测由于采样率较高，导致FPGA 资源占用较大，故项目组通过对算法优化设计以降低FPGA 资源占用。经过测试，宽带信号检测模块共使用片内查找表资源36059 个，寄存器资源47239个，块RAM 资源430.5 个，DSP 资源362 个，各模块资源占用的具体情况如图6 所示。

3.2 2FSK 信号符号速率试验

在带内信噪比为20 dB、符号速率为296 ksps、信号采样率为20 MHz 的情况下，2FSK 符号估计仿真结果如图7 所示。共统计16384 个采样点，符号估计错误采样点38 个，占信号总采样数0.23%。利用恢复信号对符号速率进行估计，估计错误采样点对信号符号速率估计没有显著影响。

3.3 信号检测试验

为测试整体系统性能，先建立8 种典型信号样本，在样本信号带内信噪比8～20 dB。每次随机选择一种信号样本作为输入信号，随机选择开始检测时间，最后通过宽带信号检测模块对信号进行检测。检测共进行13000 次，正确识别出信号调制样式和符号速率12793 次，合计正确率为98.41%。信号样本具体调制方式及符号速率如表1 所示，不同信噪比下检测准确率如图8 所示。

图5 宽带信号检测具体流程

图6 FPGA 内部资源占用情况

图7 2FSK 符号速率估计情况

表1 典型信号样本

图8 不同信噪比下检测准确率

分析数据可知，现有系统对各典型信号都有较好的检测准确率。其中，2FSK 信号检测准确率最高，QPSK 信号检测准确率次之，16QAM 信号检测准确率相对较低。进一步分析可知，虽然QPSK 和16QAM 信号四次方谱谱线衰减速率一致，但由于16QAM 信号平均能量小于QPSK 信号，谱线更易被噪声遮挡，降低了检测准确率，但是其检测准确率不低于90%，仍能满足工程化使用要求。

4 结语

宽带传输体制信号是目前无线电监测的重要目标，基于现场可编程逻辑器件（FPGA）的数字化处理单元进行宽带信号检测对无线电监测工程应用有着重要意义。本文通过分析宽带信号检测的算法流程，结合项目需求，设计了一种基于FPGA 平台的宽带信号检测实现方法和流程。该方法充分利用了宽带信号典型调制样式的特性，对信号检测、带宽估计、调制识别以及符号速率估计进行了设计，并基于FPGA 平台进行了实现。通过试验测试验证，该方法在满足FPGA 硬件开销的前提下，可以实现对宽带信号的精确检测，目前已在某项目中获得实际应用。