基于高通滤波器的脉冲信号检测研究

吴海峰

(张家界航空工业职业技术学院 航空制造工程系， 湖南 张家界 427000)

0 引言

在人们生活中，时刻都要接收到各种信号，其中脉冲信号在许多领域都存在，如雷达、通信传输、海杂波等，因此对脉冲信号进行研究具有重要意义[1]。脉冲信号是一种微弱信号，不容易被检测出来，而且脉冲信号中通常包含了大量的噪声，这些噪声会对脉冲信号质量产生干扰，脉冲信号常容易被噪声湮没，信噪比比较低。如何在不破坏原始脉冲信号的前提下，对脉冲信号进行有效检测，是脉冲信号处理研究领域当前迫切需要解决的一个难题[2-3]。

当前国内外许多学者和专家对脉冲信号检测问题进行了深入分析和研究，出现许多有效的脉冲信号检测技术[4]，当前脉冲信号检测技术可以划分为两类：一类是基于硬件的脉冲信号检测技术；另一类是基于软件的脉冲信号检测技术。硬件技术主要采用专门工具，通过专业人员对脉冲信号进行检测，提高脉冲信号检测精度，但是由于专业性比较强，因此不容易推广，无法得到广泛应用，实际应用价值低[5-7]。软件技术主要引入混沌理论、小波分析对脉冲信号进行检测，如考虑脉冲信号的混沌特性，通过混沌理论重构脉冲信号，拟合脉冲信号的变化轨迹，并通过引入自回归等模型对脉冲信号变化特点进行预测，从而实现脉冲信号的检测；小波分析主要考虑脉冲信号中的噪声，首先对脉冲信号进行分解，使有用脉冲信号和噪声分离开来，抑制噪声对脉冲信号的干扰，恢复微弱脉冲信号，最后引入神经网络建立脉冲信号检测分类器，实现脉冲信号检测，软件技术的脉冲信号检测精度要低于硬件技术，并且脉冲信号检测成本低[8-10]。由于脉冲信号变化十分复杂，采用单一硬件技术或者软件技术均无法获得理想的脉冲信号检测结果，脉冲信号检测问题有待进一步研究[11-12]。

针对当前脉冲信号检测技术存在的局限性，为了获得理想的脉冲信号检测结果，本文设计了基于高通滤波器的脉冲信号检测系统，从硬件和软件两个方面对脉冲信号检测问题进行研究，并在相同实验条件下，与其他脉冲信号检测系统进行了对比测试，测试结果表明，高通滤波器的脉冲信号检测效果要明显优于脉冲信号检测系统，脉冲信号检测结果更加可信。

1 基于高通滤波器的脉冲信号检测系统具体设计

1.1 脉冲信号检测系统的硬件框架

一个完整的脉冲信号检测系统包括硬件和软件两部分，硬件是脉冲信号检测的基础，与脉冲信号检测效果直接相关，脉冲信号检测软件是系统的灵魂，同样重要，高通滤波器的脉冲信号检测系统硬件框架如图1所示。

图1 脉冲信号检测系统的硬件结构

对图1的高通滤波器的脉冲信号检测系统硬件框架进行分析可以知道，主要包括脉冲信号采集器、脉冲信号前置放大器、脉冲信号后置放大器、高通滤波器等。脉冲信号采集器主要负责脉冲信号的采集，将模拟信号变为数字信号，并将脉冲信号传输到脉冲信号前置放大器中。由于脉冲信号是一种微弱信号，直接进行处理，无法获得理想的脉冲信号检测结果，因此通过前置放大器和后置放大器处理微弱脉冲信号，增强脉冲信号强度。

1.2 前置放大器设计

前置放大器是脉冲信号检测系统的关键模块，由于脉冲信号属于微弱信号，需要采用高阻抗特性的放大器，本文选择的放大器为LF356，其结构如图2所示。

图2 脉冲信号的放大电路

对于脉冲信号的前置放大器来说，电阻(R)和电容(C)与脉冲信号频率有一定的关系，具体关系可以描述为式(1)。

(1)

其中，Cw和Cm分别为等效电容和反馈电容，两者之间的关系为式(2)。

(2)

1.3 高通滤波器

采用高通滤波器对前置放大器处理后的脉冲信号进行滤波操作，改善脉冲信号质量，满足数模转换所需的脉冲信号强度，其结构具体如图3所示。

在图3中，一些低频漂移信号和低频噪声由高通滤波器进行优化。

图3 高通滤波器的结构

为防止脉冲信号的特性发生改变，需要对滤波器截止频率进行调节。低通采样输出为式(3)。

(3)

式中，y为调节因子。fij(x)和bij(x)分别为第x帧的低通滤波输出和误差，那么高通滤波器的输入为式(4)。

dij(x)=bij(x)-fij(x)

(4)

高通滤波器的传递函数H(s)为式(5)。

(5)

截止频率为式(6)。

(6)

1.4 脉冲信号检测系统的工作流程

脉冲信号检测系统是一种智能检测系统，由于单片机具有较好信号处理和控制能力，因此本文构建的脉冲信号检测系统通过单片机实现。单片机采用静态组合逻辑，能够进行乘法和累加操作，包含数据和程序存储器，脉冲信号检测系统的工作流程如图4所示。

图4 脉冲信号检测系统的工作流程

2 脉冲信号检测系统的性能分析

2.1 本文脉冲信号检测系统的性能分析

为测试脉冲信号检测系统的性能，选择不同的脉冲信号作为对象，比较本文系统滤波前后的脉冲信号，实验结果如图5所示。

分析图5的实验结果可以发现，对于不同的脉冲信号，本文系统可以高精度检测出相应的信号，这主要是由于本文脉冲信号检测系统引入高通滤波器对信号进行了放大和优化处理，有利于提高脉冲信号检测结果。

(a) 滤波前的脉冲信号

(b) 滤波后的脉冲信号

2.2 与其他系统的脉冲信号检测结果比较

为测试高通滤波器的脉冲信号检测系统的优越性，在相同实验条件下，选择基于FPGA的脉冲信号检测系统、多重累积相关的脉冲信号检测系统进行对比实验，采用脉冲信号检测时间(ms)、存储空间(B)和脉冲信号检测精度(%)对实验结果进行评价。

2.2.1 脉冲信号检测系统的检测时间对比

统计3种脉冲信号检测系统的检测时间，结果如图6所示。

图6 不同系统的不同频率脉冲信号检测时间

对图6的检测时间进行对比和分析可以知道，本文脉冲信号检测系统的检测时间要远远少于对比系统，加快了脉冲信号检测速度，大幅度节约了脉冲信号检测时间，使得脉冲信号检测成本更低。

2.2.2 脉冲信号检测系统的存储空间对比

统计3种脉冲信号检测系统的存储空间，结果如表1所示。

表1 不同系统的脉冲信号存储空间

对表1的存储空间进行对比和分析可以知道，本文脉冲信号检测系统的存储空间少于对比系统，节约了脉冲信号的存储空间，这是由于本文系统通过高通滤波器对脉冲信号进行了处理，消除了一些无用的信号。

2.2.3 不同系统的脉冲信号检测效果比较

选择脉冲信号检测精度和误差率对脉冲信号检测准确性进行评价，得到实验结果如表2所示。

表2 不同系统的脉冲信号检测精度和错误率

从表2的实验结果可以看出，本文系统的脉冲信号检测精度最高，减少了脉冲信号检测误差率，获得了更加理想的脉冲信号检测效果。

3 总结

由于脉冲信号在采集过程中，受到外界环境因素的干扰，脉冲信号的质量低，影响脉冲信号检测效果，为了改善脉冲信号检测效果，消除一些不利因素的影响，提出了基于高通滤波器的脉冲信号检测系统，该系统包括原始脉冲信号的放大操作，脉冲信号的高通滤波处理以及脉冲信号检测模块，最后与其他脉冲信号检测系统进行了对比测试。结果表明，本文系统的脉冲信号检测精度高，降低了脉冲信号检测偏差，同时缩短了脉冲信号检测时间，加快了脉冲信号速度，具有广泛的应用前景。