專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于欠采樣的電子偵察寬帶數(shù)字接收信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子偵察寬帶數(shù)字接收領(lǐng)域中雷達(dá)信號(hào)的數(shù)字處理方法。
背景技術(shù)：
寬帶數(shù)字接收機(jī)技術(shù)是電子偵察領(lǐng)域的一個(gè)熱門(mén)課題，隨著處理帶寬的增大，對(duì)
AD的采樣率和后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理能力的要求也增加，這在工程實(shí)現(xiàn)上帶來(lái)困難。
目前電子偵察寬帶數(shù)字接收機(jī)的處理對(duì)象通常是復(fù)信號(hào)(如數(shù)字信道化接收機(jī)，
見(jiàn)文獻(xiàn)[l-4])，如果被采樣信號(hào)是I、 Q兩路互相正交的復(fù)信號(hào)，那么接收機(jī)的系統(tǒng)處理帶
寬等于兩路AD的采樣速率。但是接收到的雷達(dá)信號(hào)為單路的實(shí)信號(hào)，在系統(tǒng)處理帶寬較大
的時(shí)候(特別對(duì)于1GHz以上時(shí))，將實(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為復(fù)信號(hào)存在較大的難度用模擬器件將
寬帶內(nèi)的實(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為正交兩路復(fù)信號(hào)，其幅相一致性很難達(dá)到后端處理的要求；而用數(shù)
字的方法做正交變換，在硬件中將會(huì)消耗過(guò)多的邏輯資源，使得正交化和信號(hào)處理不能同
時(shí)在一片器件中完成，增加了工程實(shí)現(xiàn)的難度。如果接收信號(hào)實(shí)信號(hào)，那么根據(jù)耐奎斯特采
樣定律，其處理帶寬只有AD器件采樣頻率的一半。 寬帶數(shù)字接收機(jī)是電子偵察數(shù)字接收機(jī)的發(fā)展方向，其特點(diǎn)就是在現(xiàn)有的電子器 件水平的基礎(chǔ)上，盡可能地提高接收機(jī)的處理帶寬(目前對(duì)接收機(jī)的處理帶寬要求往往在 1GHz以上)。隨著對(duì)接收機(jī)處理帶寬要求的日益加大，用模擬器件將寬帶實(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為復(fù) 信號(hào)的工作難度很大，而用數(shù)字的方法做正交變換又不適合復(fù)雜度較高的工程實(shí)現(xiàn)，因此 在這種情況下，接收機(jī)只能對(duì)單路的實(shí)信號(hào)進(jìn)行處理，其處理帶寬受到AD器件采樣頻率的 制約，只能達(dá)到AD器件采樣頻率的一半。因此，找到一種在工程較為可行的方法，在避免使 用復(fù)信號(hào)的前提下，使得接收機(jī)的處理帶寬能夠突破AD器件采樣頻率的一半，并盡量提高 處理帶寬，成為電子偵察寬帶數(shù)字接收機(jī)急待解決的重點(diǎn)問(wèn)題。
參考文獻(xiàn) [1]徐文明.數(shù)字信道化接收機(jī)的FPGA實(shí)現(xiàn)[D].南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論 文，2005. 2. [2]王旭東.基于FPGA的雷達(dá)信號(hào)偵察數(shù)字接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京航空 航天大學(xué)博士學(xué)位論文，2007. 12. [3]張梭梭.數(shù)字信道化接收機(jī)的研究與FPGA實(shí)現(xiàn)[D].南京航空航天大學(xué)碩士 學(xué)位論文，2006. 12. [4]張?chǎng)析?基于梳狀濾波器的寬帶數(shù)字接收機(jī)研究與FPGA實(shí)現(xiàn)[D].南京航空 航天大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008. 12. [5]Winograd S. On Computing the Discrete Fourier Transform[J]. Proc. Nat. Acad. Sci. USAO，1976， 73(4) :1005-1006.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提出一種基于欠采樣的電子偵察寬帶數(shù)字接收信號(hào)處理方法，通過(guò)對(duì)實(shí)信號(hào)進(jìn)行處理，可以使得字接收機(jī)的處理帶寬達(dá)到AD的采樣頻率，這樣，比以往 的數(shù)字接收機(jī)的處理帶寬增加了一倍(以往數(shù)字接收機(jī)的處理帶寬僅為AD器件的采樣頻 率的一半)，滿足在電子偵察領(lǐng)域?qū)拵Ы邮盏男枨蟆?
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案 本發(fā)明基于欠采樣的電子偵察寬帶數(shù)字接收信號(hào)處理方法，其特征在于包括如下 步驟 (1)確定接收機(jī)的系統(tǒng)帶寬fb，并選擇兩個(gè)采樣頻率分別為fsl = fb和fs2 > fb的 采樣AD ; (2)根據(jù)時(shí)間分辨率和頻率分辨率確定對(duì)兩個(gè)AD采集信號(hào)做FFT的點(diǎn)數(shù)N ;
(3)根據(jù)FGPA的時(shí)鐘頻率范圍，確定每路AD輸出數(shù)據(jù)的路數(shù)P;
(4)用實(shí)驗(yàn)的方式統(tǒng)計(jì)接收機(jī)的系統(tǒng)噪聲的方差o 2 ; (5)根據(jù)步驟(4)所述的接收機(jī)的系統(tǒng)噪聲的方差o 2得到第一采樣AD的頻譜檢
測(cè)門(mén)限為4-3x^"2/厶，第二采樣AD的頻譜檢測(cè)門(mén)限為4-3x^O"2//^ ; (6)根據(jù)Winograd算法分別對(duì)兩路AD采集信號(hào)做PX(N/P)點(diǎn)FFT運(yùn)算，得到第
一采樣AD的第一頻率譜和第二采樣AD的第二頻率譜； (7)分別對(duì)步驟(6)所述的兩個(gè)頻率譜求模； (8)搜索出第一頻率譜的模的最大值Ku及其在譜線中的位置Pn，次大值K12及其 在譜線中的位置P^;搜索出第二頻率譜的模的最大值K21及其在譜線中的位置P^次大值 K22及其在譜線中的位置P^; (9)如果1(12 > A!且K22 > 4，則轉(zhuǎn)向步驟(10);如果Kn 〉A(chǔ)i且K^ 〈Ai且K^ > 4且1(22<4，則轉(zhuǎn)向步驟(11);否則轉(zhuǎn)向步驟(6); (10)輸入信號(hào)中有兩個(gè)頻率分量，則m二 l或2，估計(jì)得到兩個(gè)原正弦波分量的頻 率值 / = 了/ ，/ /W，轉(zhuǎn)向步驟(6)，其中f' m、f" m分別
為第一、第二采樣AD的投影頻率，下同； (11)輸入信號(hào)中只有一個(gè)頻率分量，則m = l，得到原正弦波分量的頻率 本發(fā)明在避免使用復(fù)信號(hào)的前提下，使得接收機(jī)的處理帶寬能夠突破AD器件采 樣頻率的一半，提高了處理帶寬，有效地滿足了在信息時(shí)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，對(duì)日益增多的超寬帶信 號(hào)雷達(dá)的截獲和處理需求，并且具備對(duì)同時(shí)存在的多部雷達(dá)的信號(hào)的同時(shí)處理能力。從實(shí) 現(xiàn)流程圖上看，本算法的計(jì)算量小，并且當(dāng)接收機(jī)的工作帶寬(即AD的采樣率)增加時(shí)，只 需要改變AD輸出數(shù)據(jù)的路數(shù)P以及做FFT的點(diǎn)數(shù)N即可，在FPGA內(nèi)部只增加了少量的資 源消耗就可以實(shí)現(xiàn)，因此有效地解決了寬帶數(shù)字接收機(jī)中的數(shù)據(jù)"瓶頸"問(wèn)題，具備較高的 工程應(yīng)用價(jià)值。
，轉(zhuǎn)向步驟(6)。


圖1為本發(fā)明方法流程圖, 圖2為正弦波分j 為信號(hào)"frequency—1，，禾口
圖3為正弦波分〗 為信號(hào)"frequency—1，，禾口
圖4為正弦波分〗 為信號(hào)"frequency—I ，，禾口
t頻率為200MHz和300MHz時(shí)的FPGA仿真結(jié)果，頻率估計(jì)的結(jié)果 frequency—2"，估計(jì)值分別為203125和296875，單位為kHz。 t頻率為100MHz和600MHz時(shí)的FPGA仿真結(jié)果，頻率估計(jì)的結(jié)果 frequency—2"，估計(jì)值分別為109375和609375，單位為kHz。 t頻率為100MHz和700MHz時(shí)的FPGA仿真結(jié)果，頻率估計(jì)的結(jié)果 frequency—2"，估計(jì)值分別為93750和703125，單位為kHz。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明 本發(fā)明對(duì)實(shí)信號(hào)采用兩個(gè)采樣速率接近的AD分別進(jìn)行采樣，設(shè)它們的采樣速率 分別為fsl和fs2(fsl > fs2)，那么寬帶數(shù)字接收機(jī)的處理帶寬能達(dá)到fs2。并且本發(fā)明算法 針對(duì)的接收信號(hào)，可以是單頻率成分的正弦波信號(hào)，也可以是包含兩個(gè)頻率的多成分信號(hào)。
假設(shè)接收機(jī)的處理帶寬為fb，輸入信號(hào)x (t)為M個(gè)頻率在0 fb之間的正弦波分 量疊加，信號(hào)模型如(1)式和(2)式所示，其中x(t)是輸入信號(hào)，x邁(t)是第m個(gè)分量，A邁、 fm和A分別為第m個(gè)分量的幅度、頻率和初始相位，且0《fm < fb。 用兩個(gè)采樣率分別為fsl和fs2的AD對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，其中fs《fs2 < fsl < 2fs。 兩個(gè)AD采集到的信號(hào)序列分別如(3)式和(4)式所示，其中n = O，l，， L_l。對(duì)yi (n) 做離散傅立葉變換(DFT)得到它的頻譜Yjk)。由于實(shí)信號(hào)的頻譜有正、負(fù)頻率兩個(gè)分量， 它們對(duì)稱(chēng)于fs/2，我們僅保留Yjk)的前一半(k〈L/2)，用Yjk)表示，即(5)式。
Yjk)中的譜峰對(duì)應(yīng)的頻率值f' m稱(chēng)作第m個(gè)正弦波分量在Yjk)中的投影頻率。 對(duì)序列^(n)做同樣處理，得到Y(jié)jk)， Y2(k)中的譜峰對(duì)應(yīng)的頻率值f〃 m稱(chēng)為第m個(gè)正弦
波分量在L(k)中的投影頻率。投影頻率f' m和f〃 m與正弦波分量的真實(shí)頻率fm的對(duì)應(yīng)
關(guān)系見(jiàn)(6)式和(7)式。 從(6)式和(7)式中可以看出，當(dāng)?shù)趍個(gè)正弦波分量的頻率大于f《/2時(shí)，就可能
產(chǎn)生頻率模糊?，F(xiàn)在考慮如何利用投影頻率f' m和f〃 m解出原正弦波分量的頻率fm。 A.當(dāng)輸入信號(hào)中只有一個(gè)正弦波分量時(shí)，m二 l，需要根據(jù)f'工和f〃 J牟出原正 弦波分量的頻率4。根據(jù)(6)式和(7)式對(duì)信號(hào)的頻率分三段進(jìn)行討論 (1)當(dāng)^ < fs2/2時(shí)，f' ! = f 〃 i = f工； (2)當(dāng)fs2/2《4〈fV2時(shí)，f' i二f"f〃 i二fs2-f"且f' ,f" ,fs2; (3)當(dāng)^ > fsl/2時(shí)，f'丄=fs「仁，f"丄=fs2-^，且f' 「f"工=fs「fs2。 從以上分析中可以看出，對(duì)于輸入信號(hào)中只有一個(gè)正弦波分量的情況，我們可以
利用f' pf〃 i正確解出信號(hào)頻率，概括如下對(duì)于頻率組合(f' m，f〃 J，如果滿足條件
f' m=f" m、f' m+f〃 m = f s2 、 f ' m-f 〃 m = f s「f s2之一 時(shí)，可以根據(jù)(8)式解出頻率值 fm。而反過(guò)來(lái)，如果f' m和f〃 m分別是頻率值為fm的正弦波分量在l(k)和Yjk)上的投 影頻率，那么f' m和f〃 m—定滿足以上三個(gè)條件中的一個(gè)，這種情況下，我們稱(chēng)頻率組合 (f' m，f"J有解，其解為fm，否則稱(chēng)頻率組合(f' m，f"m)無(wú)解。 B.當(dāng)輸入信號(hào)中有兩個(gè)正弦波分量時(shí)，m二 l或2，必須先對(duì)投影頻率f' ^f' 2 G Yjk)和f' m、 f〃 2 G Y2(k)進(jìn)行配對(duì)，正確配對(duì)時(shí)，就可用(8)式對(duì)兩組正確配
對(duì)分別求解，解出^和&。這四個(gè)投影頻率可以有兩種配對(duì)組合Kf'p f〃》，(f' 2，
f"2腳Kf' pf"2)，(f' 2，f"》h現(xiàn)假設(shè)Kf' pf"》，(f' 2，f" 2)}是正確配
對(duì)組，那么錯(cuò)誤配對(duì)組合Kf' pf〃》，(f' 2，f'》}不可能同時(shí)有解，那么可以根據(jù)這
一特性，就可以在兩組配對(duì)組合中找出正確的一組Kf' 》，(f' 2，f" 2)}。 本設(shè)計(jì)算法利用兩個(gè)異速采樣AD對(duì)包含一個(gè)或兩個(gè)頻率分量的信號(hào)進(jìn)行采集， 通過(guò)對(duì)采集信號(hào)的處理，分辨出信號(hào)中頻率分量的數(shù)量，并估計(jì)出各分量的頻率值，其算法 流程如圖1所示，實(shí)現(xiàn)方案的算法描述如下 (1)根據(jù)需求確定接收機(jī)的系統(tǒng)帶寬fb，并選擇兩個(gè)AD的采樣頻率分別為fsl = f b和f s2 > f b ; (2)根據(jù)時(shí)間分辨率和頻率分辨率確定對(duì)兩個(gè)AD采集信號(hào)做FFT的點(diǎn)數(shù)N ;
(3)根據(jù)FGPA的時(shí)鐘頻率范圍，確定每路AD輸出數(shù)據(jù)的路數(shù)P;
(4)用實(shí)驗(yàn)的方式統(tǒng)計(jì)接收機(jī)的系統(tǒng)噪聲的方差o 2 : (5)計(jì)算1號(hào)AD的頻譜檢測(cè)門(mén)限為羊=3x A2/^ ，計(jì)算2號(hào)AD的頻譜檢測(cè)門(mén)限 (6)根據(jù)文獻(xiàn)[5]的Winograd算法分別對(duì)兩路AD采集信號(hào)做P X (N/P)點(diǎn)FFT運(yùn) 算，得到兩個(gè)頻率譜，記為第一頻率譜和第二頻率譜；
(7)分別對(duì)這兩個(gè)頻率譜求模； (8)搜索出第一頻率譜的模的最大值Ku及其在譜線中的位置Pn，次大值K12及其 在譜線中的位置P^;搜索出第二頻率譜的模的最大值K21及其在譜線中的位置P^次大值 K22及其在譜線中的位置P^; (9)如果K12 > A!且K22 > A2，則轉(zhuǎn)向步驟(10)，如果Kn > A!且K12 < A!且K21 >
4且1(22<4，則轉(zhuǎn)向步驟(ll)，否則轉(zhuǎn)向步驟(6); (10)輸入信號(hào)中有兩個(gè)頻率分量，根據(jù)"B."中的方法估計(jì)兩個(gè)頻率值，轉(zhuǎn)向步驟(6);
(11)輸入信號(hào)中只有一個(gè)頻率分量，根據(jù)(8)式估計(jì)頻率值，轉(zhuǎn)向步驟(6);
在FPGA中實(shí)現(xiàn)本算法，以測(cè)試該發(fā)明的實(shí)用性與正確性。用Matlab產(chǎn)生兩路 AD(第一 AD的采樣頻率為lGHz，第二 AD的采樣頻率為960MHz)采集到的實(shí)信號(hào)，并用 Multisim軟件對(duì)FPGA設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，令輸入信號(hào)為實(shí)連續(xù)波信號(hào)，其中兩個(gè)正弦波分量的 幅度相等，頻率分別為(200MHz, 300MHz) 、 (100MHz，600MHz)和(lOOMHz， 700MHz)，仿真結(jié)果 分別為附圖中的圖(2)、圖(3)和圖(4)。其中圖(2)中得出的仿真結(jié)果頻率為203125Hz 和296875Hz，圖(3)中得出的仿真結(jié)果頻率為109375Hz和609375Hz，圖(4)中得出的仿真 結(jié)果頻率為93750Hz和703125Hz 。三個(gè)圖的結(jié)果顯示，該FPGA設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了兩信號(hào)的實(shí) 時(shí)處理算法，能夠?qū)Π瑑蓚€(gè)正弦波頻率成分的信號(hào)正確地進(jìn)行頻率配對(duì)以得到兩個(gè)頻率 分量的頻率估計(jì)值，并且系統(tǒng)處理帶寬為960MHz，等于第二 AD器件的采樣頻率。
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，當(dāng)<formula>formula see original document page 7</formula>
權(quán)利要求
一種基于欠采樣的電子偵察寬帶數(shù)字接收信號(hào)處理方法，其特征在于包括如下步驟(1)確定接收機(jī)的系統(tǒng)帶寬fb，并選擇兩個(gè)采樣頻率分別為fs1＝fb和fs2＞fb的采樣AD；(2)根據(jù)時(shí)間分辨率和頻率分辨率確定對(duì)兩個(gè)AD采集信號(hào)做FFT的點(diǎn)數(shù)N；(3)根據(jù)FGPA的時(shí)鐘頻率范圍，確定每路AD輸出數(shù)據(jù)的路數(shù)P；(4)用實(shí)驗(yàn)的方式統(tǒng)計(jì)接收機(jī)的系統(tǒng)噪聲的方差σ2；(5)根據(jù)步驟(4)所述的接收機(jī)的系統(tǒng)噪聲的方差σ2得到第一采樣AD的頻譜檢測(cè)門(mén)限為第二采樣AD的頻譜檢測(cè)門(mén)限為(6)根據(jù)Winograd算法分別對(duì)兩路AD采集信號(hào)做P×(N/P)點(diǎn)FFT運(yùn)算，得到第一采樣AD的第一頻率譜和第二采樣AD的第二頻率譜；(7)分別對(duì)步驟(6)所述的兩個(gè)頻率譜求模；(8)搜索出第一頻率譜的模的最大值K11及其在譜線中的位置P11，次大值K12及其在譜線中的位置P12；搜索出第二頻率譜的模的最大值K21及其在譜線中的位置P21，次大值K22及其在譜線中的位置P22；(9)如果K12＞A1且K22＞A2，則轉(zhuǎn)向步驟(10)；如果K11＞A1且K12＜A1且K21＞A2且K22＜A2，則轉(zhuǎn)向步驟(11)；否則轉(zhuǎn)向步驟(6)；(10)輸入信號(hào)中有兩個(gè)頻率分量，則m＝1或2，估計(jì)得到兩個(gè)原正弦波分量的頻率值轉(zhuǎn)向步驟(6)，其中f′m、f″m分別為第一、第二采樣AD的投影頻率，下同；(11)輸入信號(hào)中只有一個(gè)頻率分量，則m＝1，得到原正弦波分量的頻率轉(zhuǎn)向步驟(6)。FSA00000046075500011.tif,FSA00000046075500012.tif,FSA00000046075500013.tif,FSA00000046075500014.tif
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于欠采樣的電子偵察寬帶數(shù)字接收信號(hào)處理方法，本發(fā)明方法如下確定接收機(jī)的系統(tǒng)帶寬，選擇兩個(gè)采樣AD；根據(jù)Winograd算法分別對(duì)兩路AD采集信號(hào)做FFT運(yùn)算，得到第一采樣AD的第一頻率譜和第二采樣AD的第二頻率譜；分別對(duì)兩個(gè)頻率譜求模；搜索出第一、第二頻率譜的模的最大值及其在譜線中的位置，次大值及其在譜線中的位置；最后得到原正弦波分量的頻率值。本發(fā)明在避免使用復(fù)信號(hào)的前提下，使得接收機(jī)的處理帶寬能夠突破AD器件采樣頻率的一半，并提高了處理帶寬。
文檔編號(hào)G01S7/00GK101793952SQ20101012909
公開(kāi)日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)明者劉渝, 王旭東, 胥嘉佳 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)