何 軍

(中國(guó)人民解放軍駐201所軍事代表室，北京 100072)

基于短時(shí)傅里葉變換的跳頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 軍

(中國(guó)人民解放軍駐201所軍事代表室，北京 100072)

基于長(zhǎng)短窗口結(jié)合的傅里葉變換技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種適用于裝甲車輛通信設(shè)備的信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，該檢測(cè)系統(tǒng)由射頻處理模塊、中頻處理模塊和ARM處理模塊組成.試驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)囕d通信設(shè)備跳頻信號(hào)主要性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，達(dá)到了判定跳頻設(shè)備工作狀態(tài)是否正常的目標(biāo)，從而滿足了裝甲車輛通信的正常需求.

裝甲車輛通信；跳頻信號(hào)檢測(cè)；時(shí)頻分析；傅里葉變換

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)環(huán)境日趨復(fù)雜，信號(hào)分布密集、種類繁多，裝甲車輛通信系統(tǒng)的高效運(yùn)行尤為重要，要從各種噪聲、信號(hào)中快速檢測(cè)出車載通信設(shè)備跳頻信號(hào)并及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行修正保證戰(zhàn)場(chǎng)通信的互聯(lián)互通更是一項(xiàng)很大的技術(shù)挑戰(zhàn).目前，車載跳頻設(shè)備檢測(cè)分析主要的研究方向集中在時(shí)頻分析技術(shù)上[1].時(shí)頻分析法在分析跳頻信號(hào)上有很大優(yōu)勢(shì)，通過這一方法，不僅可以有效檢測(cè)出跳頻信號(hào)，同時(shí)也可以有效估計(jì)跳頻信號(hào)的各種參數(shù).當(dāng)前主流的時(shí)頻分析方法各有利弊，Hilbert變換雖然對(duì)于單頻信號(hào)有很高的時(shí)間分辨率和頻率分辨率，但是對(duì)于多頻信號(hào)無物理意義；平滑偽WVD分布雖然能抑制和消除大部分交叉干擾項(xiàng)，但是計(jì)算量太大.從實(shí)現(xiàn)角度來看，短時(shí)傅里葉具有計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)越性，并且運(yùn)算速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但是時(shí)間分辨率和頻率分辨率難以同時(shí)取得高分辨率，如果能有效解決這個(gè)問題，實(shí)時(shí)檢測(cè)跳頻信號(hào)就成為了可能.本研究基于該思路，提出一種跳頻檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.

1 跳頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

跳頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)主要包含射頻處理模塊、中頻處理模塊和ARM處理模塊3個(gè)模塊，如圖1所示.

圖1 跳頻信號(hào)檢測(cè)的總體系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 射頻處理模塊設(shè)計(jì)

射頻處理模塊主要由接收機(jī)部分、本振部分兩個(gè)部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示.

本振部分提供2 540～4 540 MHz頻率和步進(jìn)10 MHz的1本振信號(hào)、2 386.4 MHz的2本振信號(hào)，并將1、2本振信號(hào)提供給接收機(jī)部分.

接收機(jī)部分首先在通過前置程控衰減器和DC-2GHZ的低通濾波器對(duì)寬帶射頻信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)理和帶外濾波后，將其變換成153.6 MHz左右的中頻信號(hào)；然后在頻率變換過程中由2 540 MHz的濾波器，對(duì)產(chǎn)生的鏡頻和高次諧波進(jìn)行有效的濾除；最后在153.6 MHz中頻點(diǎn)進(jìn)行增益控制和幅度校準(zhǔn)補(bǔ)償.這就將一個(gè)寬帶的問題簡(jiǎn)化成一個(gè)定頻問題，使得設(shè)計(jì)難度大大簡(jiǎn)化.

圖2 射頻處理模塊基本結(jié)構(gòu)框圖

1.2 中頻處理模塊設(shè)計(jì)

中頻處理模塊的功能主要是將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，采用數(shù)字下變頻后，使用FFT算法將跳頻信息的幅度、頻率、跳速等信息提取出來[2].中頻處理模塊的架構(gòu)如圖3所示.

圖3 中頻處理模塊的架構(gòu)

1.2.1 高速AD采樣模塊

要實(shí)現(xiàn)無線電信號(hào)數(shù)字化，關(guān)鍵器件就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC).模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示.

本系統(tǒng)采用帶通采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化，即通過對(duì)帶通采樣技術(shù)進(jìn)行較深入的研究，并通過對(duì)目前市場(chǎng)上可以獲得的ADC器件性能特性進(jìn)行仔細(xì)地對(duì)比與分析后，選取合適的中頻頻率和ADC采樣頻率，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化.為實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，要求對(duì)中心頻率153.6 MHz的模擬中頻信號(hào)作數(shù)字量化，要求SNR大于72 dB，SFDR大于85 dB.根據(jù)帶通采樣設(shè)計(jì)要求，中頻信號(hào)帶寬為90 MHz.為滿足SFDR要求，采樣率最低應(yīng)為最大被采樣信號(hào)的2.56倍，采樣時(shí)鐘為204.8 MHz.為了便于重采樣電路設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)2的冪次方的時(shí)鐘頻率，結(jié)合抗混疊濾波器設(shè)計(jì)，要求我們采用204.8 MHz作為采樣電路時(shí)鐘.

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)框圖

1.2.2 數(shù)字下變頻(DDC)模塊

數(shù)字下變頻(DDC)模塊是跳頻檢測(cè)系統(tǒng)中中頻模塊的重要部分，分為正交分解、CIC抽取、半帶抽取和整形濾波幾個(gè)部分[3].

正交分解的FPGA實(shí)現(xiàn)，是通過將輸入的采樣信號(hào)序列與復(fù)正弦序列相乘，實(shí)現(xiàn)數(shù)字混頻的效果，生成I(In-phase)分量和Q(Quadrature-phase)分量，如圖5所示.

圖5 正交分解的FPGA實(shí)現(xiàn)

CIC抽取的FPGA實(shí)現(xiàn).在頻譜分析模式下，根據(jù)FFT運(yùn)算的特性，可得出分辨率帶寬RBW與FFT運(yùn)算點(diǎn)數(shù)N及FFT輸入信號(hào)采樣頻率fs間的關(guān)系，如式(1)所示.

(1)

由式(2)可得到硬件電路ADC的采樣頻率fsa、數(shù)字信號(hào)處理過程中CIC濾波器的抽取倍數(shù)D、半帶濾波器的級(jí)數(shù)H、預(yù)檢測(cè)單元的FFT模塊轉(zhuǎn)化點(diǎn)數(shù)N1之間的關(guān)系，如式(3)所示.

(2)

D×2H

(3)

考慮到抽取時(shí)抗混跌濾波，可以取k為0.8附近的值，同時(shí)保證D為大于4的正整數(shù)，且H為0～5的整數(shù).當(dāng)fsa取204.8 MHz、k取0.8、N1取512、N2取4 096時(shí)，得到最大頻率分辨率為122 Hz.滿足目前主流通信設(shè)備的分辨率要求.

實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示，主要由CIC抽取器和CIC補(bǔ)償濾波器組成.

圖6 CIC濾波器的實(shí)現(xiàn)

半帶抽取的FPGA實(shí)現(xiàn).半帶抽取主要由5級(jí)半帶濾波器的級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，級(jí)數(shù)H值的選擇由公式(3)可得，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)如圖7所示.

圖7 5級(jí)半帶濾波器

整形濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn).在實(shí)時(shí)模式下，將數(shù)字下變頻后的I/Q兩路信號(hào)，送給DSP進(jìn)行FFT運(yùn)算之前，要進(jìn)行低通濾波，抑制帶外信號(hào).實(shí)現(xiàn)框圖如圖8所示.

圖8 整形RBW濾波器

1.2.3 實(shí)時(shí)FFT頻譜分析模塊

實(shí)時(shí)FFT頻譜分析模塊主要包括I/Q數(shù)據(jù)的封幀、加窗、FFT變換、頻譜檢測(cè)和頻點(diǎn)跟蹤處理，如圖9所示.封幀、加窗操作將I/Q兩路數(shù)據(jù)封裝成幀內(nèi)連續(xù)的N點(diǎn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行加窗操作，為FFT運(yùn)算模塊提供穩(wěn)定的運(yùn)算數(shù)據(jù).頻譜檢測(cè)模塊從FFT運(yùn)算結(jié)果中獲取頻譜信息，包括頻譜的幅值和頻率.頻點(diǎn)跟蹤模塊主要計(jì)算各個(gè)頻點(diǎn)之間的時(shí)間間隔等信息.

圖9 FFT頻譜分析模塊的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

1.3 ARM處理模塊的設(shè)計(jì)

跳頻信號(hào)參數(shù)分析系統(tǒng)采用嵌入式ARM處理系統(tǒng)完成整機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制、通用外圍測(cè)試接口、人機(jī)交互界面、相應(yīng)指標(biāo)測(cè)量算法的實(shí)現(xiàn).系統(tǒng)采用S3C2410處理器，該處理器是韓國(guó)三星公司的一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，主要面向手持設(shè)備以及高性價(jià)比、低功耗的應(yīng)用.運(yùn)行的頻率可以達(dá)到203 MHz.ARM920T核由ARM9TDMI、存儲(chǔ)管理單元(MMU)和高速緩存3部分組成.其中MMU可以管理虛擬內(nèi)存，高速緩存由獨(dú)立的16 kB地址和16 kB數(shù)據(jù)高速Cache組成.嵌入式ARM處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖10所示.被測(cè)信號(hào)從存儲(chǔ)器中讀出，通過FFT變換得到被測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)頻譜，該頻譜信息和時(shí)域基帶信號(hào)通過擴(kuò)展插座送入嵌入式ARM處理系統(tǒng)，完成時(shí)域分析和跳頻信號(hào)指標(biāo)測(cè)試，分析結(jié)果送入觸摸屏顯示.用戶通過該觸摸屏來設(shè)置系統(tǒng)工作狀態(tài)和參數(shù).同時(shí)，可通過100 M網(wǎng)口進(jìn)行遠(yuǎn)端登錄，實(shí)現(xiàn)跳頻信號(hào)參數(shù)分析系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和測(cè)量.

圖10 嵌入式ARM處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 應(yīng)用測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述對(duì)跳頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)，完成了試驗(yàn)樣機(jī)，并通過搭建試驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的功能與性能進(jìn)行了測(cè)試.由于試驗(yàn)條件的約束，因此本系統(tǒng)采用Agilent的E4432B作為信號(hào)源.此信號(hào)源可以通過手動(dòng)設(shè)置輸出跳頻信號(hào)，記錄跳頻檢測(cè)系統(tǒng)中輸出的值，進(jìn)行對(duì)比、分析，完成對(duì)跳頻檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試.

使用試驗(yàn)樣機(jī)對(duì)跳頻信號(hào)源輸出的跳頻分別是：10 MHz，12.5 MHz，13 MHz，15 MHz，17.5 MHz，20 MHz，22.5 MHz，…， 88 MHz等44個(gè)點(diǎn)的頻率測(cè)量，輸入信號(hào)功率為30.25 dBm，跳頻速率為250 hop/s.通過測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，測(cè)試的跳頻頻率范圍、跳頻頻率集與測(cè)試數(shù)據(jù)相同.測(cè)試性能達(dá)到以下指標(biāo)：頻率測(cè)量誤差不大于5 kHz，最小為0，通過軟件歸整處理，與輸入數(shù)據(jù)相同；測(cè)試跳頻發(fā)射平均功率精度小于等于5%；測(cè)試的跳頻速率誤差為4%；跳頻分辨率為1hop.小功率、中功率、大功率的通訊設(shè)備均可測(cè)，獲得了預(yù)期效果.

3 結(jié)束語

本研究主要對(duì)裝甲車輛通信設(shè)備跳頻信號(hào)的檢測(cè)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì).首先針對(duì)跳頻信號(hào)時(shí)頻分析方法進(jìn)行了分析比較，得出該跳頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；然后，對(duì)射頻、中頻和ARM處理模塊進(jìn)行了理論分析與設(shè)計(jì)，根據(jù)理論研究成果完成了試驗(yàn)樣機(jī)并通過了試驗(yàn)室測(cè)試.結(jié)果表明，該系統(tǒng)解決了裝甲車輛通信設(shè)備性能檢測(cè)的問題，能夠?qū)ρb甲車輛通信設(shè)備的跳頻帶寬、跳頻頻率序列、跳頻功率、跳頻速率等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，滿足了戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下裝甲車輛車際之間高效、不間斷通信的需要.

[1] 馮 濤，袁超偉. 跳頻信號(hào)的時(shí)頻分析新方法[J]. 北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(3)：10-14.

[2] 劉祖深. 頻譜分析儀全數(shù)字中頻設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009，23(2)：39-45.

[3] 楊 晨，馮 超. 基于DDS的高精度頻率信號(hào)源的實(shí)現(xiàn)[J]. 電子測(cè)試，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 軍(1979-),男,研究生，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置.

TJ81+0.35；TN713；TN722

A