袁夢云，趙忠凱

（哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

基于多級信道化的調(diào)相信號檢測與識別技術(shù)*

袁夢云，趙忠凱

（哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，日益復(fù)雜的電磁環(huán)境對偵察系統(tǒng)的靈敏度提出了更高要求。針對低信噪比情況下調(diào)相信號檢測困難與調(diào)制類型識別正確率低的問題，設(shè)計(jì)了一種兩級寬帶均勻數(shù)字信道化接收機(jī)。該接收機(jī)采用幅度自相關(guān)累加技術(shù)提高檢測概率，同時(shí)采用相位累加瞬時(shí)自相關(guān)技術(shù)提高調(diào)相信號的調(diào)制類型識別正確率。仿真結(jié)果表明，該兩級信道化高效結(jié)構(gòu)信噪比增益約17 dB，能適應(yīng)-6 dB的低信噪比環(huán)境，信號調(diào)制類型的識別正確率不低于90%。

多級信道化，低信噪比，寬帶數(shù)字接收機(jī)，調(diào)相信號，檢測與識別

0 引言

電子戰(zhàn)在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中起決定性作用，而接收機(jī)作為無線電信號重要的接收裝置，具有重要的研究價(jià)值。隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，每秒鐘接收的脈沖數(shù)可達(dá)幾百萬，且其功率、調(diào)制類型和頻域均不相同，對接收機(jī)的瞬時(shí)覆蓋帶寬、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、實(shí)時(shí)性和處理時(shí)域重疊信號能力提出了更高要求［1］。信道化接收機(jī)是目前唯一能滿足現(xiàn)代電子戰(zhàn)需求的寬帶接收機(jī)結(jié)構(gòu)，通過模擬或數(shù)字濾波器組進(jìn)行信道劃分，將接收信號從頻域上分離，具有高頻率分辨率、高截獲概率、高靈敏度和能處理時(shí)域重疊信號的優(yōu)點(diǎn)［2-3］。20世紀(jì)90年代，隨著ADC和數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信道化接收機(jī)在繼承模擬信道化接收機(jī)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，融合數(shù)字化的穩(wěn)定性與靈活性，成為電子戰(zhàn)和無線電通信不可或缺的重要組成部分［4-6］。文獻(xiàn)［7-9］圍繞基于多相濾波的寬帶數(shù)字信道化高效結(jié)構(gòu)展開研究，研究發(fā)現(xiàn)該高效結(jié)構(gòu)較一般寬帶接收機(jī)硬件資源利用率高，計(jì)算復(fù)雜度低，吞吐量高［12］。文獻(xiàn)［10］采用多相濾波結(jié)構(gòu)，先對時(shí)域抽取信號進(jìn)行傅里葉變換，再對變換結(jié)果進(jìn)行加權(quán)處理，節(jié)省了硬件資源。文獻(xiàn)［11］提出了一種STFT的高速實(shí)現(xiàn)方法，提高了接收機(jī)的實(shí)時(shí)性?？梢?，許多學(xué)者對數(shù)字信道化技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，但針對多級信道化的研究并不多，因此，設(shè)計(jì)了一種兩級寬帶均勻數(shù)字信道化接收機(jī)，可以更好地滿足現(xiàn)代電子戰(zhàn)對接收機(jī)靈敏度提出的新要求。

針對低信噪比情況下信號檢測困難、信號調(diào)制類型識別正確率低的問題，設(shè)計(jì)了一種兩級寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)，能適應(yīng)-6 dB的低信噪比環(huán)境。一方面，該接收機(jī)采用幅度累加自相關(guān)技術(shù)克服復(fù)雜電磁環(huán)境中信號檢測困難的問題；另一方面，針對單級信道化在同時(shí)處理寬帶和窄帶信號時(shí)的不足［13］，該接收機(jī)基于信道化高效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩級數(shù)字信道化方案，提升信噪比17 dB，結(jié)合相位累加瞬時(shí)自相關(guān)技術(shù)解決了低信噪比情況下信號調(diào)制類型識別正確率低的問題。

1 兩級信道化實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖1 信道劃分方式

為節(jié)省硬件資源，提高實(shí)時(shí)性，該接收機(jī)采用了如圖2所示的信道化高效結(jié)構(gòu)，該高效結(jié)構(gòu)的主要原理是將信道化過程推導(dǎo)成離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）的表達(dá)形式，同時(shí)采用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）代替DFT運(yùn)算，提高了運(yùn)算效率，保證了數(shù)字信道化接收機(jī)的實(shí)時(shí)性。

本設(shè)計(jì)要求的瞬時(shí)頻率覆蓋范圍500 MHz，中頻1.5 GHz。首先確定ADC的采樣頻率，根據(jù)帶通采樣定理fs=4f0/（2k+1）（k為大于0的整數(shù)），選取采樣率為1.2 GHz，此時(shí)接收機(jī)能夠處理的最大瞬時(shí)帶寬為600 MHz，滿足接收機(jī)要求。

圖2 信道化高效結(jié)構(gòu)

采用高效結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)的信號檢測與識別流程如圖3所示。首先，ADC以1.2 GHz采樣得到的10 bit采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換完成16倍抽取送入一級信道化并進(jìn)行參數(shù)提取。接著，從一級信道化輸出的16路中選取一路信號送入二級信道化并進(jìn)行參數(shù)提取和信號調(diào)制類型識別。最后，由綜合分析模塊分析參數(shù)測量結(jié)果并提取幅度與相位信息，組成脈沖描述字送入后續(xù)模塊。

圖3 信號處理流程圖

兩級信道化結(jié)構(gòu)采用串聯(lián)方式，一級信道化輸入實(shí)信號，一半輸出信道是獨(dú)立的。取信道數(shù)K1=32，抽取倍數(shù)M1=16，子帶寬度為37.5 MHz，處理帶寬為75 MHz。當(dāng)輸入信號頻率范圍為1 250 MHz～1 750 MHz時(shí)，信號位于第 2～16 信道，因此，需要對15個(gè)信道輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

二級信道化輸入為一級的選擇輸出，取信道數(shù)K2=8，抽取倍數(shù) M2=4，子帶寬度為 9.375 MHz，處理帶寬為18.75 MHz。二級信道化輸入信號有效帶寬為 -18.75 MHz～18.75 MHz，信號可對應(yīng)到 3～7 信道，因此，需要對5個(gè)信道輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

信道化結(jié)構(gòu)能夠通過有效抑制子信道帶寬外的噪聲提升信號的信噪比，多級信道化相比單級信道化能適應(yīng)更低的信噪比。因此，該接收機(jī)采用的兩級信道化結(jié)構(gòu)不僅能適應(yīng)多種帶寬特性的信號，而且能適應(yīng)更低的信噪比。該信道化結(jié)構(gòu)采用具有系統(tǒng)穩(wěn)定性、能實(shí)現(xiàn)線性相位的FIR型濾波器，一級信道化的原型濾波器為192階，二級信道化的原型濾波器為48階，兩級原型濾波器的幅頻響應(yīng)曲線如下頁圖4所示。

2 檢測與識別方法

圖4 原型濾波器幅頻響應(yīng)曲線

傳統(tǒng)的基于信號幅度的檢測方法在低信噪比時(shí)性能較差，因此，本設(shè)計(jì)采用幅度自相關(guān)累加技術(shù)對信號進(jìn)行處理，通過增加信噪比增益提高對低信噪比環(huán)境下信號的檢測能力。

現(xiàn)狀的18條內(nèi)河中，二坑溪、朝陽溪、竹排沖下游段、良鳳江下游（水塘江）段、鳳凰江、亭子沖等，上游河道或被填塞、或遭渠化、或已覆蓋，下游河道為工廠和居民密集地區(qū)。河道內(nèi)垃圾雜物等堆積，淤塞嚴(yán)重，河床抬高，人為占用河道嚴(yán)重，已成為城市排污河道，現(xiàn)狀在出口處水質(zhì)大多為劣Ⅴ類。其他河流上游未開發(fā)的河道屬天然河道，兩岸植被茂盛；中下游人為活動(dòng)的河段，如心圩江、可利江等，枯水期為耕地，種植水稻、蔬菜，洪水期為滯洪區(qū)。沿河道兩岸有工廠、屠宰廠、住宅群，占用河道情況比較嚴(yán)重。現(xiàn)狀在出口處水質(zhì)除四塘江為Ⅲ類外，其余為Ⅳ～Ⅴ類。

假設(shè)信道化輸出的信號表達(dá)式為

其復(fù)數(shù)表達(dá)式為

其相關(guān)函數(shù) y（i）為

當(dāng)N＞＞1，其輸出信噪比為

當(dāng)幅度自相關(guān)累加點(diǎn)數(shù)為N時(shí)，輸出信號的信噪比增益可達(dá)到N/（2+1/2/SNRx）。當(dāng)信道化輸出信噪比高于14 dB時(shí)，虛警概率能達(dá)到10-7，檢測概率高于90%。在輸入信噪比為-6 dB時(shí)，考慮一級信道化信噪比增益約10.5 dB，則幅度自相關(guān)累加技術(shù)的信噪比增益應(yīng)大于9.5 dB。若選取N=16，信噪比增益約8.6 dB，無法滿足接收機(jī)要求；當(dāng)選取N=32時(shí)，信噪比增益約11.6 dB，可以實(shí)現(xiàn)信號的穩(wěn)定檢測。

檢測到包絡(luò)后要進(jìn)行信號類型的識別，接收機(jī)截獲的信號按調(diào)制方式可分為調(diào)頻和調(diào)相信號，按帶寬可分為寬帶和窄帶信號。在實(shí)際測試中，一級信道化的信噪比增益約10.5 dB，二級信道化的信噪比增益約6.5 dB。當(dāng)信號的信噪比高于-6 dB時(shí)，一級信道化輸出的信噪比高于4.5 dB，采用FFT技術(shù)能夠完成調(diào)頻信號的識別。但是，針對窄帶調(diào)相信號的識別技術(shù)無法適應(yīng)4.5 dB的信噪比，因此，需要二級信道化進(jìn)一步提升信噪比，以完成調(diào)相信號的調(diào)制類型識別。

對于調(diào)相信號，相位的跳變點(diǎn)會引起瞬時(shí)頻率的跳變，可根據(jù)時(shí)域頻率跳變點(diǎn)的幅度種類識別BPSK和QPSK信號。其瞬時(shí)頻率和相位一階差分瞬時(shí)累加結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種調(diào)相信號脈內(nèi)特征

相位變化對噪聲干擾比較敏感，識別信號調(diào)制類型受噪聲影響較大，為改善其抗噪聲性能，提出了時(shí)域累加瞬時(shí)自相關(guān)的方法。假設(shè)信號s（t）在 時(shí)間內(nèi)發(fā)生相位突變，那么依次增大1（1＜T（碼元周期）），分別取不同的1值，多次運(yùn)算，然后時(shí)域累加。相位的突變由于多次疊加而增強(qiáng)，因此，能適應(yīng)更低的信噪比。時(shí)間延遲取等間隔1，上述過程的離散形式可由式（5）表示，其中k為自然數(shù)，L為疊加次數(shù)。

根據(jù)信號帶寬特性和脈內(nèi)特征完成脈內(nèi)調(diào)制類型的識別，得到識別調(diào)相信號的流程圖如圖6所示。

圖6 信號類型識別流程圖

3 仿真結(jié)果分析

仿真條件：采樣率選取1.2 GHz，載波頻率范圍1 250 MHz～1 750 MHz，功率范圍 -34 dBm～2 dBm，加入窄帶高斯噪聲。

設(shè)置前端輸入信噪比為-6 dB，利用幅度自相關(guān)累加技術(shù)對信號進(jìn)行處理，處理前后對比如下頁圖7所示。一級信道化信噪比增益約10.5 dB，其輸出信號的信噪比約4.5 dB，如圖7（a）所示。對一級信道化輸出幅度進(jìn)行32點(diǎn)幅度自相關(guān)累加，處理結(jié)果如圖7（b）所示。

圖7 相關(guān)累加前后對比圖

通過仿真結(jié)果對比可以看出，經(jīng)過自相關(guān)累加處理后，信號增強(qiáng)，可以提高檢測靈敏度，能適應(yīng)-6 dB的低信噪比環(huán)境。

為從統(tǒng)計(jì)意義上考察識別正確率隨信噪比的變化情況，采用蒙特卡洛仿真法，載波頻率和信號功率在要求范圍內(nèi)隨機(jī)。信噪比在一定范圍變化，統(tǒng)計(jì)每種信噪比下的1 000次試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)輸入由13位巴克碼調(diào)制的BPSK信號時(shí)，可得到BPSK的識別正確率隨信噪比的變化曲線如圖8（a）所示。當(dāng)輸入由16位Frank碼調(diào)制的QPSK信號時(shí)，可得到QPSK的識別正確率隨信噪比的變化曲線如圖8（b）所示。由仿真結(jié)果可得，當(dāng)信噪比不小于-6 dB時(shí)，能保證識別正確率達(dá)到90%以上。

圖8 不同信噪比下的調(diào)相信號識別正確率

4 兩級信道化接收機(jī)的FPGA實(shí)現(xiàn)

兩級信道化接收機(jī)包括兩級信道化高效結(jié)構(gòu)、信號檢測與脈內(nèi)調(diào)制類型識別和參數(shù)提取4部分，均在Virtex-7系列FPGA上實(shí)現(xiàn)。

兩級信道化接收機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖9所示。截獲的信號由高速ADC以1.2 GHz的采樣率采樣，得到量化為10 bit的采樣數(shù)據(jù)。通過串并轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行16倍抽取，得到的數(shù)據(jù)速率為75 MHz。經(jīng)過一級信道化后進(jìn)入CORDIC模塊計(jì)算2～16信道的瞬時(shí)幅度和相位，送入后續(xù)檢測與識別模塊。

在此基礎(chǔ)上，采用一階相位差分放大求取前沿頻率，采用幅度累加自相關(guān)技術(shù)求取信號的幅度。當(dāng)該幅度至連續(xù)多個(gè)高于門限值且測頻有效時(shí)，認(rèn)為存在信號，將檢波包絡(luò)拉高；當(dāng)該幅度連續(xù)多個(gè)低于門限值或測頻無效時(shí)，認(rèn)為不存在信號，將檢波包絡(luò)拉低。

當(dāng)信號處于兩個(gè)子信道中間時(shí)，輸出選擇較高信道數(shù)的信道輸出。由檢波包絡(luò)控制輸出3個(gè)子信道的IQ數(shù)據(jù)，選取中間的一組IQ送入二級信道化。經(jīng)過兩級信道化后，信噪比提升17 dB，采用幅度自相關(guān)累加技術(shù)完成信號的檢測，依據(jù)相位累加瞬時(shí)自相關(guān)技術(shù)進(jìn)行調(diào)相信號的識別。

當(dāng)輸入頻率為1 720 MHz，脈寬為20 us，信噪比為-6 dB的QPSK信號時(shí)，得到的仿真結(jié)果如下頁圖10所示。從圖中可以看出，信號經(jīng)過一級信道化后位于第15信道，相位一階差分累加結(jié)果為add_freq，經(jīng)過二級信道化后位于第4信道，相位一階差分累加結(jié)果為add_freq_result。參數(shù)測量中的測頻結(jié)果520表示信號頻率為1 720 MHz，識別結(jié)果3代表調(diào)制類型為四相編碼，pw為1 413個(gè)時(shí)鐘表示脈寬約19 us。

結(jié)果表明該接收機(jī)在信噪比不低于-6 dB時(shí)，能完成調(diào)相信號的檢測與識別，滿足對接收機(jī)提出的高靈敏度的要求?；诙嗉壭诺阑膶拵?shù)字接收機(jī)的資源占用情況如下頁表1所示。

5 結(jié)論

本文基于多級信道化結(jié)構(gòu)，采用幅度自相關(guān)累加和相位累加瞬時(shí)自相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低信噪比環(huán)境下調(diào)相信號的檢測與識別。ADC采樣率為1.2 GHz，兩級信道化結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)覆蓋帶寬為500 MHz，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)36 dB。采用幅度自相關(guān)累加技術(shù)提高了檢測概率，同時(shí)，兩級信道化高效結(jié)構(gòu)配合相位累加瞬時(shí)自相關(guān)技術(shù)提高了信號類型識別正確率，解決了在低信噪比環(huán)境下調(diào)相信號檢測與識別困難的問題。最后，基于Vivado和ModelSim平臺，完成了兩級信道化接收機(jī)的建模仿真。仿真結(jié)果表明該接收機(jī)在信噪比不低于-6 dB時(shí)，對調(diào)相信號的識別正確率達(dá)90%以上，非常適合低信噪比環(huán)境中調(diào)相信號的檢測與識別。

圖9 兩級信道化接收機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)框圖

圖10 基于ModelSim的仿真結(jié)果

表1 基于多級信道化的寬帶數(shù)字接收機(jī)資源評估結(jié)果

［1］龔仕仙，魏璽章，黎湘.寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)綜述［J］.電子學(xué)報(bào)，2013，41（05）：949-959.

［2］李云杰，高梅國.帶寬準(zhǔn)匹配的高靈敏度數(shù)字信道化接收機(jī)［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（12）：1110-1113.

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［4］王宏偉，趙國慶，王玉軍，等.一種寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，37（3）：487-491.

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［7］羅勇江，湯建龍，趙國慶，等.一種高效的寬帶數(shù)字接收機(jī)及其FPGA實(shí)現(xiàn)［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，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，趙國慶，牛新亮.高效的寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)設(shè)計(jì)［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，37（3）：464-468.

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［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］劉光祖，王建新，徐達(dá)龍.數(shù)字信道化接收機(jī)高效結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2012，34（2）：391-395.

［13］王永明，張爾揚(yáng)，王世練，等.基于多級信道化的超寬帶搜索接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.信號處理，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

國家自然科學(xué)基金面上基金資助項(xiàng)目（61571146）

袁夢云（1992- ），女，河北安國人，碩士研究生。研究方向：寬帶信號的檢測與識別。