吳海峰

(張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空制造工程系， 湖南 張家界 427000)

0 引言

在人們生活中，時(shí)刻都要接收到各種信號(hào)，其中脈沖信號(hào)在許多領(lǐng)域都存在，如雷達(dá)、通信傳輸、海雜波等，因此對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行研究具有重要意義[1]。脈沖信號(hào)是一種微弱信號(hào)，不容易被檢測(cè)出來(lái)，而且脈沖信號(hào)中通常包含了大量的噪聲，這些噪聲會(huì)對(duì)脈沖信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生干擾，脈沖信號(hào)常容易被噪聲湮沒(méi)，信噪比比較低。如何在不破壞原始脈沖信號(hào)的前提下，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)，是脈沖信號(hào)處理研究領(lǐng)域當(dāng)前迫切需要解決的一個(gè)難題[2-3]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和專家對(duì)脈沖信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了深入分析和研究，出現(xiàn)許多有效的脈沖信號(hào)檢測(cè)技術(shù)[4]，當(dāng)前脈沖信號(hào)檢測(cè)技術(shù)可以劃分為兩類：一類是基于硬件的脈沖信號(hào)檢測(cè)技術(shù)；另一類是基于軟件的脈沖信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。硬件技術(shù)主要采用專門工具，通過(guò)專業(yè)人員對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，提高脈沖信號(hào)檢測(cè)精度，但是由于專業(yè)性比較強(qiáng)，因此不容易推廣，無(wú)法得到廣泛應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值低[5-7]。軟件技術(shù)主要引入混沌理論、小波分析對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，如考慮脈沖信號(hào)的混沌特性，通過(guò)混沌理論重構(gòu)脈沖信號(hào)，擬合脈沖信號(hào)的變化軌跡，并通過(guò)引入自回歸等模型對(duì)脈沖信號(hào)變化特點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的檢測(cè)；小波分析主要考慮脈沖信號(hào)中的噪聲，首先對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行分解，使有用脈沖信號(hào)和噪聲分離開來(lái)，抑制噪聲對(duì)脈沖信號(hào)的干擾，恢復(fù)微弱脈沖信號(hào)，最后引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立脈沖信號(hào)檢測(cè)分類器，實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)檢測(cè)，軟件技術(shù)的脈沖信號(hào)檢測(cè)精度要低于硬件技術(shù)，并且脈沖信號(hào)檢測(cè)成本低[8-10]。由于脈沖信號(hào)變化十分復(fù)雜，采用單一硬件技術(shù)或者軟件技術(shù)均無(wú)法獲得理想的脈沖信號(hào)檢測(cè)結(jié)果，脈沖信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究[11-12]。

針對(duì)當(dāng)前脈沖信號(hào)檢測(cè)技術(shù)存在的局限性，為了獲得理想的脈沖信號(hào)檢測(cè)結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了基于高通濾波器的脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，從硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)脈沖信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行研究，并在相同實(shí)驗(yàn)條件下，與其他脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，高通濾波器的脈沖信號(hào)檢測(cè)效果要明顯優(yōu)于脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，脈沖信號(hào)檢測(cè)結(jié)果更加可信。

1 基于高通濾波器的脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

1.1 脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件框架

一個(gè)完整的脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，硬件是脈沖信號(hào)檢測(cè)的基礎(chǔ)，與脈沖信號(hào)檢測(cè)效果直接相關(guān)，脈沖信號(hào)檢測(cè)軟件是系統(tǒng)的靈魂，同樣重要，高通濾波器的脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。

圖1 脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

對(duì)圖1的高通濾波器的脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)硬件框架進(jìn)行分析可以知道，主要包括脈沖信號(hào)采集器、脈沖信號(hào)前置放大器、脈沖信號(hào)后置放大器、高通濾波器等。脈沖信號(hào)采集器主要負(fù)責(zé)脈沖信號(hào)的采集，將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并將脈沖信號(hào)傳輸?shù)矫}沖信號(hào)前置放大器中。由于脈沖信號(hào)是一種微弱信號(hào)，直接進(jìn)行處理，無(wú)法獲得理想的脈沖信號(hào)檢測(cè)結(jié)果，因此通過(guò)前置放大器和后置放大器處理微弱脈沖信號(hào)，增強(qiáng)脈沖信號(hào)強(qiáng)度。

1.2 前置放大器設(shè)計(jì)

前置放大器是脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，由于脈沖信號(hào)屬于微弱信號(hào)，需要采用高阻抗特性的放大器，本文選擇的放大器為L(zhǎng)F356，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 脈沖信號(hào)的放大電路

對(duì)于脈沖信號(hào)的前置放大器來(lái)說(shuō)，電阻(R)和電容(C)與脈沖信號(hào)頻率有一定的關(guān)系，具體關(guān)系可以描述為式(1)。

(1)

其中，Cw和Cm分別為等效電容和反饋電容，兩者之間的關(guān)系為式(2)。

(2)

1.3 高通濾波器

采用高通濾波器對(duì)前置放大器處理后的脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波操作，改善脈沖信號(hào)質(zhì)量，滿足數(shù)模轉(zhuǎn)換所需的脈沖信號(hào)強(qiáng)度，其結(jié)構(gòu)具體如圖3所示。

在圖3中，一些低頻漂移信號(hào)和低頻噪聲由高通濾波器進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 高通濾波器的結(jié)構(gòu)

為防止脈沖信號(hào)的特性發(fā)生改變，需要對(duì)濾波器截止頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。低通采樣輸出為式(3)。

(3)

式中，y為調(diào)節(jié)因子。fij(x)和bij(x)分別為第x幀的低通濾波輸出和誤差，那么高通濾波器的輸入為式(4)。

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

(4)

高通濾波器的傳遞函數(shù)H(s)為式(5)。

(5)

截止頻率為式(6)。

(6)

1.4 脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程

脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)是一種智能檢測(cè)系統(tǒng)，由于單片機(jī)具有較好信號(hào)處理和控制能力，因此本文構(gòu)建的脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)采用靜態(tài)組合邏輯，能夠進(jìn)行乘法和累加操作，包含數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器，脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖4 脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程

2 脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的性能分析

2.1 本文脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的性能分析

為測(cè)試脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的性能，選擇不同的脈沖信號(hào)作為對(duì)象，比較本文系統(tǒng)濾波前后的脈沖信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

分析圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的脈沖信號(hào)，本文系統(tǒng)可以高精度檢測(cè)出相應(yīng)的信號(hào)，這主要是由于本文脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)引入高通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行了放大和優(yōu)化處理，有利于提高脈沖信號(hào)檢測(cè)結(jié)果。

(a) 濾波前的脈沖信號(hào)

(b) 濾波后的脈沖信號(hào)

2.2 與其他系統(tǒng)的脈沖信號(hào)檢測(cè)結(jié)果比較

為測(cè)試高通濾波器的脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)越性，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，選擇基于FPGA的脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、多重累積相關(guān)的脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，采用脈沖信號(hào)檢測(cè)時(shí)間(ms)、存儲(chǔ)空間(B)和脈沖信號(hào)檢測(cè)精度(%)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2.1 脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間對(duì)比

統(tǒng)計(jì)3種脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同系統(tǒng)的不同頻率脈沖信號(hào)檢測(cè)時(shí)間

對(duì)圖6的檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比和分析可以知道，本文脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于對(duì)比系統(tǒng)，加快了脈沖信號(hào)檢測(cè)速度，大幅度節(jié)約了脈沖信號(hào)檢測(cè)時(shí)間，使得脈沖信號(hào)檢測(cè)成本更低。

2.2.2 脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間對(duì)比

統(tǒng)計(jì)3種脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間，結(jié)果如表1所示。

表1 不同系統(tǒng)的脈沖信號(hào)存儲(chǔ)空間

對(duì)表1的存儲(chǔ)空間進(jìn)行對(duì)比和分析可以知道，本文脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間少于對(duì)比系統(tǒng)，節(jié)約了脈沖信號(hào)的存儲(chǔ)空間，這是由于本文系統(tǒng)通過(guò)高通濾波器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行了處理，消除了一些無(wú)用的信號(hào)。

2.2.3 不同系統(tǒng)的脈沖信號(hào)檢測(cè)效果比較

選擇脈沖信號(hào)檢測(cè)精度和誤差率對(duì)脈沖信號(hào)檢測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同系統(tǒng)的脈沖信號(hào)檢測(cè)精度和錯(cuò)誤率

從表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)的脈沖信號(hào)檢測(cè)精度最高，減少了脈沖信號(hào)檢測(cè)誤差率，獲得了更加理想的脈沖信號(hào)檢測(cè)效果。

3 總結(jié)

由于脈沖信號(hào)在采集過(guò)程中，受到外界環(huán)境因素的干擾，脈沖信號(hào)的質(zhì)量低，影響脈沖信號(hào)檢測(cè)效果，為了改善脈沖信號(hào)檢測(cè)效果，消除一些不利因素的影響，提出了基于高通濾波器的脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括原始脈沖信號(hào)的放大操作，脈沖信號(hào)的高通濾波處理以及脈沖信號(hào)檢測(cè)模塊，最后與其他脈沖信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。結(jié)果表明，本文系統(tǒng)的脈沖信號(hào)檢測(cè)精度高，降低了脈沖信號(hào)檢測(cè)偏差，同時(shí)縮短了脈沖信號(hào)檢測(cè)時(shí)間，加快了脈沖信號(hào)速度，具有廣泛的應(yīng)用前景。