基于短時傅里葉變換的跳頻信號檢測系統(tǒng)設計

何 軍

(中國人民解放軍駐201所軍事代表室，北京 100072)

基于短時傅里葉變換的跳頻信號檢測系統(tǒng)設計

何 軍

(中國人民解放軍駐201所軍事代表室，北京 100072)

基于長短窗口結(jié)合的傅里葉變換技術(shù)，設計出一種適用于裝甲車輛通信設備的信號檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)由射頻處理模塊、中頻處理模塊和ARM處理模塊組成.試驗室測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)囕d通信設備跳頻信號主要性能參數(shù)進行實時檢測，達到了判定跳頻設備工作狀態(tài)是否正常的目標，從而滿足了裝甲車輛通信的正常需求.

裝甲車輛通信；跳頻信號檢測；時頻分析；傅里葉變換

現(xiàn)代戰(zhàn)場作戰(zhàn)環(huán)境日趨復雜，信號分布密集、種類繁多，裝甲車輛通信系統(tǒng)的高效運行尤為重要，要從各種噪聲、信號中快速檢測出車載通信設備跳頻信號并及時對設備進行修正保證戰(zhàn)場通信的互聯(lián)互通更是一項很大的技術(shù)挑戰(zhàn).目前，車載跳頻設備檢測分析主要的研究方向集中在時頻分析技術(shù)上[1].時頻分析法在分析跳頻信號上有很大優(yōu)勢，通過這一方法，不僅可以有效檢測出跳頻信號，同時也可以有效估計跳頻信號的各種參數(shù).當前主流的時頻分析方法各有利弊，Hilbert變換雖然對于單頻信號有很高的時間分辨率和頻率分辨率，但是對于多頻信號無物理意義；平滑偽WVD分布雖然能抑制和消除大部分交叉干擾項，但是計算量太大.從實現(xiàn)角度來看，短時傅里葉具有計算量小，易于實現(xiàn)的優(yōu)越性，并且運算速度快，實時性強，但是時間分辨率和頻率分辨率難以同時取得高分辨率，如果能有效解決這個問題，實時檢測跳頻信號就成為了可能.本研究基于該思路，提出一種跳頻檢測系統(tǒng)的設計方案.

1 跳頻信號檢測系統(tǒng)的設計

跳頻信號檢測系統(tǒng)主要包含射頻處理模塊、中頻處理模塊和ARM處理模塊3個模塊，如圖1所示.

圖1 跳頻信號檢測的總體系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 射頻處理模塊設計

射頻處理模塊主要由接收機部分、本振部分兩個部分組成，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10 MHz的1本振信號、2 386.4 MHz的2本振信號，并將1、2本振信號提供給接收機部分.

接收機部分首先在通過前置程控衰減器和DC-2GHZ的低通濾波器對寬帶射頻信號進行幅度調(diào)理和帶外濾波后，將其變換成153.6 MHz左右的中頻信號；然后在頻率變換過程中由2 540 MHz的濾波器，對產(chǎn)生的鏡頻和高次諧波進行有效的濾除；最后在153.6 MHz中頻點進行增益控制和幅度校準補償.這就將一個寬帶的問題簡化成一個定頻問題，使得設計難度大大簡化.

圖2 射頻處理模塊基本結(jié)構(gòu)框圖

1.2 中頻處理模塊設計

中頻處理模塊的功能主要是將射頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，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

要實現(xiàn)無線電信號數(shù)字化，關鍵器件就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC).模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)框圖如圖4所示.

本系統(tǒng)采用帶通采樣技術(shù)實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化，即通過對帶通采樣技術(shù)進行較深入的研究，并通過對目前市場上可以獲得的ADC器件性能特性進行仔細地對比與分析后，選取合適的中頻頻率和ADC采樣頻率，實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化.為實時分析數(shù)據(jù)，要求對中心頻率153.6 MHz的模擬中頻信號作數(shù)字量化，要求SNR大于72 dB，SFDR大于85 dB.根據(jù)帶通采樣設計要求，中頻信號帶寬為90 MHz.為滿足SFDR要求，采樣率最低應為最大被采樣信號的2.56倍，采樣時鐘為204.8 MHz.為了便于重采樣電路設計，需要設計一個2的冪次方的時鐘頻率，結(jié)合抗混疊濾波器設計，要求我們采用204.8 MHz作為采樣電路時鐘.

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(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部分[3].

正交分解的FPGA實現(xiàn)，是通過將輸入的采樣信號序列與復正弦序列相乘，實現(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實現(xiàn)

CIC抽取的FPGA實現(xiàn).在頻譜分析模式下，根據(jù)FFT運算的特性，可得出分辨率帶寬RBW與FFT運算點數(shù)N及FFT輸入信號采樣頻率fs間的關系，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)字信號處理過程中CIC濾波器的抽取倍數(shù)D、半帶濾波器的級數(shù)H、預檢測單元的FFT模塊轉(zhuǎn)化點數(shù)N1之間的關系，如式(3)所示.

(2)

D×2H

(3)

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

實現(xiàn)框圖如圖6所示，主要由CIC抽取器和CIC補償濾波器組成.

圖6 CIC濾波器的實現(xiàn)

半帶抽取的FPGA實現(xiàn).半帶抽取主要由5級半帶濾波器的級聯(lián)來實現(xiàn)，級數(shù)H值的選擇由公式(3)可得，F(xiàn)PGA實現(xiàn)如圖7所示.

圖7 5級半帶濾波器

整形濾波器的FPGA實現(xiàn).在實時模式下，將數(shù)字下變頻后的I/Q兩路信號，送給DSP進行FFT運算之前，要進行低通濾波，抑制帶外信號.實現(xiàn)框圖如圖8所示.

圖8 整形RBW濾波器

1.2.3 實時FFT頻譜分析模塊

實時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、頻譜檢測和頻點跟蹤處理，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點數(shù)據(jù)，并進行加窗操作，為FFT運算模塊提供穩(wěn)定的運算數(shù)據(jù).頻譜檢測模塊從FFT運算結(jié)果中獲取頻譜信息，包括頻譜的幅值和頻率.頻點跟蹤模塊主要計算各個頻點之間的時間間隔等信息.

圖9 FFT頻譜分析模塊的硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

1.3 ARM處理模塊的設計

跳頻信號參數(shù)分析系統(tǒng)采用嵌入式ARM處理系統(tǒng)完成整機的聯(lián)動控制、通用外圍測試接口、人機交互界面、相應指標測量算法的實現(xiàn).系統(tǒng)采用S3C2410處理器，該處理器是韓國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，主要面向手持設備以及高性價比、低功耗的應用.運行的頻率可以達到203 MHz.ARM920T核由ARM9TDMI、存儲管理單元(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.被測信號從存儲器中讀出，通過FFT變換得到被測信號實時頻譜，該頻譜信息和時域基帶信號通過擴展插座送入嵌入式ARM處理系統(tǒng)，完成時域分析和跳頻信號指標測試，分析結(jié)果送入觸摸屏顯示.用戶通過該觸摸屏來設置系統(tǒng)工作狀態(tài)和參數(shù).同時，可通過100 M網(wǎng)口進行遠端登錄，實現(xiàn)跳頻信號參數(shù)分析系統(tǒng)的遠程控制和測量.

圖10 嵌入式ARM處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 應用測試結(jié)果

根據(jù)上述對跳頻信號檢測系統(tǒng)關鍵技術(shù)的研究，進行了相關的設計，完成了試驗樣機，并通過搭建試驗室測試環(huán)境對系統(tǒng)的功能與性能進行了測試.由于試驗條件的約束，因此本系統(tǒng)采用Agilent的E4432B作為信號源.此信號源可以通過手動設置輸出跳頻信號，記錄跳頻檢測系統(tǒng)中輸出的值，進行對比、分析，完成對跳頻檢測系統(tǒng)的測試.

使用試驗樣機對跳頻信號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個點的頻率測量，輸入信號功率為30.25 dBm，跳頻速率為250 hop/s.通過測量數(shù)據(jù)的分析，測試的跳頻頻率范圍、跳頻頻率集與測試數(shù)據(jù)相同.測試性能達到以下指標：頻率測量誤差不大于5 kHz，最小為0，通過軟件歸整處理，與輸入數(shù)據(jù)相同；測試跳頻發(fā)射平均功率精度小于等于5%；測試的跳頻速率誤差為4%；跳頻分辨率為1hop.小功率、中功率、大功率的通訊設備均可測，獲得了預期效果.

3 結(jié)束語

本研究主要對裝甲車輛通信設備跳頻信號的檢測進行了研究與設計.首先針對跳頻信號時頻分析方法進行了分析比較，得出該跳頻信號檢測系統(tǒng)的設計基礎；然后，對射頻、中頻和ARM處理模塊進行了理論分析與設計，根據(jù)理論研究成果完成了試驗樣機并通過了試驗室測試.結(jié)果表明，該系統(tǒng)解決了裝甲車輛通信設備性能檢測的問題，能夠?qū)ρb甲車輛通信設備的跳頻帶寬、跳頻頻率序列、跳頻功率、跳頻速率等關鍵指標進行實時檢測，滿足了戰(zhàn)場環(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. 跳頻信號的時頻分析新方法[J]. 北京郵電大學學報，2010，33(3)：10-14.

[2] 劉祖深. 頻譜分析儀全數(shù)字中頻設計研究與實現(xiàn)[J]. 電子測量與儀器學報，2009，23(2)：39-45.

[3] 楊 晨，馮 超. 基于DDS的高精度頻率信號源的實現(xiàn)[J]. 電子測試，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，研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置.

TJ81+0.35；TN713；TN722

A