基于FPGA的脈內(nèi)調(diào)制雷達(dá)信號識別算法

王 宇，楊國彬，王 宏

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

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基于FPGA的脈內(nèi)調(diào)制雷達(dá)信號識別算法

王 宇，楊國彬，王 宏

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

針對脈內(nèi)調(diào)制雷達(dá)信號檢測，提出了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的脈內(nèi)調(diào)制特征實時提取技術(shù)，利用時-頻分析、瞬時自相關(guān)、時域累加平滑的方法，實現(xiàn)對常見脈內(nèi)調(diào)制雷達(dá)信號(簡單脈沖信號、二進制相移鍵控(BPSK)信號、正交相移鍵控(QPSK)信號、線性頻率調(diào)制(LFM)信號、頻移鍵控(FSK)信號)實時檢測及脈內(nèi)調(diào)制樣式實時提取，并將脈內(nèi)調(diào)制類型與常規(guī)PDW字結(jié)合構(gòu)成擴展脈沖描述字(EPDW)。測試結(jié)果證明了該方法實時性好、準(zhǔn)確率高。

時-頻分析；脈內(nèi)調(diào)制；瞬時自相關(guān)；現(xiàn)場可編程門陣列

0 引 言

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，新體制雷達(dá)層出不窮，頻率調(diào)制、相位編碼等雷達(dá)信號越來越多，電子偵察設(shè)備所面臨的電磁環(huán)境日益惡化。為了有效地對雷達(dá)信號進行偵收和識別，現(xiàn)代電子偵察系統(tǒng)急需研究的一個重要課題就是對雷達(dá)信號脈內(nèi)調(diào)制類型的準(zhǔn)確、實時識別[1]。脈內(nèi)調(diào)制識別算法復(fù)雜，計算量大，要達(dá)到實時性的要求，需要高速數(shù)據(jù)處理芯片的硬件平臺支撐。

現(xiàn)場可編程門陣列( FPGA)具有實時性強的運算能力和高速數(shù)據(jù)吞吐的傳輸能力等特點。本文提出了基于FPGA硬件平臺的雷達(dá)信號脈內(nèi)調(diào)制類型方法，提出了一種利用平滑的瞬時自相關(guān)法與短時傅里葉變換(STFT)相結(jié)合的方法，對幾種典型脈內(nèi)調(diào)制類型線性調(diào)頻(LFM)信號、頻移鍵控(FSK)信號、二進制相移鍵控(BPSK)信號、正交相移鍵控(QPSK)信號和單載頻信號進行準(zhǔn)確、快速的識別,在FPGA硬件平臺上實現(xiàn)并且通過內(nèi)場測試驗證。

1 脈內(nèi)調(diào)制類型識別算法

1.1 雷達(dá)信號特性分析

常用雷達(dá)信號類型主要包括：常規(guī)單載頻脈沖信號、線性調(diào)頻信號、相位編碼信號和頻率編碼信號。設(shè)A為雷達(dá)脈沖信號幅度，T為脈沖信號寬度，則不同調(diào)制形式的雷達(dá)脈沖信號可分別用以下復(fù)數(shù)形式表示[2]：

(1) 常規(guī)單載頻脈沖(FMCON)

(1)

式中：f0為信號載頻；φ0為信號初始相位。

(2) 二相編碼信號

(2)

式中：N為字碼數(shù)；ΔT為碼元寬度；φi的取值為0或者π。

(3) 線性調(diào)頻信號

(3)

式中：k為調(diào)頻率。

(4) 頻率編碼信號

(4)

式中：fi為頻率碼組；ΔT為子碼寬度。

圖1～圖4是幾種常見信號的時域及頻譜圖。

1.2 基于STFT的脈內(nèi)調(diào)制類型識別算法

STFT就是短時傅里葉變換,一種常用的時頻分析方法，屬于無偏的估計。STFT 就是對傳統(tǒng)傅里葉變換的改進,它是對信號時域加窗處理,然后對窗內(nèi)進行傅里葉變換,這樣就加入了時間信息,使信號分析具有了時間分辨率,進而可以描繪出信號的時頻特性。STFT 對非平穩(wěn)信號同樣具有很好的分析效果,因為只要選取的窗口足夠窄,就可以認(rèn)為窗口內(nèi)短時信號為平穩(wěn)信號,進而進行傅氏變換,求出其短時頻率,即可認(rèn)是為此時刻的瞬時頻率,讓窗口在時間軸上滑動就可以描繪出信號的時頻關(guān)系,刻畫了信號的時頻分布[3]。

窗函數(shù)的寬度決定了 STFT的時域定位功能和頻譜分辨率。窗函數(shù)寬度越大，頻域分辨率越高，但時域分辨力越低；窗函數(shù)寬度越小，時域分辨力越好，但頻域分辨率越差。圖5為基于STFT的脈內(nèi)類型識別流程圖。

1.3 基于平滑瞬時自相關(guān)和STFT相結(jié)合的脈內(nèi)調(diào)制類型識別算法

實際工程中，由于硬件資源的限制，STFT時間和頻率分辨力相互制約，常常折中選定窗寬度，所以時間分辨率和頻率分辨率無法同時達(dá)到很高。瞬時自相關(guān)和累加平滑的方法運算量少，實時性高，在較高信噪比時，可以同時得到好的時間頻率分辨率，因此考慮將二者有機結(jié)合起來，通過綜合決策判斷識別脈內(nèi)調(diào)制樣式。

2 脈內(nèi)調(diào)制類型實時識別的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件平臺

系統(tǒng)硬件平臺組成框圖如圖6所示，其主要包括高速模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換采集板、高速信號處理板、主機板和顯控單元。高速A/D采集板主要由1塊高速A/D芯片和2塊高性能FPGA(Altera EP3S340和EP3S110)組成，信號處理板主要由1塊高性能數(shù)字信號處理器DSP(TI C6455)和2塊FPGA(Altera EP3S110和EP2S50)組成。

2.2 FPGA設(shè)計與處理流程

FPGA的主要工作流程為：高速A/D采集中頻模擬信號送至FPGA，一路進行數(shù)字下變頻(DDC)得到零中頻信號，再對信號進行瞬時自相關(guān)，然后通過Cordic算法求取信號瞬時頻率，再根據(jù)頻率曲線特征進行脈內(nèi)樣式判讀。通過大量仿真分析得到: 單載頻信號曲線為一條直線，線性調(diào)頻信號曲線為一條斜率固定的斜線，相位編碼信號曲線在相位跳變點有1個強脈沖，頻率編碼信號曲線在頻率跳變點有階梯變化。將脈內(nèi)分析結(jié)果與傳統(tǒng)脈沖描述字(PDW)組合形成PDW組1;另一路進入STFT組，得到時頻曲線，再進行時頻特征統(tǒng)計，將脈內(nèi)分析結(jié)果與傳統(tǒng)PDW組合形成PDW組2。最后，經(jīng)過綜合決策，將2組PDW進行融合識別，得到最終PDW，流程圖見圖7。

脈內(nèi)類型分析部分實現(xiàn)對脈內(nèi)調(diào)制類型的實時識別，主要處理流程為：首先對輸入的信號預(yù)處理并進行常規(guī)PDW檢測，根據(jù)普通PDW進行預(yù)識別，如脈寬太小則直接判定為普通脈沖；接著先驗識別功能根據(jù)已知雷達(dá)輻射源數(shù)據(jù)庫進行分類識別判斷[4]；同時，對信號的時頻曲線、瞬時相位信息進行計算，并實時統(tǒng)計，得到時-頻、時-相曲線的一維和二維特征，即完成時-頻分析、時-相分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析；最后，簡單類型識別模塊、相位編碼調(diào)制類型模塊、線性調(diào)頻類型模塊、頻率編碼識別模塊等根據(jù)前面統(tǒng)計特征結(jié)果，完成對各種脈內(nèi)類型的實時判斷，結(jié)果分別送入擴展PDW形成模塊。脈內(nèi)識別的流程框圖如圖8所示。

3 試驗測試與結(jié)果

本算法采用3個硬件平臺，分別為偵察信號處理主站、左站和右站，系統(tǒng)測試框圖如圖9所示。

信號源產(chǎn)生信號經(jīng)功分器分別注入3個站，各站對信號進行檢測和脈內(nèi)特征識別，得到擴展PDW。此處信號源為安捷倫公司的任意波形發(fā)生器，可以編寫產(chǎn)生各種規(guī)律脈內(nèi)調(diào)制信號，如二相編碼信號、四相編碼信號、線性調(diào)頻信號、頻率編碼信號及簡單脈沖信號和噪聲信號。FPGA通過sigtap實時監(jiān)測脈內(nèi)類型分析結(jié)果，頻率編碼、線性調(diào)頻等4種調(diào)制類型分析結(jié)果如圖10～圖13。

另外，將各種類型信號識別結(jié)果導(dǎo)入Matlab進行統(tǒng)計分析，脈內(nèi)調(diào)制樣式分析準(zhǔn)確率見表1。

表1 各種脈內(nèi)調(diào)制類型信號分析準(zhǔn)確率統(tǒng)計表

綜上可以看出，本雷達(dá)信號脈內(nèi)調(diào)制樣式識別算法與FPGA程序可以正確地實時判斷接收信號的脈內(nèi)調(diào)制類型，驗證了算法及程序的實時性、正確性和可靠性。

4 結(jié)束語

本文對雷達(dá)信號脈內(nèi)調(diào)制樣式實時識別算法進行分析和仿真，并在FPGA硬件平臺上實現(xiàn)和測試。結(jié)果表明：信噪比在10 dB以上，可以實時準(zhǔn)確地識別出接收到信號的脈內(nèi)調(diào)制類型，該算法實時性高，占用硬件資源少，判斷準(zhǔn)確率高，且易于工程使用,對未來進行新體制及復(fù)雜電磁環(huán)境下的信號偵察識別具有重大的意義。

[1] 余志斌.基于脈內(nèi)特征的雷達(dá)輻射源信號識別研究[D].成都:西南交通大學(xué),2010.

[2] 李磊,任麗香,毛二可，等.頻率步進信號寬帶模糊函數(shù)及其應(yīng)用[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2011,31(7):844-848.

[3] 李利,紀(jì)凱,柴娟芳.一種由粗到細(xì)的脈壓雷達(dá)信號調(diào)制類型識別方法[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2011,31(10):88-90.

[4] 翟孝霏,劉雅軒,陳濤，等.一種快速雷達(dá)信號脈內(nèi)調(diào)制識別分析方法[J].現(xiàn)代雷達(dá),2012,34(6):16-19.

Recognition Algorithm of Intra-pulse Modulation Radar signal Based on FPGA

WANG Yu,YANG Guo-bin,WANG Hong

(51st Research Institute of CETC,Shanghai 201802,China)

Aiming at the detection of intra-pulse modulation radar signal,this paper puts forward a real-time extracting technique of intra-pulse modulation characteristic based on field-programmable gate array (FPGA),uses the methods of time-frequency analysis,instantaneous auto-correlation,time-domain accumulation smooth to detect several common intra-pulse modulation radar signals: simple pulse signal,binary phase shift keying (BPSK) signal,quaternary phase shift keying (QPSK) signal,linear frequency modulation (LFM) signal,frequency shift keying (FSK) signal in real time,and extract the intra-pulse modulation modes in real time,and combines the intra-pulse modulation type with general pulse description word (PDW) to form the extension pulse description word (EPDW).The testing results demonstrate that the method has good real-time performance and high precision.

time-frequency analysis;intra-pulse modulation;instantaneous auto-correlation;field-programmable gate array

2017-02-23

TN971.1

A

CN32-1413(2017)02-0051-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.012