一種基于FPGA 平臺的寬帶信號檢測算法的實現(xiàn)*

高 峰，劉兆春，楊 柯

（1.中電科網(wǎng)絡空間安全研究院有限公司，四川 成都 610041；2.中國人民解放軍32151 部隊，河北 邢臺 054000）

0 引言

隨著通信技術的發(fā)展，軍民用通信系統(tǒng)向具備提供實時、大容量傳輸能力的方向發(fā)展。以數(shù)字微波通信、數(shù)字衛(wèi)星通信、移動通信[1-3]為代表的現(xiàn)代通信系統(tǒng)，大多采用寬帶傳輸體制，促使寬帶信號成為無線電監(jiān)測的重要目標。在無線電監(jiān)測任務中，獲取載頻、帶寬、調(diào)制樣式以及符號速率等技術參數(shù)是寬帶信號檢測的第一步。技術參數(shù)提取的正確性決定了后續(xù)解調(diào)分析及信息解析的準確性。目前，常見的寬帶調(diào)制方式主要有QPSK、QAM 以及FSK 等，傳輸速率一般為幾兆至十幾兆波特率[3]。寬帶信號檢測需要采用大量的數(shù)字化處理單元實現(xiàn)，如現(xiàn)場可編程邏輯器件（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）、DSP 等[3]。如何在以FPGA為處理核心的無線電監(jiān)測系統(tǒng)中實現(xiàn)寬帶信號的精確檢測，實現(xiàn)數(shù)字處理資源的優(yōu)化，是需要研究解決的重要問題。

1 寬帶信號檢測的原理

在對寬帶信號的無線電監(jiān)測過程中，監(jiān)測處理設備需要對寬帶信號進行信號檢測和參數(shù)估計。處理流程如圖1 所示。

圖1 寬帶信號檢測處理流程

1.1 信號檢測

寬帶信號檢測一般采用基于功率譜的信號檢測方法，可用于多種調(diào)制樣式快速檢測信號。基于功率譜的信號檢測方法，一般分為功率譜估計和頻譜檢測方法兩部分。

（1）Welch 功率譜估計方法。相較于傳統(tǒng)周期圖法功率譜估計，它可以得到較為穩(wěn)定、準確的功率譜估值，能有效減小隨機起伏現(xiàn)象和頻譜失真，采用流水線設計后，計算復雜度和信號處理延時沒有明顯增加。Welch 功率譜估計方法的具體流程如圖2 所示[4]。

圖2 Welch 功率譜估計方法

數(shù)據(jù)分段后，設分段數(shù)據(jù)為x(i),i=1,…,N，窗函數(shù)為w(i)，其分段功率譜估計為：

（2）頻譜檢測方法。通過遍歷功率譜估計值，對各頻點功率譜密度和預設門限進行比較，認為大于預設門限的頻點存在待識別信號，反之不存在待識別信號。

相同功率信號因帶寬和調(diào)制方式不同，功率譜密度的分布情況存在一定差異。在相同頻譜分辨率的情況下，隨信號帶寬的增加，信號功率譜密度分布的差異愈發(fā)顯著，直接降低了單一預設門限的有效性，從而影響頻譜檢測結果的可靠性。針對寬帶信號檢測，為了盡可能提高檢測可靠性，避免單一預設門限失效的可能，采用二次頻譜檢測方法。首先，進行待識別頻段檢測，檢測門限為預設信號檢測門限。在遍歷頻譜過程中，認為連續(xù)或間歇大于檢測門限的頻段為待識別頻段。通過待識別頻段檢測，可以有效檢測存在待識別信號的頻段，但不能完全確認待識別信號數(shù)量和頻譜特征。其次，對待識別頻段進行待識別信號檢測，檢測門限通過待識別頻段內(nèi)頻譜密度極大值和均值實時計算得出。通過待識別信號檢測，可以有效檢測待識別頻段內(nèi)待識別信號的具體數(shù)量和頻譜特征。最后，通過待識別頻段檢測和待識別信號檢測的二次頻譜檢測，完成對待識別信號數(shù)量、頻譜基本特征的檢測。

1.2 帶寬估計

信號帶寬一般指信號所占頻帶寬度，通常以3 dB 帶寬作為衡量標準，具體指信號幅度與信號最大值相差3 dB 所對應的頻帶寬度，對應功率表示信號功率為信號最大功率的1/2。

先通過信號檢測搜索到待識別信號獲得待識別信號最大功率值Pmax，從而計算出功率譜3 dB 帶寬門限Th3dB，計算公式為：

1.3 調(diào)制識別

針對L 頻段典型寬帶信號，以2FSK、QPSK 和QAM 調(diào)制方式的信號為例進行調(diào)制識別說明。

若2FSK 信號的中心頻率為fc，偏移頻率為fb，則其功率譜存在兩條關于fc對稱的離散譜線。譜線位置分別位于{fc±fb}，其四次方譜譜線位置分別位于{fc±4fb}。

若QPSK 或QAM 信號的中心頻率為fc，成型濾波器采樣周期為TS，則其功率譜和二次方譜均不存在明顯譜線。四次方譜在存在離散譜線，譜線衰減速度大于或等于f-4，因此處譜線遠遠小于處譜線。

基于上述調(diào)制信號功率譜和四次方譜的不同特征，通過功率譜和四次方譜的譜線數(shù)量，可以有效識別基于頻率調(diào)制的FSK 信號和基于相位/幅度調(diào)制的QPSK 或QAM 信號。

為進一步識別QPSK 和QAM 信號，對一定時間內(nèi)信號能量峰值進行檢測。QPSK 信號星座圖各點均位于同一單位圓上，峰值振幅一致，峰值能量穩(wěn)定；QAM 信號星座圖不在同一單位圓上，振幅不一致，信號能量變化較大?；诖?，通過判斷一段時間內(nèi)信號能量方差的大小，對QPSK 和QAM信號進行區(qū)分。

1.4 符號速率估計

符號速率是單位時間內(nèi)傳輸符號的個數(shù)，其估計精度不僅影響后續(xù)解調(diào)、同步等的成功率，更直接影響對具體信號類型的判斷。針對L 頻段典型寬帶信號，以2FSK、QPSK 和QAM 調(diào)制方式的信號為例進行說明。

2FSK 信號的符號速率估計，在調(diào)制指數(shù)不明確的情況下，通常很難通過頻譜信息進行直接估計，而小波變換能對局部時域信號的頻域特征進行有效分析。利用2FSK 信號在同一符號時間內(nèi)能量集中于單一頻點的特點，通過小波變換對2FSK 信號的時頻域特征進行分析，可以較容易地估計信號的符號速率。

為進一步降低計算復雜度和實現(xiàn)難度，先通過采用多分辨率2 階Mallat 快速離散小波變換對2FSK 進行時頻域變換，再通過比較同一時段不同頻段能量的大小確定2FSK 信號在該時段的信號頻率，從而實現(xiàn)該時段的信號符號估計。最后，通過統(tǒng)計、分析各符號最短持續(xù)時間，估計2FSK 信號的符號速率。多分辨率離散小波變換第j階模糊分量和細節(jié)分量為：

式中，d為尺度因子，為尺度函數(shù)和小波函數(shù)雙尺度差分方程的函數(shù)序列空間。

2FSK 符號速率估計的具體流程如圖3 所示。

圖3 2FSK 符號速率估計流程

QPSK 和QAM 信號四次方譜的譜線位置和符號速率具有強相關性[5]。通過檢測信號四次方譜譜線位置，可以直接估算出信號的符號速率。若信號四次方譜的譜線分別位于f1、f2和f3(f1＜f2＜f3)，則其符號速率fsymbol的計算公式為：

2 寬帶信號檢測算法的FPGA 設計方案

項目研發(fā)需要在無線電監(jiān)測中實現(xiàn)對寬帶信號的檢測，針對典型的寬帶信號進行研究，具體參數(shù)為：載波為L 頻段，調(diào)制帶寬為0.444～4.812 MHz，碼速率為0.296～2.406 Msps，調(diào)制方式為QPSK、FSK 和16QAM。信號檢測方案為通過接收天線和寬帶射頻進行信號接收，并變頻到140 MHz中頻、60 MHz 帶寬的中頻模擬信號。采用200 MHz采樣率對中頻信號進行ADC 量化，并進行后續(xù)信號檢測。

首先，通過中頻信號功率譜檢測模塊對信號進行檢測，當發(fā)現(xiàn)未知信號后，對其中心頻點、信號帶寬進行預識別。若信號帶內(nèi)不存在明顯譜線，則預識別信號為QPSK 或16QAM 信號；反之，預識別信號為FSK 信號。

其次，通過數(shù)字下變頻模塊將信號中心頻率下變頻，并降采樣率至20 MHz。若信號預識別為QPSK 或16QAM 信號，則通過數(shù)字下變頻模塊將信號中心頻率下變頻至零頻。若信號預識別為2FSK信號，則通過數(shù)字下變頻模塊將信號中心頻率下變頻至5 MHz。

再次，若信號預識別為QPSK 或16QAM 信號，則通過四次方譜進一步確認調(diào)制樣式，并通過譜線間關系估計信號符號速率。若信號預識別為2FSK信號，則通過下變頻后信號的功率譜進一步確認調(diào)制樣式。

最后，若信號識別為QPSK 或16QAM 信號，則將下變頻后信號通過峰值能量檢測模塊檢測信號能量峰值變化情況，進一步區(qū)分QPSK 和16QAM信號。若信號預識別為2FSK 信號，則通過離散小波變換模塊估計信號符號速率。

寬帶信號檢測具體設計方案如圖4 所示。寬帶信號檢測具體流程如圖5 所示。

圖4 寬帶信號檢測設計方案

3 試驗驗證

3.1 FPGA 資源占用情況

通過賽靈思V7 系列FPGA 芯片進行仿真和試驗，寬帶信號檢測由于采樣率較高，導致FPGA 資源占用較大，故項目組通過對算法優(yōu)化設計以降低FPGA 資源占用。經(jīng)過測試，寬帶信號檢測模塊共使用片內(nèi)查找表資源36059 個，寄存器資源47239個，塊RAM 資源430.5 個，DSP 資源362 個，各模塊資源占用的具體情況如圖6 所示。

3.2 2FSK 信號符號速率試驗

在帶內(nèi)信噪比為20 dB、符號速率為296 ksps、信號采樣率為20 MHz 的情況下，2FSK 符號估計仿真結果如圖7 所示。共統(tǒng)計16384 個采樣點，符號估計錯誤采樣點38 個，占信號總采樣數(shù)0.23%。利用恢復信號對符號速率進行估計，估計錯誤采樣點對信號符號速率估計沒有顯著影響。

3.3 信號檢測試驗

為測試整體系統(tǒng)性能，先建立8 種典型信號樣本，在樣本信號帶內(nèi)信噪比8～20 dB。每次隨機選擇一種信號樣本作為輸入信號，隨機選擇開始檢測時間，最后通過寬帶信號檢測模塊對信號進行檢測。檢測共進行13000 次，正確識別出信號調(diào)制樣式和符號速率12793 次，合計正確率為98.41%。信號樣本具體調(diào)制方式及符號速率如表1 所示，不同信噪比下檢測準確率如圖8 所示。

圖5 寬帶信號檢測具體流程

圖6 FPGA 內(nèi)部資源占用情況

圖7 2FSK 符號速率估計情況

表1 典型信號樣本

圖8 不同信噪比下檢測準確率

分析數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)有系統(tǒng)對各典型信號都有較好的檢測準確率。其中，2FSK 信號檢測準確率最高，QPSK 信號檢測準確率次之，16QAM 信號檢測準確率相對較低。進一步分析可知，雖然QPSK 和16QAM 信號四次方譜譜線衰減速率一致，但由于16QAM 信號平均能量小于QPSK 信號，譜線更易被噪聲遮擋，降低了檢測準確率，但是其檢測準確率不低于90%，仍能滿足工程化使用要求。

4 結語

寬帶傳輸體制信號是目前無線電監(jiān)測的重要目標，基于現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA）的數(shù)字化處理單元進行寬帶信號檢測對無線電監(jiān)測工程應用有著重要意義。本文通過分析寬帶信號檢測的算法流程，結合項目需求，設計了一種基于FPGA 平臺的寬帶信號檢測實現(xiàn)方法和流程。該方法充分利用了寬帶信號典型調(diào)制樣式的特性，對信號檢測、帶寬估計、調(diào)制識別以及符號速率估計進行了設計，并基于FPGA 平臺進行了實現(xiàn)。通過試驗測試驗證，該方法在滿足FPGA 硬件開銷的前提下，可以實現(xiàn)對寬帶信號的精確檢測，目前已在某項目中獲得實際應用。