一種跳頻MSK信號檢測算法及FPGA 實(shí)現

引言

　　采用MSK 調制的跳頻通信具有主瓣能量集中、旁瓣衰落滾降快、頻譜利用率高和抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，在軍事通信中應用廣泛。如美軍現役的聯(lián)合戰術(shù)信息分發(fā)系統采用的通信信號，工作帶寬969~1 206 MHz，跳頻速率為70000 多跳/ s， 單個(gè)頻點(diǎn)駐留時(shí)間約為13 s，信號持續時(shí)間* s， 總共有51個(gè)間隔為3 MHz 的信道，碼速率為5 MHz。已知在該工作頻段內主要還存在單頻、窄帶調幅和線(xiàn)性調頻等信號。為了準確截獲并識別目標信號，針對此信號環(huán)境設計了一種MSK 信號檢測識別方法，并使用FPGA 進(jìn)行了設計實(shí)現。

　　1 算法設計

　　1.1 寬帶跳頻信號實(shí)時(shí)檢測算法

　　用現代技術(shù)來(lái)實(shí)現寬帶數字化接收的一個(gè)實(shí)用的方法是通過(guò)信道化技術(shù)，實(shí)現信道化通常的方法是采用快速傅里葉變換（FFT）。利用FFT技術(shù)比用單個(gè)濾波器設計法更容易實(shí)現，因為FFT所需要的運算量更少。

　　某個(gè)由FFT運算輸出的頻率分量，可以看成輸入信號與某個(gè)脈沖函數的卷積。因此可以把FFT的每個(gè)輸出看成濾波器的脈沖響應函數與輸入信號的卷積。為了處理一個(gè)連續的輸入信號。必須在不同時(shí)刻對各段數據進(jìn)行FFT處理。通常，起始點(diǎn)記為n = 0，數據段可以滑動(dòng)M點(diǎn)，相應的FFT可以寫(xiě)成：

　M 的值必須隨著(zhù)輸入信號連續變化，這種運算也叫作短時(shí)傅里葉變換（STFT）。

　　FFT的長(cháng)度和重疊點(diǎn)數是非常重要的參數，這些參數與最小脈寬和頻率分辨率有關(guān)，它們決定了接收機的靈敏度。若FFT的長(cháng)度為N，信號的采樣頻率為f s，那么經(jīng)FFT計算后，信號的頻率分辨率為：

　　數據重疊點(diǎn)數決定了時(shí)間分辨率和處理的最短脈寬，數據重疊率越高，則時(shí)間分辨率越高。

　　本設計中使用STFT 的方法實(shí)現一個(gè)粗測頻引導數字接收機，為覆蓋整個(gè)跳頻帶寬，采用700 MHz采樣率對目標信號進(jìn)行采樣，粗測頻引導精度在1 MHz以?xún)?，因此FFT長(cháng)度選擇為1 024 點(diǎn)，數據重疊率50%，保證時(shí)間分辨率在1 s 之內。

　　利用粗測頻接收單元的檢測結果去引導一個(gè)精測單元，可以對目標信號進(jìn)行更為精確的測量和識別。精測單元采用數字正交下變頻的實(shí)現方法，數字本振頻率隨粗測引導結果而設置，變頻后的帶寬依據目標信號而確定。

　　1.2 MSK 信號識別算法

　　MSK 信號可以寫(xiě)成：

　　式中，Tb 為碼元周期，θk 是第k 個(gè)碼元的相位常數，取值為nπ， Pk 為二進(jìn)制雙極性碼元，取值為 1，所以MSK 信號相位分段線(xiàn)性變化，每個(gè)碼元周期內相對前*元載波相位上升或下降π/2

　　根據三角函數展開(kāi)，設θk 起始參考值為0，得：

　　又根據Ik= 1, Qk= 1, 令f L= f c-14Tb, f H=f c+14Tb,MSK 信號經(jīng)過(guò)平方環(huán)可得：

　　可知，MSK 信號經(jīng)過(guò)平方運算后，含有2f L 和2fH兩個(gè)離散頻率分量，反映在FFT幅度譜上，在這2 個(gè)頻點(diǎn)上存在2 個(gè)明顯的譜峰，2 個(gè)譜峰的距離為1 個(gè)碼元速率，并且距離2 倍載頻處均為碼元速率的一半。這些特征是此頻段內其他信號不具備的，可以根據這些特征對MSK 進(jìn)行有效的識別。因此，將經(jīng)過(guò)正交下變頻的信號進(jìn)行平方運算，確定信號出現后對其平方的結果進(jìn)行FFT處理計算幅度譜，再對譜峰點(diǎn)進(jìn)行分析即可完成MSK 信號的識別。

　　2 算法的FPGA 實(shí)現

　　2.1 算法實(shí)現

　　跳頻MSK 信號檢測識別的實(shí)現框圖如圖1 所示，采用FPGA 實(shí)現，包括短時(shí)傅里葉變換（STFT） 粗測頻引導、數字正交下變頻、平方運算和幅度譜分析等主要模塊。STFT 粗測頻引導在寬帶條件下進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號檢測和頻率粗測，測量的結果引導數字正交下變頻模塊，對信號進(jìn)行變頻、濾波和抽取，得到低采樣速率的零中頻數據，平方運算模塊對零中頻數據進(jìn)行平方處理，在確定存在信號后，對平方運算模塊的輸出進(jìn)行FFT運算得到信號的幅度譜，通過(guò)幅度譜分析模塊得到最終的識別結果。

　　2.2 高速STFT 實(shí)現

　　為了覆蓋整個(gè)跳頻帶寬，中頻信號的采樣率設為700MHz， 而FPGA 無(wú)法直接處理這樣高速率的數據，因此需要采用多路并行處理，即將中頻采樣信號分成4 路，每路175 MHz， 這使得在FPGA 中運算成為可能。相應的FFT運算也需要多個(gè)運算模塊并行處理，這樣的代價(jià)便是增加了硬件資源消耗。數據接收及FFT處理的實(shí)現框圖如圖2 所示。

　　要實(shí)現50%的數據重疊處理，需要2 個(gè)圖2 所示的模塊，這樣粗測頻引導模塊就需要8 個(gè)1 024 點(diǎn)FFT運算單元，在FPGA 中使用FFT的IP 核實(shí)現。

　　完成FFT處理后需要進(jìn)行幅度譜計算和譜峰提取，通過(guò)對譜峰的能量檢測進(jìn)行是否存在信號的判斷，并根據譜峰位置得到粗測頻結果，以此引導正交下變頻模塊。

　　2.3 數字正交下變頻的實(shí)現

　　數字正交下變頻模塊根據前面得到的引導信息，設置合適的數字本振頻率值，將信號搬移到零中頻，并對信號進(jìn)行低通濾波和抽取，得到低采樣率的零中頻數據，以方便后續處理。數字正交下變頻采用基于多相抽取濾波器的多路并行結構，實(shí)現如圖3所示。