一种基于fpga实现的脉内调制特征实时提取与分类系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于数字化信号处理领域，具体涉及一种实时性更强、精度更高的基于FPGA实现的脉冲干扰内部调制特征实时提取与分类系统。本发明包括：信号生成模块；脉冲形成模块；识别模块，包括调相信号识别模块和调频信号模块；测频模块，包括FFT测频和瞬时相位差测频；综合判别模块。对信号的识别采用从粗到细的方法，先通过3dB带宽对信号进行粗识别，分成调相信号和调频信号两大类。调相信号包括BPSK信号、QPSK信号和常规雷达信号；调频信号包括LFM信号、NLFM信号、VFM信号和SFM信号。然后对信号进行细识别，对调频信号采用时频分析进一步分类，对调相信号采用时域累加瞬时自相关法进行进一步分类。
【专利说明】-种基于FPGA实现的脉内调制特征实时提取与分类系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于数字化信号处理领域，具体涉及一种实时性更强、精度更高的基于 FPGA实现的脉冲干扰内部调制特征实时提取与分类系统。
【背景技术】
[0002] 随着现代技术的发展，雷达探测所面临的信号环境也越来越复杂：辐射源数量日 渐增大，范围愈加广，交叠现象严重；信号的调制方式越来越繁琐，难以识别分类。这也要求 雷达探测必须有很高的频带覆盖范围和较强的信号分析识别能力。雷达信号传统常规五参 数（脉冲宽度，载频，功率，到达时间和到达方向）的识别方法已远远达不到现代雷达探测 需求。因此，这就对雷达探测技术提出了高标准、高要求。
[0003] 本发明主要为解决雷达信号脉内调制方式的自动识别问题，即提出了一种简单实 用的调制类型识别方法。通过对比不同脉内调制信号的特性，运用3dB带宽测量，时域累 力口，时频变换的方法，能够快捷的识别出常规雷达信号、BPSK信号、QPSK信号、LFM信号、 NLFM信号、VFM信号、SFM信号七种不同雷达信号。本发明首次提出了基于FPGA实现的脉 冲干扰内部调制特征实时提取与分类方法，采用本发明方案可保证在信噪比>13dB，识别正 确率>90%。特征提取与分类实时性<10us。
[0004] 本发明应用于数字接收机的基于FPGA实现的脉冲干扰内部调制特征实时提取与 分类，可以实时的完成识别雷达信号的调制方式（频率调制或相位调制），精确估计它的调 制参数（载频，脉宽，调制斜率，起始频率，截止频率，相对子码和子码宽度）。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于为数字接收机提供一种高精度、高实时性的基于FPGA实现的 脉冲干扰内部调制特征实时提取与分类方法。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007] 1. -种基于FPGA实现的脉内调制特征实时提取与分类系统，其特征在于：
[0008] 信号生成模块：
[0009] 利用FPGA生成一路或三路脉冲干扰采样I、Q数据，数据由mat lab仿真生成后存 入 PFGA ;
[0010] 脉冲形成模块：
[0011] 根据采集到的I、Q数据，计算信号幅度与固定门限值比较判断信号是否存在及信 号的起始点和结束点，若连续η个幅度大于固定门限值认为有信号，脉冲下降沿的判断也 是连续η个幅度小于固定门限值，给出对应的视频脉冲；
[0012] 识别模块，包括调相信号识别模块和调频信号模块：
[0013] 调相信号识别模块包括相位瞬时自相关、时域累加、相对子码识别和峰值统计，根 据跳变峰值进行区分调相信号；
[0014] 调频信号识别模块包括延时模块、FFT、3dB带宽判决和时频统计，对通过延时模块 输出的信号进行128点的FFT求信号的频率，进而计算信号的3dB带宽，粗识别出调频与调 相信号，根据FFT求出的频率进行时频统计，识别调频信号；
[0015] 测频模块，包括FFT测频和瞬时相位差测频：
[0016] FFT法测频所需时间长，在调频信号的识别时，至少需要5个频率点进行时频分 析，在处理短脉冲信号时，调频信号采用瞬时相位差法来计算信号的频率，通过C0RDIC模 块输出的相位信息进行瞬时相位差测频；
[0017] 综合判别模块：
[0018] 同步脉冲过后，依据统计结果，给出脉内分析结果。
[0019] 本发明的有益效果在于：
[0020] 对信号的识别采用从粗到细的方法，先通过3dB带宽对信号进行粗识别，分成调 相信号和调频信号两大类。调相信号包括BPSK信号、QPSK信号和常规雷达信号；调频信号 包括LFM信号、NLFM信号、VFM信号和SFM信号。然后对信号进行细识别，对调频信号采用 时频分析进一步分类，对调相信号采用时域累加瞬时自相关法进行进一步分类。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是本发明的FPGA编程逻辑框图；
[0022] 图2是脉内类型识别流程图；
[0023] 图3是cordic算法求取相位和幅度示意图；
[0024] 图4是信号频谱3dB宽度计算流程流程图；
[0025] 图5是PSK信号识别流程图；
[0026] 图6是调频信号识别流程图；
[0027] 图7是FM信号（LFM信号、NLFM信号、VFM信号和SFM信号）频率变化率示意图；
[0028] 图8是常规雷达信号、BPSK信号、QPSK信号、LFM信号、NLFM信号、VFM信号和SFM 信号仿真结果图；
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0030] 本发明目的是解决雷达信号脉内调制方式的自动识别问题，即提出了一种简单实 用的调制类型识别方法。通过对比不同脉内调制信号的特性，运用3dB带宽测量，时域累 力口，时频变换的方法，能够快捷的识别出常规雷达信号、BPSK信号、QPSK信号、LFM信号、 NLFM信号、VFM信号、SFM信号七种不同雷达信号。本发明首次提出了基于FPGA实现的脉 冲干扰内部调制特征实时提取与分类方法，可以实时的完成识别雷达信号的调制方式（频 率调制或相位调制），精确估计它的调制参数（载频，脉宽，调制斜率，起始频率，截止频率， 相对子码和子码宽度）。本发明的实现方法为：由matlab产生BPSK信号、QPSK信号、常规 雷达信号、LFM信号、NLFM信号、VFM信号和SFM信号7种信号，经过切换选择对应信号的同 相分量和正交分量。利用cordic算法计算出幅度和相位，根据幅度信息提取同步脉冲。FFT 法计算信号的3dB带宽，同时测频，将信号的3dB带宽计算结果与阈值BTH进行比较，若信号 的3dB带宽小于B TH，则识别成调相信号，若大于BTH则识别成调频信号。采用时域累加瞬时 自相关法进行，根据跳变峰值进行区分BPSK信号、QPSK信号、常规雷达信号；采用时频分析 的方法，FFT测频后根据其结果进行时频分析，根据中心频率法进行识别LFM信号、NLFM信 号、VFM信号和SFM信号。
[0031] 基于脉内调制特征实时提取与分类的FPGA实现系统，它包括信号生成模块（1)， 脉冲形成模块（2)，识别模块（3)，测频模块（4)和综合判别模块（5)。五个模块构成的"基 于脉冲干扰内部调制特征实时提取与分类"均适用于FPGA实现。信号生成模块（1)经由 matlab产生信号，经脉冲形成模块（2)后，计算信号幅度和相位，提取同步脉冲；同时经识 别模块（3)和测频模块（4)，FFT法计算信号的3dB带宽，将信号的3dB带宽计算结果与阈 值B TH进行比较，若信号的3dB带宽小于BTH，则识别成调相信号，若大于BTH则识别成调频信 号。采用时域累加瞬时自相关法进行，根据跳变峰值进行区分BPSK信号、QPSK信号、常规 雷达信号。采用时频分析的方法。首先进行FFT测频，根据其结果进行时频分析，根据中心 频率进行识别LFM信号、NLFM信号、VFM信号和SFM信号。最后经综合判别模块（5)给出识 别雷达信号的调制方式和调制参数。
[0032] VFM信号存在极值点，前后两段的频率变化率明显不一致，每段频率变化率相同 (不等于零）；SFM信号存在极值点，频率呈三角函数变化关系，起始时刻、中间时刻、结束时 刻对应的频率的变化率相同（等于零）。信号经过FFT法测频，经过频点搜索采用中心频率 法识别VFM信号和SFM信号。
[0033] 脉冲干扰内部调制VFM信号和SFM信号分类采用中心频率法。以采样率fs = 50M，VFM信号：频率变化斜率k = 6. 1X101qHz/s，脉宽T = 81. 92us，带宽B = 5MHz，起始频 率 _2MHz，截止频率 3MHz ;SFM信号：f； = 1/T = 1. 2X104，mf = 327· 68,脉宽 T = 81· 92us， 带宽B = 8MHz，起始频率0MHz，截止频率0MHz为例。VFM信号和SFM信号经FFT法计算它 们的3dB带宽，同时测频，将它们的3dB带宽计算结果与阈值进行比较，大于识别成调频信 号。根据FFT测频结果进行时频分析，根据中心频率进行识别VFM信号、SFM信号和它们的 调制参数。
[0034] 本发明是采用FPGA实现的，保证信号处理的实时性，它包括信号生成模块，脉冲 形成模块，识别模块，测频模块和综合判别模块。
[0035] 基于本发明的实现方法为：由matlab产生BPSK信号、QPSK信号、常规雷达信号、 LFM信号、NLFM信号、VFM信号和SFM信号7种信号，经过切换选择对应信号的同相分量和正 交分量。利用cordic算法计算出幅度和相位，根据幅度信息提取同步脉冲。FFT法计算信 号的3dB带宽，同时测频，将信号的3dB带宽计算结果与阈值B TH进行比较，若信号的3dB带 宽小于BTH，则识别成调相信号，若大于BTH则识别成调频信号。采用时域累加瞬时自相关法 进行，根据跳变峰值进行区分BPSK信号、QPSK信号、常规雷达信号；采用时频分析的方法， FFT测频后根据其结果进行时频分析，根据中心频率法进行识别LFM信号、NLFM信号、VFM 信号和SFM信号。
[0036] 本发明的特点主要有以下2点：
[0037] 1、PSK信号识别，采用时域累加瞬时自相关法进行，根据跳变峰值进行区分。
[0038] 在有噪声的情况下，常规信号相位跳变幅度小几乎为零，调相信号跳变幅度大，且 BPSK信号只有一种跳变值，QPSK信号则有两种跳变值，这样可以根据瞬时自相关后的相位 跳变值不同将三种信号区分开。相位采用瞬时累加自相关法，10个时刻相位差的平均值做 8个点的累加，由于相位做差有可能出现负值，所以需要经过一个取绝对值的模块，将取绝 对值后的相位累加结果进行PSK信号的识别。采用时域累加瞬时自相关的方法可以提高抗 噪性能。
[0039] 2、FM信号的识别，采用中心频率法进行区分。
[0040] LFM信号的频率变化率相同（不等于零）；NLFM信号的频率变化率明显不一致； VFM信号存在极值点，前后两段的频率变化率明显不一致，每段频率变化率相同（不等于 零）；SFM信号存在极值点，频率呈三角函数变化关系，起始时刻、中间时刻、结束时刻对应 的频率的变化率相同（等于零）。信号经过FFT法测频，经过频点搜索采用中心频率法识别 FM信号。
[0041] 下面结合附图和实例对本发明做更详细地描述：以fs = 50M采样，
[0042] (1)输入信号为常规雷达信号，采样频率fs = 50MHz，载频fQ = -2. 5MHz，脉宽T = 10. 4us ；
[0043] (2)输入信号为BPSK信号，采样频率fs = 50MHz，载频f。= -2. 5MHz，子码宽度为 0. 5us ；
[0044] (3)输入信号为QPSK信号，采样频率fs = 50MHz，载频f。= -2. 5MHz，子码宽度为 2. 5us ；
[0045] (4)输入信号为LFM信号，频率变化斜率k = 9. 8X101(lHZ/s，脉宽T = 81.92us， 带宽B = 8MHz，起始频率-2MHz，截止频率6MHz ;
[0046] (5)输入信号为 NLFM 信号，ai = -2X106, a2 = 0· 125X1011，a3 = 3X1014,脉宽 T =81. 92us，带宽B = 8MHz，起始频率-2MHz，截止频率6MHz ;
[0047] (6)输入信号为VFM信号，频率变化斜率k = 6. 1 X 101(lHZ/s，脉宽T = 81. 92us， 带宽B = 5MHz，起始频率-2MHz，截止频率3MHz ;
[0048] (7)输入信号为 SFM 信号，f；= 1/T= 1.2父104，!^ = 327.68，脉宽丁 = 81.92118， 带宽B = 8MHz，起始频率0MHz，截止频率0MHz为例。
[0049] 图1是本发明的FPGA编程逻辑框图。结合图1，本发明的基于脉冲干扰内部调制 特征实时提取与分类的FPGA实现由信号生成模块，脉冲形成模块，识别模块，测频模块和 综合判别模块五个模块构成。五个模块构成的"基于脉冲干扰内部调制特征实时提取与分 类"均适用于FPGA实现。FPGA芯片可选用Altera公司的STRATIX4代芯片EP4SGX230。整 个系统FPGA时钟采用50M时钟。
[0050] 图2给出了脉内类型识别流程图。根据功率谱特点对信号进行粗识别。采用时域 累加瞬时自相关法根据跳变峰值进行调相信号的细识别。对信号进行FFT测频，根据其结 果进行时频分析，根据中心频率进行调频信号的细识别。
[0051] 图3是利用cordic算法求取信号的相位和幅度。其基本思想是用一系列角度较 小的基本旋转，通过迭代不断逼近所要旋转的角度。cordic算法可以归结为以下方程组 ： %! '
[0052] < =_ν;'+?/? ζ, ,, =ζ( + ?/, arclan(2 ()
[0053] 对i作递推，当i趋近于无穷大时，得到cordic算法收敛的结果。根据CORDIC算 法提取出幅度和相位，幅度信息用于形成同步脉冲，相位信息为后续PSK信号的识别及相 对子码的识别提供基础。
[0054] 图4是信号频谱3dB宽度计算流程流程图。采用FFT法得出信号的频谱。FFT法 需要注意：50MHZ采样，为保证系统的实时性和精度要求，选择了 128点的FFT。通过累加多 次128点FFT的结果进行测频，由于FPGA实现时考虑只能实现2n点FFT，因此若最后一次 不足128点，将数据进行补0,进行128点FFT。实现过程如下 ：
[0055] (1)分配128点频率的最大值存储空间；
[0056] (2)在 2. 56us 内采样 128 点；
[0057] ⑶作 I28 点 FFT ;
[0058] (4)对串行输出的128点数据求出最大值max_amplitude ;
[0059] (5)将最大值记录到对应的存储空间；
[0060] (6)重复⑵一（5)，直到脉冲结束；
[0061] (7)搜寻 128 点频谱值，超过 1/2 最大值（max_amplitude/2)的最大（max_freq) 和最小（min_freq)频率点，统计频谱宽度。
[0062] B3dB = (max_freq-min_freq) X 50/128
[0063] 图5是PSK信号识别流程图，VB为常规信号和QPSK信号的阈值，VQ为QPSK和BPSK 信号的阈值，LQ为相邻峰值间隔点数，CQ为大于VQ峰值点个数，C B为大于VB峰值点个数。 首先对输入的相位累加自相关的结果寻找峰值，采用5个点，即某个点如果大于其前面相 邻的两个点的值并且也大于其后面相邻两个点的值，则认为是一个峰值点，两个峰值点的 间距应大于m个点（m根据实际FPGA实现时确定），小于m个点以内如果出现两个峰值点， 则只要较大的那个，将峰值点与BPSK和QPSK阈值比较，分别统计超过BPSK和QPSK阈值的 峰值点的个数，分别用C B和CQ表示，由于可能受到噪声等干扰，认为超过BPSK阈值的个数 CB小于2、且超过QPSK阈值的峰值点的个数CQ小于10时认为是常规信号，否则当超过QPSK 阈值的个数与超过BPSK阈值的个数差值即（CQ-CB) < 1时认为是BPSK信号，其他情况为 QPSK信号。
[0064] 图6是FM信号（LFM信号、NLFM信号、VFM信号和SFM信号）频率变化率示意图， 清楚地描述了信号频率随时间变化的关系。
[0065] 图7是调频信号识别流程图，实现过程如下：
[0066] (1)信号的最长脉宽为400us，一次128点的FFT需要2. 56us，最多可以采到157 个频率点，对ROM分配了 200点存储空间。对存储空间内的频率值进行搜索：
[0067] 频率最大值一fmax ;
[0068] 频率最小值一fmin ;
[0069] 起始时刻频率一;
[0070] 中间时刻频率一fm ;
[0071] 终止时刻频率一f5 ；
[0072] 频率极值一f3 (f_和中的一个）；
[0073] 频率极值点对应的时刻与起始时刻的中间时刻的频率一f2 ;
[0074] 频率极值点对应的时刻与终止时刻的中间时刻的频率一 f4。
[0075] (2)若fmax和fmin是起始点和终止点，则用3个频率点即可识别LFM信号和NLFM 信号。即Α?。
[0076] 若两段斜率相等（不等于零）则为LFM信号，不等则为NLFM信号。即 < m，m关0识别为LFM信号，否贝1J识别为NLFM信号。m为设定的斜率阈值。
[0077] (3)若fmax和fmin不是起始点和终止点，则用5个频率点来识别VFM信号，3个点来 识别SFM信号。
[0078] 4汀2、匕汀4汀5以极值点f 3为分界点，分为两部分进行判别，第一部分三个点为为 f\、f2、f3，第二部分三个点为为f3、f4、f 5，判别方法与LFM信号相同，若每一部分均为线性调 频信号，且两部分斜率不等则为VFM信号。即的-以-的-心）<m，（f 5-f4)-(f4-f3) <m，则 识别为VFM信号。
[0079] 若两段斜率相等（等于零）的-4)-(4-4) <m，识别为SFM信号。
[0080] 若既不是VFM信号，又不是SFM信号，则识别为NLFM信号。
[0081] 图8是常规雷达信号、BPSK信号、QPSK信号、LFM信号、NLFM信号、VFM信号和SFM 信号仿真结果图。
【权利要求】
1. 一种基于FPGA实现的脉内调制特征实时提取与分类系统，其特征在于： 信号生成模块： 利用FPGA生成一路或三路脉冲干扰采样I、Q数据，数据由matlab仿真生成后存入 PFGA ； 脉冲形成模块： 根据采集到的I、Q数据，计算信号幅度与固定门限值比较判断信号是否存在及信号的 起始点和结束点，若连续η个幅度大于固定门限值认为有信号，脉冲下降沿的判断也是连 续η个幅度小于固定门限值，给出对应的视频脉冲； 识别模块，包括调相信号识别模块和调频信号模块： 调相信号识别模块包括相位瞬时自相关、时域累加、相对子码识别和峰值统计，根据跳 变峰值进行区分调相信号； 调频信号识别模块包括延时模块、FFT、3dB带宽判决和时频统计，对通过延时模块输出 的信号进行128点的FFT求信号的频率，进而计算信号的3dB带宽，粗识别出调频与调相信 号，根据FFT求出的频率进行时频统计，识别调频信号； 测频模块，包括FFT测频和瞬时相位差测频： FFT法测频所需时间长，在调频信号的识别时，至少需要5个频率点进行时频分析，在 处理短脉冲信号时，调频信号采用瞬时相位差法来计算信号的频率，通过CORDIC模块输出 的相位信息进行瞬时相位差测频； 综合判别模块： 同步脉冲过后，依据统计结果，给出脉内分析结果。
【文档编号】G01S7/02GK104052701SQ201410239302
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2014年6月3日
【发明者】陈涛, 赵忠凯, 张文旭, 高兴建, 刘志武, 陈亚 申请人:哈尔滨工程大学