算法的FPGA 实现

只看该作者 · 2011-10-11 12:53

跳频MSK 信号检测识别的实现框图如图1 所示，采用FPGA 实现，包括短时傅里叶变换（STFT）粗测频引导、数字正交下变频、平方运算和幅度谱分析等主要模块。STFT 粗测频引导在宽带条件下进行实时的信号检测和频率粗测，测量的结果引导数字正交下变频模块，对信号进行变频、滤波和抽取，得到低采样速率的零中频数据，平方运算模块对零中频数据进行平方处理，在确定存在信号后，对平方运算模块的输出进行FFT运算得到信号的幅度谱，通过幅度谱分析模块得到最终的识别结果。

2.2 高速STFT 实现
为了覆盖整个跳频带宽，中频信号的采样率设为700MHz，而FPGA 无法直接处理这样高速率的数据，因此需要采用多路并行处理，即将中频采样信号分成4 路，每路175 MHz，这使得在FPGA 中运算成为可能。相应的FFT运算也需要多个运算模块并行处理，这样的代价便是增加了硬件资源消耗。数据接收及FFT处理的实现框图如图2 所示。

要实现50%的数据重叠处理，需要2 个图2 所示的模块，这样粗测频引导模块就需要8 个1 024 点FFT运算单元，在FPGA 中使用FFT的IP 核实现。
完成FFT处理后需要进行幅度谱计算和谱峰提取，通过对谱峰的能量检测进行是否存在信号的判断，并根据谱峰位置得到粗测频结果，以此引导正交下变频模块。
2.3 数字正交下变频的实现
数字正交下变频模块根据前面得到的引导信息，设置合适的数字本振频率值，将信号搬移到零中频，并对信号进行低通滤波和抽取，得到低采样率的零中频数据，以方便后续处理。数字正交下变频采用基于多相抽取滤波器的多路并行结构，实现如图3所示。

2.4 信号识别的实现
信号识别的主要模块是平方运算和信号的幅度谱分析。为了体现MSK 信号的特征，对经过正交下变频得到的数据进行平方运算。如果直接对数据进行常规的平方处理，结果会产生零频分量，对后续处理造成不利影响。为了消除这种影响，需要将正交的复数据进行坐标变换，转变成幅度和相位的表示形式。这样再进行平方运算时，保持幅度值不变，相位值变成原来的2 倍并经过相位解卷绕处理，最后再经过坐标反变换，得到经过平方运算的复数据。
坐标变换可采用计算器（CORDIC）运算IP 核实现，有利于节省硬件资源，提高运算效率。
幅度谱分析模块通过粗测频引导确定信号到来，对经过平方运算的零中频数据进行FFT处理，得到信号的幅度谱。进行谱分析时按照如下步骤：
① 提取过检测门限的谱峰点；
② 确定最大谱峰的位置；
③ 确定距离最大谱峰位置左右5 MHz 处是否存在与最大谱峰值相差不大的谱峰；
④ 检测2 个谱峰连线的中点位置是否是2 倍的有效信道载频频点。
经过以上步骤，完成了MSK 信号的识别。
3 试验结果
为了验证算法实现是否能正确截获并识别MSK 目标信号，使用泰克公司的任意信号发生器AWG7122B 模拟产生了目标信号环境，并使用硬件平台进行了接收测试，为了便于观察计算结果，使用Xilinx 公司的在线逻辑分析仪软件ChipScope 截取了FPGA 内部的运算数据和结果。
使用任意信号发生共设置了3 个信号，
信号1参数如下：
信号形式：脉冲；
信号时长： * s;
信号间隔： 13 s;
脉内调制：MSK;
码元速率： 5 MHz;
信号2 的参数如下：
信号形式：单频脉冲；
信号时长： 5 s;
信号间隔： 50 s;
信号3 的参数如下：
信号形式：脉冲；
信号时长： 8 s；
信号间隔： 300 s；
脉内调制：线性调频；
带宽： 1 MHz。
其中MSK 信号设置为脉冲间频率跳变，跳频点3 个，间隔30 MHz, 单频脉冲信号跳频点6 个，间隔10MHz, 线性调频信号载频固定。
在FPGA 中经过相应处理得到3 种信号的谱分析结果，应用ChipScope 软件可在线获得FPGA 内部数据，将数据导入MATLAB 处理后得到3 种信号的幅度谱图，如图4、图5 和图6 所示。