一种基于FPGA的初始信号处理系统及方法

技术领域

本发明涉及信息技术领域，具体为一种基于FPGA的初始信号处理系统及方法。

背景技术

随着社会的进步，电子对抗侦察技术在军事国防事业中占据越来越重要的地位，电子侦察主要是为了获取重要的军事情报，利用侦察设备在复杂的电磁环境中提取敌对方雷达信号的工作参数，对敌方雷达进行定位、识别、分析，明确敌方雷达的功能与用途，是电子对抗技术中的重要环节。电子侦察中需要对外界的雷达信号进行处理、分析，因此接收机的研发是电子侦察领域中的主要工作内容。与传统的接收机相比，数字接收机的优点更多，性能更强，随着通信行业的不断发展，数字接收机成为电子侦察领域中不可缺少的重要产品。

目前是集成电路飞速发展的时代，数字信号处理技术也在不断的更新，数字接收机在硬件搭载平台上也有更多的选择，比如FPGA，ASIC，DSP等。FPGA是一个集成度非常高的器件，它的基本结构是基于查找表，内部具有丰富的互联资源和存储资源，能够存储几十万个基本门电路，另外FPGA的设计周期和成本上也远低于使用DSP处理芯片和ASIC专用芯片。目前的FPGA芯片中加入数字信号处理、嵌入式处理、高速接口以及其他高端技术，以往某些只能在DSP中实现的运算现在在FPGA中也可以实现，因此FPGA以可重复编程性、内部逻辑资源丰富、价格低廉等优点在现代电子设计人员中广受喜爱。

目前，数字接收机系统中，由于会受到发射机运动、接收机运动等因素的影响，数字接收机接收的信号往往会的发生偏移，因此需要对频偏进行校正，但现有系统对频偏校正的过程过于繁琐且效率低下，以及现有的FPGA无法解决数据接收机中无法直接通过指数获取信号幅值的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于FPGA的初始信号处理系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于FPGA的初始信号处理方法，所述方法包括：

S10：根据雷达运动情况、接收机所在位置信息，以及接收机接收的载波信号频率变化情况，判断接收机接收的载波信号是否发生偏移；

S20：对接收机接收的载波信号进行校正处理；

S30：对接收机接收的载波信号的信号频率的理论值进行确定；

S40：对接收机接收的载波信号的信号幅值进行确定。

进一步的，所述S10包括：

S101：利用侦查设备对雷达在各时刻相较于接收机的运动速度和雷达在各时刻的位置信息进行采集，结合接收机所在位置信息，对雷达在各时刻相较于接收机的位置坐标进行获取，基于获取的位置坐标，利用距离计算公式对雷达在各时刻相较于接收机的距离信息进行计算；

S102：根据[(V

[(V

进一步的，所述S20对接收机接收的载波信号进行校正处理的具体方法为：

若S102中判断接收机接收的载波信号发生偏移，则根据S101中计算的距离信息，对接收机在各时刻接收的载波信号频率进行校正处理，校正处理的具体方法为：

Ⅰ.将接收机在各时刻接收的载波信号频率，以及雷达在各时刻相较于接收机的距离信息进行分割，得到训练集和测试集，训练集和测试集的分割比例为8：2，训练集和测试集的表现形式为(载波信号频率，距离值，时间值)，利用训练集建立预测模型，利用测试集对建立的预测模型进行训练，得到最佳预测模型，根据得到的最佳预测模型对载波信号频率与距离值之间的关系系数β进行确定；

Ⅱ.对接收机在各时刻接收的载波信号频率进行复原处理的具体公式为：

G

其中，b

′)＝-1，当b

进一步的，所述S30根据接收机接收的载波信号在t时刻产生的偏移量[(V

W

其中，W

进一步的，所述S40包括：

S401：将S30中确定的接收机在各时刻接收的载波信号的信号频率的理论值，在平面直角坐标系上进行表示，平面直角坐标系以时间t为横坐标，信号频率的理论值W

S402：对接收机接收的载波信号的信号幅值进行确定，具体的确定方法为：

Ⅰ.设初始向量(x

Ⅱ.将FPGA芯片设置在接收机中，FPGA芯片利用Cordic算法将平面直角坐标系中经角度旋转处理后得到的初始向量(x′

则(x′

FPGA是在PAL(可编程阵列逻辑)、GAL(通用阵列逻辑)等可编程器件的基础上进一步发展的产物，用Cordic算法即坐标旋转数字计算方法；

由于向量(x

x

y

将cos(θ

x

y

利用2

由于cosθ＝1/√(1+2

则改进后的旋转方程为：

x

y

z

Ⅲ.接收机接收的载波信号的信号幅值A＝x

一种基于FPGA的初始信号处理系统，所述系统包括载波信号偏移预测模块、载波信号校正处理模块、载波信号频率确定模块和信号幅值确定模块；

所述载波信号偏移预测模块用于根据雷达运动情况、接收机所在位置信息，以及接收机接收的载波信号频率变化情况，判断接收机接收的载波信号是否发生偏移，并将判断结果传输至载波信号校正处理模块；

所述载波信号校正处理模块用于根据载波信号偏移预测模块传输的判断结果，对接收机接收的载波信号进行校正处理，并将校正处理后的载波信号的信号频率传输至载波信号频率确定模块；

所述载波信号频率确定模块用于根据载波信号校正处理模块传输的校正处理后的载波信号的信号频率，对接收机接收的载波信号的信号频率的理论值进行确定，并将确定的理论值传输至信号幅值确定模块；

所述信号幅值确定模块用于根据载波信号频率确定模块传输的信号频率的理论值，对接收机接收的载波信号的信号幅值进行确定。

进一步的，所述载波信号偏移预测模块包括计算单元和载波信号偏移单元；

所述计算单元根据雷达在各时刻的位置信息，以及接收机所在位置信息，对雷达在各时刻相较于接收机的距离信息进行计算，并将计算的距离信息传输至载波信号偏移单元和载波信号校正处理模块；

所述载波信号偏移单元对计算单元传输的距离信息进行接收，根据[(V

进一步的，所述载波信号校正处理模块对载波信号偏移单元传输的判断结果进行接收，结合计算单元传输的距离信息，对接收机在各时刻接收的载波信号频率进行校正处理，并将校正处理后得到的载波信号频率传输至载波信号频率确定模块。

进一步的，所述载波信号频率确定模块对载波信号偏移单元传输的偏移量进行接收，结合载波信号校正处理模块传输的校正处理后得到的载波信号频率，对接收机在t时刻接收的载波信号的信号频率的理论值进行确定，并将确定的载波信号的信号频率的理论值传输至信号幅值确定模块。

进一步的，所述信号幅值确定模块包括分布显示单元、旋转处理单元、向量处理单元和信号幅值计算单元；

所述分布显示单元对载波信号频率确定模块传输的载波信号的信号频率的理论值进行接收，将接收信息在平面直角坐标系上进行表示，并将表示结果传输至旋转处理单元；

所述旋转处理单元对分布显示单元传输的表示结果进行接收，基于接收信息，对载波信号的初始向量进行确定，判断确定的初始向量所处象限，根据判断结果选择是否对初始向量进行旋转处理，若进行旋转处理，则将旋转处理后得到的初始向量传输至向量处理单元，若不进行旋转处理，则将确定的初始向量传输至向量处理单元；

所述向量处理单元对旋转处理单元传输的初始向量进行接收，结合Cordic算法，对改进后的旋转方程进行确定，并将确定的改进旋转方程传输至信号幅值计算单元；

所述信号幅值计算单元对向量处理单元传输的改进的旋转方程进行接收，基于接收信息对接收机接收的载波信号的信号幅值进行确定。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1.本发明通过雷达相较于接收机的运动速度和距离信息对接收机接收的信号的偏移量进行计算，基于计算结果，结合接收机工作温度和工作电压变化情况对接收机接收的信号进行校正处理，消除了由于发射机运动和接收机运动而导致接收机接收的信号发生偏移的影响，保证接收机接收的信号能够精确反映发射机的发射信号，进一步提高了系统对信号的处理效果。

2.本发明通过训练模型对载波信号频率与距离值之间的关系进行寻找，实现对接收机接收的信号频率进行统一化管理，降低了信号频率的处理复杂程度，进一步提高了系统的处理效率。

3.本发明通过在FPAG芯片中使用Cordic算法对接收机接收的信号幅值进行计算，避免了FPGA芯片因无法直接计算指数和开方运算对信号幅值求解的影响，同时由于FPGA芯片的可重复编程性、内部逻辑资源丰富，以及价格低廉等优点，进一步提高了系统对初始信号的处理效率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一种基于FPGA的初始信号处理系统及方法的工作流程示意图；

图2是本发明一种基于FPGA的初始信号处理系统及方法的工作原理结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，本发明提供技术方案：一种基于FPGA的初始信号处理方法，方法包括：

S10：根据雷达运动情况、接收机所在位置信息，以及接收机接收的载波信号频率变化情况，判断接收机接收的载波信号是否发生偏移；

S10包括：

S101：利用侦查设备对雷达在各时刻相较于接收机的运动速度和雷达在各时刻的位置信息进行采集，结合接收机所在位置信息，对雷达在各时刻相较于接收机的位置坐标进行获取，基于获取的位置坐标，利用距离计算公式对雷达在各时刻相较于接收机的距离信息进行计算；

S102：根据[(V

[(V

[(V

S20：对接收机接收的载波信号进行校正处理；

S20对接收机接收的载波信号进行校正处理的具体方法为：

若S102中判断接收机接收的载波信号发生偏移，则根据S101中计算的距离信息，对接收机在各时刻接收的载波信号频率进行校正处理，校正处理的具体方法为：

Ⅰ.将接收机在各时刻接收的载波信号频率，以及雷达在各时刻相较于接收机的距离信息进行分割，得到训练集和测试集，训练集和测试集的分割比例为8：2，训练集和测试集的表现形式为(载波信号频率，距离值，时间值)，利用训练集建立预测模型，利用测试集对建立的预测模型进行训练，得到最佳预测模型，根据得到的最佳预测模型对载波信号频率与距离值之间的关系系数β进行确定；

Ⅱ.对接收机在各时刻接收的载波信号频率进行复原处理的具体公式为：

G

其中，b

′)＝-1，当b

S30：对接收机接收的载波信号的信号频率的理论值进行确定；

S30根据接收机接收的载波信号在t时刻产生的偏移量[(V

W

其中，W

S40：对接收机接收的载波信号的信号幅值进行确定。

S40包括：

S401：将S30中确定的接收机在各时刻接收的载波信号的信号频率的理论值，在平面直角坐标系上进行表示，平面直角坐标系以时间t为横坐标，信号频率的理论值W

S402：对接收机接收的载波信号的信号幅值进行确定，具体的确定方法为：

Ⅰ.设初始向量(x

Ⅱ.将FPGA芯片设置在接收机中，FPGA芯片利用Cordic算法将平面直角坐标系中经角度旋转处理后得到的初始向量(x′

则(x′

FPGA是在PAL(可编程阵列逻辑)、GAL(通用阵列逻辑)等可编程器件的基础上进一步发展的产物，用Cordic算法即坐标旋转数字计算方法；

由于向量(x

x

y

将cos(θ

x

y

利用2

由于cosθ＝1/√(1+2

则改进后的旋转方程为：

x

y

z

Ⅲ.接收机接收的载波信号的信号幅值A＝x

一种基于FPGA的初始信号处理系统，系统包括载波信号偏移预测模块、载波信号校正处理模块、载波信号频率确定模块和信号幅值确定模块；

载波信号偏移预测模块用于根据雷达运动情况、接收机所在位置信息，以及接收机接收的载波信号频率变化情况，判断接收机接收的载波信号是否发生偏移，并将判断结果传输至载波信号校正处理模块；

载波信号偏移预测模块包括计算单元和载波信号偏移单元；

计算单元根据雷达在各时刻的位置信息，以及接收机所在位置信息，对雷达在各时刻相较于接收机的距离信息进行计算，并将计算的距离信息传输至载波信号偏移单元和载波信号校正处理模块；

载波信号偏移单元对计算单元传输的距离信息进行接收，根据[(V

载波信号校正处理模块用于根据载波信号偏移预测模块传输的判断结果，对接收机接收的载波信号进行校正处理，并将校正处理后的载波信号的信号频率传输至载波信号频率确定模块；

载波信号校正处理模块对载波信号偏移单元传输的判断结果进行接收，结合计算单元传输的距离信息，对接收机在各时刻接收的载波信号频率进行校正处理，并将校正处理后得到的载波信号频率传输至载波信号频率确定模块。

载波信号频率确定模块用于根据载波信号校正处理模块传输的校正处理后的载波信号的信号频率，对接收机接收的载波信号的信号频率的理论值进行确定，并将确定的理论值传输至信号幅值确定模块；

载波信号频率确定模块对载波信号偏移单元传输的偏移量进行接收，结合载波信号校正处理模块传输的校正处理后得到的载波信号频率，对接收机在t时刻接收的载波信号的信号频率的理论值进行确定，并将确定的载波信号的信号频率的理论值传输至信号幅值确定模块。

信号幅值确定模块用于根据载波信号频率确定模块传输的信号频率的理论值，对接收机接收的载波信号的信号幅值进行确定。

信号幅值确定模块包括分布显示单元、旋转处理单元、向量处理单元和信号幅值计算单元；

分布显示单元对载波信号频率确定模块传输的载波信号的信号频率的理论值进行接收，将接收信息在平面直角坐标系上进行表示，并将表示结果传输至旋转处理单元；

旋转处理单元对分布显示单元传输的表示结果进行接收，基于接收信息，对载波信号的初始向量进行确定，判断确定的初始向量所处象限，根据判断结果选择是否对初始向量进行旋转处理，若进行旋转处理，则将旋转处理后得到的初始向量传输至向量处理单元，若不进行旋转处理，则将确定的初始向量传输至向量处理单元；

向量处理单元对旋转处理单元传输的初始向量进行接收，结合Cordic算法，对改进后的旋转方程进行确定，并将确定的改进旋转方程传输至信号幅值计算单元；

信号幅值计算单元对向量处理单元传输的改进的旋转方程进行接收，基于接收信息对接收机接收的载波信号的信号幅值进行确定。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。