基于宽带接收机的2FSK 信号自动检测

程 辉，王 峰

（1.通信信息控制和安全技术重点实验室，浙江 嘉兴 314033；2.中国电子科技集团公司第36 研究所，浙江嘉兴 314033）

短波通信由于其特殊机理和独特优势，一直是中远程通信的重要手段[1]，广泛应用于交通、军事、外交等通信领域。移频键控（FSK）信号因其方法简单、易于实现、可以异步传输、抗噪声和抗衰落性能[2]较强等特点成为通信领域的重要手段之一，广泛应用于短波等中低速数据通信。2FSK 信号的检测方法一直是许多学者关注的焦点[3-7]，传统方法采用窄带接收机在指定的频率上对2FSK 信号进行控守，当信号出现时进行抄收。当需要检测识别的信号个数增加、信息量变大时,就需要大量的窄带接收机及人工参与。随着数字信号处理技术的迅速发展以及软件无线电技术[8]的成熟应用，基于射频直接采样软件无线电架构设计的短波宽带接收机应运而生。该架构的短波接收机可以避免复杂的模拟前端对接收设备性能指标的影响，同时也避免了采用窄带接收机所带来的设备量巨大等问题。该文阐述的2FSK 信号自动检测方法基于该宽带接收机进行设计，可实现短波全频段范围内2FSK 信号的实时自动检测，减少了人工参与，降低了设备成本，解决了信号检测非实时及漏检等问题。

1 硬件平台

目前使用的短波接收机大多是基于软件无线电理念[9-10]的中频采样架构[11-12]，该架构的接收系统需要配备多通道的分波段滤波器、变频器等模拟前端设备，系统性能受模拟器件影响较大，并且系统体积大、成本高。随着AD 器件性能的提高，射频直接采样技术越来越成熟，该方案提出了短波全带宽射频直接采样方法，该方法采用单通道ADC 对短波全频段进行射频直接采样，瞬时处理带宽为28.5 MHz，避免了采用多频段窄带拼接方式带来的跳频、宽带等跨多个频段的信号同步及拼接[13]问题。该接收方式不仅在硬件架构上有了明显的改善，取得了设备小型化的效果，同时降低了设备成本及功耗。图1 给出了基于射频直接采样的短波宽带接收机原理图。

图1 基于射频直接采样的短波宽带接收机原理图

由图1 可见，该接收机采用了一路ADC 器件进行采样，覆盖了短波信号的全频段。采样后的数据在FPGA 内进行数字信号处理，该片FPGA 具备短波全带宽范围内的信号检测能力。该方案设计时选用的ADC 位宽为16 bit，采样率为100 MHz，无杂散动态范围大于95 dBc。从前端放大模块到ADC 的全链路范围的噪声系数小于12 dB。数字信号处理单元采用Xilinx 公司的XC7K410T 芯片，在FPGA 内完成数字信号处理，实现信号下变频、抽取、滤波、信号自动检测等功能，最后，将检测结果和基带数据上报给CPU 控制处理单元。CPU 控制处理单元与数字处理单元之间采用TOE 总线进行数据传输，这样的设计既保证了设备的性能指标，又满足功能设计的需求，极大程度地降低了设备成本。

2 信号自动检测

基于短波宽带接收机的2FSK 信号接收处理主要分为两步：第一步是自动检测；第二步是信号存储和后处理。在短波信道中，通常会有多路信号同时出联在外，需要有相应的侦录能力。因此，该文阐述的短波宽带接收机在设计时，支持256 个2FSK 信号的自动检测及数据侦录。信号自动检测流程如图2所示。

图2 2FSK信号自动检测流程

由图2 可知，在对数字信号进行AD 采样后，应当对数字信号进行下变频和抽取滤波等预处理，以抑制有效带宽之外的所有信号，减少对信号检测的干扰。预处理后进行基于多相滤波的信道化，信道化后的数据同时送入两个DDR 缓存。DDR1 缓存用于将各个信道的数据进行重新排序，将每个信道的数据按照数据块的结构进行输出，该数据块作为自动检测模块的输入。DDR2 缓存用于延迟信道化数据，由于自动检测模块会带来处理的延时，为了保障后处理过程中信号起始时刻在时域上的完整性，将信道化之后的数据缓存在DDR2 中。当自动检测模块检测到有效的2FSK 信号后，会从DDR2 缓存中读取对应的2FSK 信号的信道化数据。然后对信道化数据进行二次变频及抽取滤波等后处理，最后将基带IQ 数据落盘，并将检测结果上报显控。

2.1 预处理

2FSK 信号的通信频率在1.5～30 MHz 之间，该频段信号种类繁多。当ADC 采用宽带采样时，复杂的电磁环境对信号处理的影响较大。因此，在采样后首先要对信号进行变频滤波[14]，滤波可以减少带外信号的影响。在滤波前，应增加DDC，将DDC 频率设置为15.75 MHz，可将短波频带的中间移至零频率，这样滤波器将需要较少的FPGA 资源和更好的性能。

2.2 数字信道化

宽带接收模块可以同时接收和处理多个信号，系统响应时延小，信号截获概率高。然而，由于信息数据量的指数增加、信道环境的复杂度提升以及信号间混叠等问题，使得宽带环境下的自动检测变得更加困难。因此，该方案在进行信号的自动检测前先进行信道化[15]，信道化后每个信道只有数十千赫兹的带宽，有利于窄带信号的检测，最后将每个信道的检测结果融合在一起，就实现了整个带宽范围内2FSK 信号的检测。

基于多相滤波的信道化技术的基本思想是采用一个原型低通滤波器组将宽带信号S(n)均匀分成若干个(D个)子频带信号输出。实信号的多相滤波信道化接收机结构模型如图3 所示。由图3 可知，信道化输出的D个信道化信号yk是正交的复时域信号，后接D个解调器或检测器就可实现对每路输出信号的实时解调或信号检测。

图3 信道化接收机结构模型（实信号）

如果是复信号，信道间隔为2π/D。滤波器组的低通实现也会有所不同，此处不作详解，见参考文献[1]。该文所阐述的方案中信道化通道数为1 024。为了解决相邻信道频率范围间信号质量恶化的问题，信道化模块采用重采样技术。

2.3 检测算法

利用时频域特性对信号自动检测进行了分析。通过特征提取和信号判决完成信道化后的自动检测[16]。短时傅里叶变换的频谱能够反映信号幅度随时间和频率的变化。为了降低信号检测的虚警率，同时利用信号的SNR、频率抖动、带宽和持续时间进行决策。

信道化后，可以假设每个信道是由窄带接收机处理的窄带信号。由于2FSK 信号的窄带宽，在同一信道中可能出现多个信号。将短时傅里叶变换（STFT）应用于信道化数据，得到信号的时域和频域特征。短时傅里叶变换是反映信号能量随时间和频率分布的时频分析方法。通过对信号加窗，得到时间窗中信号的傅里叶变换，当窗函数沿时间轴移动时，得到不同时刻信号的傅里叶变换谱。信号x(n)的短时傅里叶变换定义如下：

短时傅里叶变换Xn(ejω)是频率ω的连续函数，其幅值的平方通常被定义为STFT 的频谱，反映了STFT 的幅度随时间和频率而变化，因为STFT是双变量函数，所以它可以用被定义为信号的时间-频率矩阵的二维矩阵来描述。在时间频率矩阵中，水平方向表示时间变量m，垂直方向表示频率变量，表示幅度。通过分析2FSK 信号的时频特性判断2FSK 信号是否出现。2FSK 信号检测流程图如图4 所示。

图4 2FSK信号检测流程图

2FSK 信号时频图给出了信号的时频域特征。2FSK 信号包含两个谱峰，为了减少噪声引起的误判，首先判决谱峰的信噪比（SNR），信噪比应大于指定门限，文中根据经验值设置门限为7 dB，该门限也可以根据应用环境的不同由用户通过显控界面来设置。其次要判决信号的带宽，2FSK 信号的两个谱峰的间距等于调制频偏的两倍，若两个谱峰的间距与目标信号的频偏不一致，则可以剔除。频率抖动是由发射机与接收机之间的时钟同步引起的，因此需要避免由于接收信号频率的改变而引起的错误判断，这里增加了抖动范围的判决条件。短波频段短脉冲串信号较多，因此，增加信号检测的保持时间条件可以减少干扰信号的误判。文中将保持时间门限设置为3 s，该参数同样可以根据应用环境的不同由用户通过显控界面来设置。

2.4 后处理

由于信道化通道数为1 024，因此对每个信道都进行信号检测后，需要对检测结果进行融合，从而获取全频段范围内2FSK 信号的检测结果。然后，利用检测结果来提取DDR 缓存中对应的信道化数据。由于数据上传给CPU 处理板的总线容量的限制，需要把检测到的有效信号对应的信道化数据进行抽取后再上传。因此，信号检测后需要完成的后处理主要包括多信道检测结果的融合、信道化数据提取、DDC、抽取滤波及打包等操作，最后将目标信号的基带IQ 数据上传给CPU 控制处理单元。

3 检验结果

在实验室环境下，利用Matlab 对数据采集的2FSK 样本进行信号处理，使用信号源SMBV100A进行信号传输，将信号频率设定在1.5、3、10、20 和30 MHz。连续发送2FSK 信号5 s，再断开信号5 s，信噪比设置为10 dB，测试2FSK 信号的检测概率如表1所示。

表1 2FSK检测概率

在现场测试环境中，采用短波宽带接收机和当前使用的窄带接收机同时检测由同一天线接收的2FSK 信号。由于窄带接收机只能针对指定的窄带频段内的信号进行检测，因此，同时启动了三台窄带接收机，在窄带接收机上可检测的所有信号也可以在宽带接收机上检测。然而，由于有限的检测能力，在窄带接收机上检测到的信号数目明显小于宽带接收机的信号数目。图5 显示了宽带接收机检测到的2FSK 信号的时频图。黑色线条表示基于宽带接收机的识别结果，灰色线条表示两个接收机同时识别出的结果从图中可以看出，该文阐述的接收机可以减少漏警率，并且可以实现短波全频段范围内的信号识别。

图5 2FSK信号自动检测结果的频率时间分布图

4 结束语

该文提出了一种利用短波宽带接收机实现2FSK 信号自动检测的方案。文中阐述了2FSK 信号检测的具体过程以及验证该方法可行性的试验结果。短波宽带接收机采用射频直接采样技术，减少了复杂模拟前置设备对接收设备性能的影响，实现了模拟设备的小型化，具有全带宽、高灵敏度、大动态等特点。自动检测技术可以降低人力和时间成本，具有一定的应用推广价值。该方法也适用于其他类型短波信号的自动检测。