專利名稱：用于多波束快速角引導(dǎo)和角捕獲系統(tǒng)的多波束信號(hào)檢測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于基帶數(shù)字信號(hào)處理，特別涉及一種多波束信號(hào)檢測(cè)器，可用于測(cè)控通信系統(tǒng)中多波束快速角引導(dǎo)和角捕獲系統(tǒng)對(duì)OdB以下弱信號(hào)的檢測(cè)與捕獲。
背景技術(shù)：
測(cè)控通信系統(tǒng)是深空探測(cè)工程中一個(gè)重要的系統(tǒng)。測(cè)控通信系統(tǒng)所承擔(dān)的3個(gè)主要任務(wù)是將科學(xué)、遙測(cè)和工程數(shù)據(jù)傳回地面；實(shí)現(xiàn)地面對(duì)探測(cè)器的跟蹤、測(cè)量和定位；遙控探測(cè)器以完成科學(xué)探測(cè)。其中由于深空通信距離變遠(yuǎn)，信號(hào)損失巨大，信號(hào)傳輸時(shí)延長(zhǎng)導(dǎo)致信號(hào)衰弱極大，接收信號(hào)的信噪比極低，這就需要解決弱信號(hào)捕獲與跟蹤的問(wèn)題。解決測(cè)控通信系統(tǒng)中弱信號(hào)捕獲與跟蹤的問(wèn)題，通過(guò)改善通信質(zhì)量來(lái)提高信噪比。針對(duì)超遠(yuǎn)距離、超長(zhǎng)時(shí)延和非對(duì)稱通信的特點(diǎn)，國(guó)際上改善通信質(zhì)量采用的主要方法有利用Turbo碼和低密度校驗(yàn)碼LDPC先進(jìn)的編譯碼技術(shù)、增加地面站大口徑天線技術(shù)、提高載波頻率到Ka波段、信源壓縮技術(shù)、波導(dǎo)波束天線技術(shù)及低噪聲接收技術(shù)、天線組陣技術(shù)、軟件無(wú)線電技術(shù)、高功率器件技術(shù)等措施。其中天線組陣技術(shù)中的相控陣天線組陣是近幾年來(lái)雷達(dá)體制的一個(gè)重要的新發(fā)展，它打破了常規(guī)雷達(dá)固定波束駐留時(shí)間、固定掃描方式、固定發(fā)射功率和固定數(shù)據(jù)的限制，具有靈活的多波束指向和駐留時(shí)間、可控的空間功率分配及時(shí)間資源分配等特點(diǎn)。雖然相控陣天線組陣對(duì)提高信號(hào)接收質(zhì)量有很大的作用，考慮到實(shí)際設(shè)計(jì)成本等原因的影響，實(shí)際中使用與相控陣天線功能相近的多波束天線組陣。多波束天線組陣與通常相控陣天線具有單獨(dú)的輸出端不同，多波束天線具有多個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)一個(gè)波束，波束的峰值位于空間不同的角度。因此，多波束天線能夠同時(shí)發(fā)射和/或接收多個(gè)獨(dú)立波束。為了提高對(duì)更遠(yuǎn)距離弱信號(hào)的接收能力，支持高數(shù)據(jù)率科學(xué)測(cè)量與跟蹤，多波束天線組陣是一種可行的方案。傳統(tǒng)的多波束信號(hào)檢測(cè)技術(shù)通過(guò)抑制雜波、抗干擾和降低系統(tǒng)噪聲來(lái)提高檢測(cè)性能，且只利用單幀數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，而為了滿足一定的檢測(cè)概率和虛警概率需要較高的信噪比，因此無(wú)法檢測(cè)較低信噪比的信號(hào)。對(duì)于多波束弱信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題，即使進(jìn)行了有效的雜波抑制，由于其信噪比較低，仍然無(wú)法得到可靠的檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于對(duì)多波束快速角引導(dǎo)和角捕獲系統(tǒng)的多波束信號(hào)檢測(cè)器及其檢測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)OdB以下低信噪比信號(hào)的可靠檢測(cè)。檢測(cè)器，包括二塊相同的信號(hào)處理板卡，分別完成方位和俯仰各15個(gè)波束的檢測(cè)功能，每塊板卡包括數(shù)據(jù)采集模塊，由15片相同的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC芯片構(gòu)成，用于對(duì)方位或俯仰方向的15個(gè)波束的中頻模擬信號(hào)進(jìn)行中頻數(shù)字采樣；信號(hào)積累模塊，由I片現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA芯片構(gòu)成，用于對(duì)方位或俯仰方向的15個(gè)波束的低信噪比信號(hào)進(jìn)行積累；信號(hào)捕獲模塊，與信號(hào)積累模塊在同一片F(xiàn)PGA芯片中實(shí)現(xiàn),用于對(duì)方位或俯仰方向的15個(gè)波束的低信噪比信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；串行通信模塊，由2片RS-232實(shí)現(xiàn)，用于將方位或俯仰方向檢測(cè)結(jié)果送給伺服分系統(tǒng)完成快速角弓I導(dǎo)和角捕犾。所述的信號(hào)積累模塊，包括1X15個(gè)基二的FFT IP核，用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行相干積累；2X 15個(gè)32位的乘法器和IX 15個(gè)32位的加法器，用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行非相干積累。所述的信號(hào)捕獲模塊，包括自適應(yīng)噪聲門(mén)限獲取單元，用于實(shí)時(shí)的獲取15個(gè)波束內(nèi)噪聲大小的門(mén)限值；波束間判別單元,用于對(duì)15個(gè)波束間的信號(hào)大小進(jìn)行判別；控制單元，用于控制信號(hào)積累模塊、先進(jìn)先出數(shù)據(jù)緩存器FIFO單元、累加單元、自適應(yīng)噪聲門(mén)限獲取單元、波束間判別單元以及串行通信模塊的工作過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的多波束信號(hào)檢測(cè)方法，包括如下步驟(I)通過(guò)15個(gè)ADC芯片采樣得到的15路中頻數(shù)字實(shí)信號(hào)；(2)在FPGA中，對(duì)15路中頻數(shù)字實(shí)信號(hào)均采用如下步驟進(jìn)行信號(hào)積累；2a)對(duì)中頻數(shù)字實(shí)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變化FFT，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相干積累，并輸出 FFT IP核輸出端的狀態(tài)指示信號(hào)；2b)將信號(hào)相干積累后的實(shí)虛部，分別取模求平方再相加，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的非相干積累；(3)對(duì)15路信號(hào)積累值均采用如下步驟進(jìn)行預(yù)捕獲3a)將信號(hào)非相干積累后的值，寫(xiě)入先進(jìn)先出數(shù)據(jù)緩存器FIF01、FIF02以及 FIF03 ；3b)從FIF01、FIF02和FIF03中讀出數(shù)據(jù)，并對(duì)該數(shù)據(jù)中在最低位進(jìn)行位與運(yùn)算， 其余高位進(jìn)行位或運(yùn)算；3c)判斷步驟3b)得到的值是否為正數(shù)，若是，則直接輸出步驟3b)得到的值，否則，對(duì)步驟3b)得到的值取反后輸出；3d)將非相干積累后的值與步驟3c)得到的值進(jìn)行累加，并寫(xiě)入/讀出FIF02和 FIF03，重復(fù)步驟3b)-3d) N個(gè)時(shí)鐘周期，N取7000 8000 ；3e)將步驟3d)得到的累加值S與實(shí)時(shí)產(chǎn)生的自適應(yīng)噪聲門(mén)限值B的大小進(jìn)行比較，若S > B，則輸出S，否則，輸出為零，即此輸出結(jié)果為信號(hào)的預(yù)捕獲值D，并輸出狀態(tài)使能
信號(hào);(4)獲取捕獲的最終結(jié)果4a)對(duì)步驟3e)得到的15個(gè)信號(hào)預(yù)捕獲值設(shè)置15個(gè)不同的波束號(hào)；4b)比較步驟3e)得到的15個(gè)信號(hào)預(yù)捕獲值的大小，獲得最大值及對(duì)應(yīng)的波束號(hào)， 該最大值及對(duì)應(yīng)的波束號(hào)即為捕獲的最終結(jié)果；(5)串行發(fā)送捕獲的最終結(jié)果5a)利用鎖相環(huán)和分頻器，得到串行發(fā)送的波特率；5b)對(duì)步驟4b)得到的最終捕獲結(jié)果進(jìn)行截位；
5c)將截位后的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)；5d)通過(guò)RS-232將串行數(shù)據(jù)按照步驟5a)所得的波特率發(fā)送給伺服分系統(tǒng)；(6)重復(fù)步驟(1)_(5)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)的連續(xù)檢測(cè)，從而協(xié)助全系統(tǒng)完成目標(biāo)跟足示O本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)①本發(fā)明在多波束信號(hào)積累中，采用相干積累和非相干積累結(jié)合的方法，使低信噪比信號(hào)經(jīng)過(guò)積累處理后信噪比明顯改善，可以檢測(cè)出OdB的弱信號(hào)，順利完成捕獲功能。②本發(fā)明在信號(hào)積累后采用噪聲門(mén)限處理，并且實(shí)時(shí)的獲取噪聲門(mén)限值，最后在波束間判別得到最終捕獲結(jié)果，使得信噪比進(jìn)一步提升，從而可以達(dá)到OdB弱信號(hào)的100% 檢測(cè)。③本發(fā)明采用V5系統(tǒng)的FPGA、在信號(hào)積累部分采用高速處理FFT IP核和高速乘法器、在信號(hào)捕獲部分采用流水線式的處理方法、在串行發(fā)送模塊同時(shí)采用2個(gè)RS-232串口并按115200的波特率發(fā)送數(shù)據(jù)，使得整個(gè)檢測(cè)時(shí)間縮短，從而可以在2ms內(nèi)完成成功的引導(dǎo)功能。


圖I是本發(fā)明多波束信號(hào)檢測(cè)器的總體結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明多波束信號(hào)檢測(cè)器的單通道數(shù)據(jù)采集模塊和信號(hào)積累模塊框圖；圖3是本發(fā)明多波束信號(hào)檢測(cè)器進(jìn)行信號(hào)捕獲和串行通信的框圖；圖4是本發(fā)明多波束信號(hào)檢測(cè)器進(jìn)行信號(hào)捕獲中的控制單元引腳連接圖；圖5是本發(fā)明多波束信號(hào)檢測(cè)方法的總流程圖；圖6是本發(fā)明檢測(cè)方法中獲取自適應(yīng)噪聲門(mén)限值時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；圖7是本發(fā)明檢測(cè)方法對(duì)波束I在OdB信號(hào)時(shí)的檢測(cè)仿真結(jié)果；圖8是本發(fā)明檢測(cè)方法對(duì)波束16在OdB信號(hào)時(shí)的檢測(cè)仿真結(jié)果。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，本發(fā)明的多波束信號(hào)檢測(cè)器由兩塊相同的信號(hào)處理板卡組成，分別完成方位和俯仰各15個(gè)波束的檢測(cè)功能，每塊板卡上包括數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)積累模塊、信號(hào)捕獲模塊和串行通信模塊，其中數(shù)據(jù)采集模塊，由15片數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片LTC2248組成，用于將接收到的15個(gè)波束的模擬中頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?5個(gè)通道的中頻數(shù)字實(shí)信號(hào)送給FPGA ；信號(hào)積累模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括一個(gè)FFT IP核、2個(gè)32位的乘法器和 32位的加法器；15個(gè)波束通道的信號(hào)積累模塊結(jié)構(gòu)相同，這些信號(hào)積累模塊在I片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)；信號(hào)捕獲模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，它包括控制單元、先進(jìn)先出緩存器FIFO單元、 累加單元、系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位單元、自適應(yīng)噪聲門(mén)限獲取單元、噪聲門(mén)限判別單元和波束間判別單元。其中FIFO單元是先進(jìn)先出緩存器，主要作用是緩存信號(hào)積累單元和控制單元的中間處理數(shù)據(jù)；累加單元的是對(duì)不同時(shí)鐘周期內(nèi)的信號(hào)積累值進(jìn)行累加相當(dāng)于用時(shí)間來(lái)?yè)Q取信噪比的提升；自適應(yīng)噪聲門(mén)限獲取單元用于實(shí)時(shí)的獲取信號(hào)傳輸空間的噪聲，進(jìn)而在噪聲門(mén)限判別單元可以容易的設(shè)置門(mén)限來(lái)擬制噪聲；波束間判別單元是對(duì)方位/俯仰上的15個(gè)波束一起處理最終得出信號(hào)所在位置和信號(hào)大小值，從而完引導(dǎo)功能；控制單元起主要作用，該控制單元分別與所述的其它各單元連接，其連接關(guān)系如圖4所示控制單元有7個(gè)輸入端，其中，輸入端CLK連接70MHz的時(shí)鐘，輸入端RST連接系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位單元，輸入端DV 連接信號(hào)積累模塊的FFT IP核，輸入端TEMP_XKn連接信號(hào)積累模塊的加法器，輸入端BI 連接自適應(yīng)噪聲門(mén)限獲取單元，輸入端EMPTY連接FIFO單元的空狀態(tài)標(biāo)志輸出端，輸入端 FDATA連接FIFO單元的滿狀態(tài)標(biāo)志輸出端；控制單元有6個(gè)輸出端，其中，輸出端WRENn連接FIFO單元的寫(xiě)使能輸入端，輸出端RDENn連接FIFO單元的讀使能輸入端，輸出端CHEARn 連接FIFO單元的清零使能輸入端，輸出端ADDEN連接累加單元的有效使能輸入端，輸出端 OUTEN和XK_DATAn均連接串行通信模塊；控制單元的輸入輸出端XDATA連接累加單元的數(shù)據(jù)信號(hào)；波束間判別單元與門(mén)限判別單元直接連接。15個(gè)波束通道的信號(hào)捕獲模塊結(jié)構(gòu)相同，這些信號(hào)捕獲模塊與信號(hào)積累模塊在同一片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)；串行通信模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，它包括截位處理單元、并-串轉(zhuǎn)換單元和 RS-232串口。截位處理單元的輸入使能信號(hào)端連接信號(hào)捕獲模塊中控制單元輸出端 0UTEN，截位處理單元的輸入數(shù)據(jù)端連接信號(hào)捕獲模塊中控制單元輸出端XK_DATAn，并-串轉(zhuǎn)換單元連接截位處理單元的輸出端，RS-232串口連接并-串轉(zhuǎn)換單元。截位處理單元的作用是將信號(hào)捕獲模塊的波束間判別單元出來(lái)的32位數(shù)據(jù)截位后得到8位并行數(shù)據(jù)， 并-串轉(zhuǎn)換單元的作用是將8位的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，將這些串行數(shù)據(jù)通過(guò)串口 RS-232發(fā)送給伺服分系統(tǒng)；其中，截位處理單元和并-串轉(zhuǎn)換單元與信號(hào)積累模塊在同一片F(xiàn)PGA中完成，F(xiàn)PGA通過(guò)RS-232串口與伺服分系統(tǒng)連接。參照?qǐng)D5，本發(fā)明的多波束信號(hào)檢測(cè)方法，具體步驟如下步驟I.通過(guò)15個(gè)采樣頻率為40MHz的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器ADC芯片采樣，得到15路中頻數(shù)字實(shí)信號(hào)，其中每一路的采樣得到的數(shù)據(jù)為14位的2進(jìn)制碼。步驟2.在FPGA中，對(duì)15路中頻數(shù)字實(shí)信號(hào)均采用如下步驟進(jìn)行信號(hào)積累(2. I)對(duì)14位的中頻數(shù)字實(shí)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變化FFT，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相干積累， 并輸出FFT IP核輸出端的狀態(tài)指示信號(hào)，其中，F(xiàn)FT運(yùn)算是調(diào)用IP核實(shí)現(xiàn)，IP核的參數(shù)設(shè)置為14位實(shí)部輸入為采樣得到的中頻數(shù)字實(shí)信號(hào)，14位虛部輸入設(shè)為零，采用基2、Burst 1/0結(jié)構(gòu)的FFT算法，對(duì)FFT計(jì)算過(guò)程進(jìn)行中間數(shù)據(jù)的縮減；(2. 2)將信號(hào)相干積累后的實(shí)虛部，分別取模求平方再相加，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的非相干積累，其中對(duì)相干積累后的實(shí)虛部取模運(yùn)算是通過(guò)判斷數(shù)據(jù)是否為正數(shù)，如果是，則該數(shù)據(jù)不變，否則，對(duì)該數(shù)據(jù)取反；求平方直接采用2個(gè)32位的乘法器；相加運(yùn)算直接采用I個(gè)32位加法器；通過(guò)FPGA內(nèi)部設(shè)置計(jì)數(shù)器可以得到，信號(hào)積累所需時(shí)間為6311個(gè)40MHz時(shí)鐘周期，即為200微秒。步驟3.對(duì)信號(hào)積累值進(jìn)行捕獲(3. I)對(duì)15路信號(hào)積累值均采用如下步驟進(jìn)行預(yù)捕獲3. Ia)當(dāng)FFT IP核的輸出端狀態(tài)指示信號(hào)、系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位信號(hào)以及先進(jìn)先出緩存器FIFO單元的寫(xiě)使能信號(hào)為高電平I時(shí)，將信號(hào)積累值寫(xiě)入到先進(jìn)先出緩存器FIF01、 FIF02以及FIF03 ;其中，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位信號(hào)是來(lái)自于系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位單元的外部信號(hào)，但是其自動(dòng)復(fù)位的條件則與本發(fā)明的檢測(cè)器有關(guān)，當(dāng)本發(fā)明檢測(cè)器工作在正確狀態(tài)時(shí)，該復(fù)位信號(hào)保持高電平I不變，否則，變?yōu)榈碗娖絆 ;FIF0單元的寫(xiě)使能信號(hào)是通過(guò)控制單元里的一個(gè)計(jì)數(shù)器I得到，當(dāng)計(jì)數(shù)值NI < 3000時(shí)，該FIFO的寫(xiě)使能信號(hào)為高電平1，否則，變?yōu)榈碗娖絆，并對(duì)計(jì)數(shù)器清零；3.1b)當(dāng)FIFO的讀使能信號(hào)為高電平I時(shí)，從FIF01、FIF02和FIF03中讀出數(shù)據(jù)，并對(duì)該數(shù)據(jù)在最低位進(jìn)行位與運(yùn)算，其余高位進(jìn)行位或運(yùn)算；其中，F(xiàn)IFO的讀使能信號(hào)是由控制單元的計(jì)數(shù)器2得到，當(dāng)計(jì)數(shù)值N2 < 3000時(shí)，該FIFO的讀使能信號(hào)為高電平1， 否則，變?yōu)榈碗娖?，并對(duì)計(jì)數(shù)器清零，3. Ic)判斷步驟3. Ib)得到的值是否為正數(shù)，若是，則直接輸出步驟3. Ib)得到的值，否則，對(duì)步驟3. Ib)得到的值取反后輸出；3. Id)當(dāng)累加單元的使能信號(hào)為高電平I時(shí)，將信號(hào)積累值與步驟3. Ic)得到的值進(jìn)行累加，并在FIFO單元的寫(xiě)使能信號(hào)有效時(shí)將其寫(xiě)入到FIF02和FIF03，重復(fù)步驟 3. lb)-3. Id)共計(jì)N個(gè)時(shí)鐘周期，N取7000 8000，這里，累加單元的使能信號(hào)是通過(guò)的控制單元的計(jì)算器3得到，當(dāng)計(jì)數(shù)值N3 < 3000時(shí)，該累加單元的使能信號(hào)為高電平1，否則， 變?yōu)榈碗娖?，并對(duì)計(jì)數(shù)器清零；3. Ie)將步驟3. Id)得到的累加值S與實(shí)時(shí)產(chǎn)生的自適應(yīng)噪聲門(mén)限值B的大小進(jìn)行比較，若S > B，則輸出S，否則，輸出為零，此輸出結(jié)果即為預(yù)捕獲的信號(hào)值D，并輸出狀態(tài)使能信號(hào)，其中，所述的實(shí)時(shí)產(chǎn)生的自適應(yīng)噪聲門(mén)限值，參照附圖6描述如下首先，在信號(hào)源開(kāi)啟前幾秒，先連通多波束弱信號(hào)檢測(cè)器；接著，設(shè)計(jì)一個(gè)有5個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)的自動(dòng)復(fù)位信號(hào)RST = O時(shí)，在空閑狀態(tài)IDLE等待，否則，在時(shí)鐘上升沿到來(lái)后，跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)SI ；接著，在狀態(tài)SI中，給B賦初值0，當(dāng)步驟3. Ie)得到的輸出狀態(tài)使能信號(hào)為低電平O時(shí)，繼續(xù)在狀態(tài)SI等待，否則，在時(shí)鐘上升沿到來(lái)后，跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S2 ；接著，在狀態(tài)S2中，比較步驟3. Ie)得到的信號(hào)的預(yù)捕獲值D與B的大小，若D > B，則B = D，否則B不變，在時(shí)鐘上升沿到來(lái)后，直接從狀態(tài)S2跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S3 ；接著，在狀態(tài)S3中，設(shè)置一個(gè)加法計(jì)數(shù)器N4，在時(shí)鐘上升沿到來(lái)后，N4 = N4+1，當(dāng) N4 < 2000時(shí)，跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)S2，否則，跳轉(zhuǎn)到輸出狀態(tài)OUT ；然后，在輸出狀態(tài)OUT中，輸出B的值，且把輸出狀態(tài)設(shè)為死循環(huán)；最后，如果系統(tǒng)不復(fù)位，則該自適應(yīng)噪聲門(mén)限值B不變，否則，重新得到B ；(3. 2)采用波束間判別方法，獲取捕獲最終結(jié)果3. 2a)對(duì)步驟3. Ie)得到的信號(hào)預(yù)捕獲值設(shè)置15個(gè)不同的波束號(hào)OOOlb-Illlb ；3. 2b)比較步驟3. Ie)得到的15個(gè)信號(hào)預(yù)捕獲值的大小，獲得最大值及對(duì)應(yīng)的波束號(hào)，該最大值即為最終捕獲結(jié)果的信號(hào)幅度大小，該對(duì)應(yīng)的波束號(hào)即為最終捕獲結(jié)果的方位/俯仰所在位置信息；通過(guò)各計(jì)數(shù)器可以得到，信號(hào)捕獲模塊所需時(shí)間為10000X3個(gè) 40MHz時(shí)鐘周期，即為800微秒。步驟4.串行發(fā)送最終捕獲結(jié)果的信號(hào)幅度大小(4. I)利用鎖相環(huán)和分頻器，得到串行發(fā)送的波特率為115200 ；(4. 2)對(duì)最終捕獲結(jié)果的信號(hào)幅度大小進(jìn)行截位得到8位的并行數(shù)據(jù)，其中，截位得到的8位數(shù)據(jù)是保留信號(hào)幅度大小值的I位符號(hào)位和7位數(shù)據(jù)大小位；(4. 3)將截位后的8位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)；(4. 4)通過(guò)2個(gè)RS-232串口將串行數(shù)據(jù)按照步驟(4. I)所得的波特率發(fā)送給伺服分系統(tǒng)；2個(gè)RS-232串口輸出包括16個(gè)字節(jié)，其中，15個(gè)字節(jié)是15個(gè)波束所對(duì)應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)值，另外I個(gè)字節(jié)是若將整個(gè)計(jì)算時(shí)間值，每個(gè)RS-232串口輸出還需要起始位和終止位各一位,若將整個(gè)計(jì)算時(shí)間也通過(guò)RS-232串口送出又多增了 12bit，即(10X8+12)/115200 =798. 61 微秒。步驟5.重復(fù)步驟I-步驟4，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)的連續(xù)檢測(cè)，從而協(xié)助全系統(tǒng)完成目標(biāo)跟蹤；將以上步驟所需時(shí)間相加，可得本發(fā)明檢測(cè)方法可以在2ms內(nèi)完成成功的引導(dǎo)捕
-M-犾。本發(fā)明的檢測(cè)性能可通過(guò)以下仿真分析進(jìn)一步說(shuō)明I)仿真條件信噪比為OdB時(shí)，將多波束天線轉(zhuǎn)到俯仰上的波束I對(duì)準(zhǔn)信號(hào)源，通過(guò)FPGA在線調(diào)試儀得到最終信號(hào)捕獲結(jié)果的幅度值I ;將多波束天線轉(zhuǎn)到俯仰上的波束16 對(duì)準(zhǔn)信號(hào)源，通過(guò)FPGA在線調(diào)試儀器得到最終信號(hào)捕獲結(jié)果的幅度值2。2)仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)信號(hào)采樣的信標(biāo)為頻率是70MHz正弦波信號(hào)，ADC采樣率為 40MHz ο3)仿真內(nèi)容仿真I，將最終信號(hào)捕獲結(jié)果的幅度值I從線調(diào)試儀中倒出來(lái)，倒入到MATLAB中仿真，結(jié)果如圖7。仿真2，將最終信號(hào)捕獲結(jié)果的幅度值2從線調(diào)試儀中倒出來(lái)，倒入到MATLAB中仿真，結(jié)果如圖8。4)仿真結(jié)果從圖7可以看出，當(dāng)多波束天線對(duì)準(zhǔn)俯仰上的波束I時(shí)，本發(fā)明的檢測(cè)方法可以檢測(cè)到OdB信號(hào)。從圖8可以看出，當(dāng)多波束天線對(duì)準(zhǔn)方位上的波束16時(shí)，本發(fā)明的檢測(cè)方法可以檢測(cè)到OdB信號(hào)；將多波束天線轉(zhuǎn)動(dòng)100次，記錄每一次的檢測(cè)結(jié)果，可以得出，本發(fā)明的檢測(cè)方法可以達(dá)到100%的檢測(cè)概率。
權(quán)利要求
1.一種用于多波束快速角引導(dǎo)和角捕獲系統(tǒng)的多波束信號(hào)檢測(cè)器，其特征在于包括二塊相同的信號(hào)處理板卡，分別完成方位和俯仰各15個(gè)波束的檢測(cè)功能，每塊板卡包括數(shù)據(jù)采集模塊，由15片相同的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC芯片構(gòu)成，用于對(duì)方位或俯仰方向的15個(gè)波束的中頻模擬信號(hào)進(jìn)行中頻數(shù)字采樣；信號(hào)積累模塊，由I片現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA芯片構(gòu)成，用于對(duì)方位或俯仰方向的 15個(gè)波束的低信噪比信號(hào)進(jìn)行積累；信號(hào)捕獲模塊，與信號(hào)積累模塊在同一片F(xiàn)PGA芯片中實(shí)現(xiàn)，用于對(duì)方位或俯仰方向的 15個(gè)波束的低信噪比信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；串行通信模塊，由2片RS-232實(shí)現(xiàn)，用于將方位或俯仰方向檢測(cè)結(jié)果送給伺服分系統(tǒng)完成快速角引導(dǎo)和角捕獲。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多波束信號(hào)檢測(cè)器，其中信號(hào)積累模塊，包括I X 15個(gè)基二的FFT IP核，用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行相干積累；2X 15個(gè)32位的乘法器和IX 15個(gè)32位的加法器,用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行非相干積累。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多波束信號(hào)檢測(cè)器，其中信號(hào)捕獲模塊，包括自適應(yīng)噪聲門(mén)限獲取單元，用于實(shí)時(shí)的獲取15個(gè)波束內(nèi)噪聲大小的門(mén)限值；波束間判別單元，用于對(duì)15個(gè)波束間的信號(hào)大小進(jìn)行判別；控制單元，用于控制信號(hào)積累模塊、先進(jìn)先出數(shù)據(jù)緩存器FIFO單元、累加單元、自適應(yīng)噪聲門(mén)限獲取單元、波束間判別單元以及串行通信模塊的工作過(guò)程。
4.一種用于多波束快速角引導(dǎo)和角捕獲系統(tǒng)的多波束信號(hào)檢測(cè)方法，包括如下步驟(1)通過(guò)15個(gè)ADC芯片采樣得到的15路中頻數(shù)字實(shí)信號(hào)；(2)在FPGA中，對(duì)15路中頻數(shù)字實(shí)信號(hào)均采用如下步驟進(jìn)行信號(hào)積累；2a)對(duì)中頻數(shù)字實(shí)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變化FFT，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相干積累，并輸出FFT IP 核輸出端的狀態(tài)指示信號(hào)；2b)將信號(hào)相干積累后的實(shí)虛部，分別取模求平方再相加，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的非相干積累；(3)對(duì)15路信號(hào)積累值均采用如下步驟進(jìn)行預(yù)捕獲3a)將信號(hào)非相干積累后的值，寫(xiě)入FIF01、FIF02以及FIF03 ；3b)從FIF01、FIF02和FIF03中讀出數(shù)據(jù)，并對(duì)該數(shù)據(jù)中在最低位進(jìn)行位與運(yùn)算，其余高位進(jìn)行位或運(yùn)算；3c)判斷步驟3b)得到的值是否為正數(shù)，若是，則直接輸出步驟3b)得到的值，否則，對(duì)步驟3b)得到的值取反后輸出；3d)將非相干積累后的值與步驟3c)得到的值進(jìn)行累加，并寫(xiě)入/讀出FIF02和FIF03， 重復(fù)步驟3b) -3d) N個(gè)時(shí)鐘周期，N取7000 8000 ；3e)將步驟3d)得到的累加值S與實(shí)時(shí)產(chǎn)生的自適應(yīng)噪聲門(mén)限值B的大小進(jìn)行比較， SS > B，則輸出S，否則，輸出為零，即此輸出結(jié)果為信號(hào)的預(yù)捕獲值D，并輸出狀態(tài)使能信號(hào);(4)獲取捕獲的最終結(jié)果4a)對(duì)步驟3e)得到的15個(gè)信號(hào)預(yù)捕獲值設(shè)置15個(gè)不同的波束號(hào)；4b)比較步驟3e)得到的15個(gè)信號(hào)預(yù)捕獲值的大小，獲得最大值及對(duì)應(yīng)的波束號(hào)，該最大值及對(duì)應(yīng)的波束號(hào)即為捕獲的最終結(jié)果；(5)串行發(fā)送捕獲的最終結(jié)果5a)利用鎖相環(huán)和分頻器，得到串行發(fā)送的波特率；5b)對(duì)步驟4b)得到的最終捕獲結(jié)果進(jìn)行截位；5c)將截位后的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)；5d)通過(guò)RS-232將串行數(shù)據(jù)按照步驟5a)所得的波特率發(fā)送給伺服分系統(tǒng)；(6)重復(fù)步驟(1)_(5)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)的連續(xù)檢測(cè)，從而協(xié)助全系統(tǒng)完成目標(biāo)跟蹤。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述多波束信號(hào)檢測(cè)方法，其中步驟3e)所述的實(shí)時(shí)產(chǎn)生的自適應(yīng)噪聲門(mén)限值B，是按如下步驟產(chǎn)生3el)在信號(hào)源開(kāi)啟前幾秒，先連通多波束弱信號(hào)檢測(cè)器；3e2)輸入噪聲到自適應(yīng)噪聲門(mén)限獲取單元，設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)噪聲門(mén)限值 B的獲取，當(dāng)系統(tǒng)的自動(dòng)復(fù)位信號(hào)為低電平O時(shí)，在空閑狀態(tài)IDLE等待，否則，在時(shí)鐘上升沿到來(lái)后，跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)一；3e3)在狀態(tài)一中，給B賦初值0，當(dāng)步驟3e)得到的輸出狀態(tài)使能信號(hào)為低電平O時(shí)， 繼續(xù)在狀態(tài)一等待，否則，在時(shí)鐘上升沿到來(lái)后，跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)二 ；3e4)在狀態(tài)二中，比較步驟3e)得到的信號(hào)的預(yù)捕獲值D與B的大小，若D > B，則B =D，否則B不變，在時(shí)鐘上升沿到來(lái)后，直接從狀態(tài)二跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)三；3e5)在狀態(tài)三中，設(shè)置一個(gè)加法計(jì)數(shù)器，在時(shí)鐘上升沿到來(lái)后，對(duì)加法計(jì)數(shù)器的值 Count加1，當(dāng)Count < 2000時(shí)，跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)二，否則，跳轉(zhuǎn)到輸出狀態(tài)；3e6)在輸出狀態(tài)中，輸出B的值，且把輸出狀態(tài)設(shè)為死循環(huán)；3e7)如果系統(tǒng)不復(fù)位，則該自適應(yīng)噪聲門(mén)限值B不變，否則，重新得到B。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于多波束快速角引導(dǎo)和角捕獲系統(tǒng)的多波束信號(hào)檢測(cè)器，主要解決現(xiàn)有多波束信號(hào)檢測(cè)器無(wú)法檢測(cè)低信噪比信號(hào)的問(wèn)題。該多波束信號(hào)檢測(cè)器包括兩塊信號(hào)處理板卡，其中每塊板卡上有數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)積累模塊、信號(hào)捕獲模塊和串行通信模塊，其中數(shù)據(jù)采集模塊包括15路模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，用于15個(gè)波束的中頻模擬信號(hào)采樣；信號(hào)積累模塊和信號(hào)捕獲模塊是在同一片F(xiàn)PGA芯片中完成的，用于完成15個(gè)波束低信噪比信號(hào)的積累和方位/俯仰各15個(gè)波束的信號(hào)捕獲；串行通信模塊由2片RS-232芯片實(shí)現(xiàn)，用于將捕獲結(jié)果發(fā)送到伺服分系統(tǒng)。本發(fā)明能對(duì)信噪比在0dB以下的多波束弱信號(hào)進(jìn)行100％檢測(cè)，并能在2ms內(nèi)成功的引導(dǎo)跟蹤。
文檔編號(hào)H04B17/00GK102594416SQ20121000791
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月3日
發(fā)明者劉凱, 周游, 宮延云, 廖桂生, 曹紅鳳, 曾操, 朱圣旗, 李真芳, 陶海紅 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)