專利名稱：用于多波束快速角引導和角捕獲系統的多波束信號檢測器的制作方法
技術領域：
本發明屬于基帶數字信號處理，特別涉及一種多波束信號檢測器，可用于測控通信系統中多波束快速角引導和角捕獲系統對OdB以下弱信號的檢測與捕獲。
背景技術：
測控通信系統是深空探測工程中一個重要的系統。測控通信系統所承擔的3個主要任務是將科學、遙測和工程數據傳回地面；實現地面對探測器的跟蹤、測量和定位；遙控探測器以完成科學探測。其中由于深空通信距離變遠，信號損失巨大，信號傳輸時延長導致信號衰弱極大，接收信號的信噪比極低，這就需要解決弱信號捕獲與跟蹤的問題。解決測控通信系統中弱信號捕獲與跟蹤的問題，通過改善通信質量來提高信噪比。針對超遠距離、超長時延和非對稱通信的特點，國際上改善通信質量采用的主要方法有利用Turbo碼和低密度校驗碼LDPC先進的編譯碼技術、增加地面站大口徑天線技術、提高載波頻率到Ka波段、信源壓縮技術、波導波束天線技術及低噪聲接收技術、天線組陣技術、軟件無線電技術、高功率器件技術等措施。其中天線組陣技術中的相控陣天線組陣是近幾年來雷達體制的一個重要的新發展，它打破了常規雷達固定波束駐留時間、固定掃描方式、固定發射功率和固定數據的限制，具有靈活的多波束指向和駐留時間、可控的空間功率分配及時間資源分配等特點。雖然相控陣天線組陣對提高信號接收質量有很大的作用，考慮到實際設計成本等原因的影響，實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的輸出端不同，多波束天線具有多個輸出端，每個輸出端對應一個波束，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發射和/或接收多個獨立波束。為了提高對更遠距離弱信號的接收能力，支持高數據率科學測量與跟蹤，多波束天線組陣是一種可行的方案。傳統的多波束信號檢測技術通過抑制雜波、抗干擾和降低系統噪聲來提高檢測性能，且只利用單幀數據進行檢測，而為了滿足一定的檢測概率和虛警概率需要較高的信噪比，因此無法檢測較低信噪比的信號。對于多波束弱信號的檢測問題，即使進行了有效的雜波抑制，由于其信噪比較低，仍然無法得到可靠的檢測。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種用于對多波束快速角引導和角捕獲系統的多波束信號檢測器及其檢測方法，以實現對OdB以下低信噪比信號的可靠檢測。檢測器，包括二塊相同的信號處理板卡，分別完成方位和俯仰各15個波束的檢測功能，每塊板卡包括數據采集模塊，由15片相同的模擬數字轉換器ADC芯片構成，用于對方位或俯仰方向的15個波束的中頻模擬信號進行中頻數字采樣；信號積累模塊，由I片現場可編程邏輯器件FPGA芯片構成，用于對方位或俯仰方向的15個波束的低信噪比信號進行積累；信號捕獲模塊，與信號積累模塊在同一片FPGA芯片中實現,用于對方位或俯仰方向的15個波束的低信噪比信號進行檢測；串行通信模塊，由2片RS-232實現，用于將方位或俯仰方向檢測結果送給伺服分系統完成快速角弓I導和角捕犾。所述的信號積累模塊，包括1X15個基二的FFT IP核，用于對信號進行相干積累；2X 15個32位的乘法器和IX 15個32位的加法器，用于對信號進行非相干積累。所述的信號捕獲模塊，包括自適應噪聲門限獲取單元，用于實時的獲取15個波束內噪聲大小的門限值；波束間判別單元,用于對15個波束間的信號大小進行判別；控制單元，用于控制信號積累模塊、先進先出數據緩存器FIFO單元、累加單元、自適應噪聲門限獲取單元、波束間判別單元以及串行通信模塊的工作過程。為實現上述目的，本發明的多波束信號檢測方法，包括如下步驟(I)通過15個ADC芯片采樣得到的15路中頻數字實信號；(2)在FPGA中，對15路中頻數字實信號均采用如下步驟進行信號積累；2a)對中頻數字實信號進行快速傅立葉變化FFT，實現信號的相干積累，并輸出 FFT IP核輸出端的狀態指示信號；2b)將信號相干積累后的實虛部，分別取模求平方再相加，實現信號的非相干積累；(3)對15路信號積累值均采用如下步驟進行預捕獲3a)將信號非相干積累后的值，寫入先進先出數據緩存器FIF01、FIF02以及 FIF03 ；3b)從FIF01、FIF02和FIF03中讀出數據，并對該數據中在最低位進行位與運算， 其余高位進行位或運算；3c)判斷步驟3b)得到的值是否為正數，若是，則直接輸出步驟3b)得到的值，否則，對步驟3b)得到的值取反后輸出；3d)將非相干積累后的值與步驟3c)得到的值進行累加，并寫入/讀出FIF02和 FIF03，重復步驟3b)-3d) N個時鐘周期，N取7000 8000 ；3e)將步驟3d)得到的累加值S與實時產生的自適應噪聲門限值B的大小進行比較，若S > B，則輸出S，否則，輸出為零，即此輸出結果為信號的預捕獲值D，并輸出狀態使能
信號;(4)獲取捕獲的最終結果4a)對步驟3e)得到的15個信號預捕獲值設置15個不同的波束號；4b)比較步驟3e)得到的15個信號預捕獲值的大小，獲得最大值及對應的波束號， 該最大值及對應的波束號即為捕獲的最終結果；(5)串行發送捕獲的最終結果5a)利用鎖相環和分頻器，得到串行發送的波特率；5b)對步驟4b)得到的最終捕獲結果進行截位；
5c)將截位后的并行數據轉換為串行數據；5d)通過RS-232將串行數據按照步驟5a)所得的波特率發送給伺服分系統；(6)重復步驟(1)_(5)，實現對實時信號的連續檢測，從而協助全系統完成目標跟足示O本發明與現有技術相比具有以下優點①本發明在多波束信號積累中，采用相干積累和非相干積累結合的方法，使低信噪比信號經過積累處理后信噪比明顯改善，可以檢測出OdB的弱信號，順利完成捕獲功能。②本發明在信號積累后采用噪聲門限處理，并且實時的獲取噪聲門限值，最后在波束間判別得到最終捕獲結果，使得信噪比進一步提升，從而可以達到OdB弱信號的100% 檢測。③本發明采用V5系統的FPGA、在信號積累部分采用高速處理FFT IP核和高速乘法器、在信號捕獲部分采用流水線式的處理方法、在串行發送模塊同時采用2個RS-232串口并按115200的波特率發送數據，使得整個檢測時間縮短，從而可以在2ms內完成成功的引導功能。
圖I是本發明多波束信號檢測器的總體結構框圖；圖2是本發明多波束信號檢測器的單通道數據采集模塊和信號積累模塊框圖；圖3是本發明多波束信號檢測器進行信號捕獲和串行通信的框圖；圖4是本發明多波束信號檢測器進行信號捕獲中的控制單元引腳連接圖；圖5是本發明多波束信號檢測方法的總流程圖；圖6是本發明檢測方法中獲取自適應噪聲門限值時的狀態轉移圖；圖7是本發明檢測方法對波束I在OdB信號時的檢測仿真結果；圖8是本發明檢測方法對波束16在OdB信號時的檢測仿真結果。
具體實施例方式參照圖1，本發明的多波束信號檢測器由兩塊相同的信號處理板卡組成，分別完成方位和俯仰各15個波束的檢測功能，每塊板卡上包括數據采集模塊、信號積累模塊、信號捕獲模塊和串行通信模塊，其中數據采集模塊，由15片數模轉換器芯片LTC2248組成，用于將接收到的15個波束的模擬中頻信號轉變為15個通道的中頻數字實信號送給FPGA ；信號積累模塊，其結構如圖2所示，它包括一個FFT IP核、2個32位的乘法器和 32位的加法器；15個波束通道的信號積累模塊結構相同，這些信號積累模塊在I片FPGA中實現；信號捕獲模塊，其結構如圖3所示，它包括控制單元、先進先出緩存器FIFO單元、 累加單元、系統自動復位單元、自適應噪聲門限獲取單元、噪聲門限判別單元和波束間判別單元。其中FIFO單元是先進先出緩存器，主要作用是緩存信號積累單元和控制單元的中間處理數據；累加單元的是對不同時鐘周期內的信號積累值進行累加相當于用時間來換取信噪比的提升；自適應噪聲門限獲取單元用于實時的獲取信號傳輸空間的噪聲，進而在噪聲門限判別單元可以容易的設置門限來擬制噪聲；波束間判別單元是對方位/俯仰上的15個波束一起處理最終得出信號所在位置和信號大小值，從而完引導功能；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，其連接關系如圖4所示控制單元有7個輸入端，其中，輸入端CLK連接70MHz的時鐘，輸入端RST連接系統自動復位單元，輸入端DV 連接信號積累模塊的FFT IP核，輸入端TEMP_XKn連接信號積累模塊的加法器，輸入端BI 連接自適應噪聲門限獲取單元，輸入端EMPTY連接FIFO單元的空狀態標志輸出端，輸入端 FDATA連接FIFO單元的滿狀態標志輸出端；控制單元有6個輸出端，其中，輸出端WRENn連接FIFO單元的寫使能輸入端，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連接累加單元的數據信號；波束間判別單元與門限判別單元直接連接。15個波束通道的信號捕獲模塊結構相同，這些信號捕獲模塊與信號積累模塊在同一片FPGA中實現；串行通信模塊，其結構如圖3所示，它包括截位處理單元、并-串轉換單元和 RS-232串口。截位處理單元的輸入使能信號端連接信號捕獲模塊中控制單元輸出端 0UTEN，截位處理單元的輸入數據端連接信號捕獲模塊中控制單元輸出端XK_DATAn，并-串轉換單元連接截位處理單元的輸出端，RS-232串口連接并-串轉換單元。截位處理單元的作用是將信號捕獲模塊的波束間判別單元出來的32位數據截位后得到8位并行數據， 并-串轉換單元的作用是將8位的并行數據轉換成串行數據，將這些串行數據通過串口 RS-232發送給伺服分系統；其中，截位處理單元和并-串轉換單元與信號積累模塊在同一片FPGA中完成，FPGA通過RS-232串口與伺服分系統連接。參照圖5，本發明的多波束信號檢測方法，具體步驟如下步驟I.通過15個采樣頻率為40MHz的數字模擬轉換器ADC芯片采樣，得到15路中頻數字實信號，其中每一路的采樣得到的數據為14位的2進制碼。步驟2.在FPGA中，對15路中頻數字實信號均采用如下步驟進行信號積累(2. I)對14位的中頻數字實信號進行快速傅立葉變化FFT，實現信號的相干積累， 并輸出FFT IP核輸出端的狀態指示信號，其中，FFT運算是調用IP核實現，IP核的參數設置為14位實部輸入為采樣得到的中頻數字實信號，14位虛部輸入設為零，采用基2、Burst 1/0結構的FFT算法，對FFT計算過程進行中間數據的縮減；(2. 2)將信號相干積累后的實虛部，分別取模求平方再相加，實現信號的非相干積累，其中對相干積累后的實虛部取模運算是通過判斷數據是否為正數，如果是，則該數據不變，否則，對該數據取反；求平方直接采用2個32位的乘法器；相加運算直接采用I個32位加法器；通過FPGA內部設置計數器可以得到，信號積累所需時間為6311個40MHz時鐘周期，即為200微秒。步驟3.對信號積累值進行捕獲(3. I)對15路信號積累值均采用如下步驟進行預捕獲3. Ia)當FFT IP核的輸出端狀態指示信號、系統自動復位信號以及先進先出緩存器FIFO單元的寫使能信號為高電平I時，將信號積累值寫入到先進先出緩存器FIF01、 FIF02以及FIF03 ;其中，系統自動復位信號是來自于系統自動復位單元的外部信號，但是其自動復位的條件則與本發明的檢測器有關，當本發明檢測器工作在正確狀態時，該復位信號保持高電平I不變，否則，變為低電平O ;FIF0單元的寫使能信號是通過控制單元里的一個計數器I得到，當計數值NI < 3000時，該FIFO的寫使能信號為高電平1，否則，變為低電平O，并對計數器清零；3.1b)當FIFO的讀使能信號為高電平I時，從FIF01、FIF02和FIF03中讀出數據，并對該數據在最低位進行位與運算，其余高位進行位或運算；其中，FIFO的讀使能信號是由控制單元的計數器2得到，當計數值N2 < 3000時，該FIFO的讀使能信號為高電平1， 否則，變為低電平0，并對計數器清零，3. Ic)判斷步驟3. Ib)得到的值是否為正數，若是，則直接輸出步驟3. Ib)得到的值，否則，對步驟3. Ib)得到的值取反后輸出；3. Id)當累加單元的使能信號為高電平I時，將信號積累值與步驟3. Ic)得到的值進行累加，并在FIFO單元的寫使能信號有效時將其寫入到FIF02和FIF03，重復步驟 3. lb)-3. Id)共計N個時鐘周期，N取7000 8000，這里，累加單元的使能信號是通過的控制單元的計算器3得到，當計數值N3 < 3000時，該累加單元的使能信號為高電平1，否則， 變為低電平0，并對計數器清零；3. Ie)將步驟3. Id)得到的累加值S與實時產生的自適應噪聲門限值B的大小進行比較，若S > B，則輸出S，否則，輸出為零，此輸出結果即為預捕獲的信號值D，并輸出狀態使能信號，其中，所述的實時產生的自適應噪聲門限值，參照附圖6描述如下首先，在信號源開啟前幾秒，先連通多波束弱信號檢測器；接著，設計一個有5個狀態的狀態機，當系統的自動復位信號RST = O時，在空閑狀態IDLE等待，否則，在時鐘上升沿到來后，跳轉到狀態SI ；接著，在狀態SI中，給B賦初值0，當步驟3. Ie)得到的輸出狀態使能信號為低電平O時，繼續在狀態SI等待，否則，在時鐘上升沿到來后，跳轉到狀態S2 ；接著，在狀態S2中，比較步驟3. Ie)得到的信號的預捕獲值D與B的大小，若D > B，則B = D，否則B不變，在時鐘上升沿到來后，直接從狀態S2跳轉到狀態S3 ；接著，在狀態S3中，設置一個加法計數器N4，在時鐘上升沿到來后，N4 = N4+1，當 N4 < 2000時，跳轉到狀態S2，否則，跳轉到輸出狀態OUT ；然后，在輸出狀態OUT中，輸出B的值，且把輸出狀態設為死循環；最后，如果系統不復位，則該自適應噪聲門限值B不變，否則，重新得到B ；(3. 2)采用波束間判別方法，獲取捕獲最終結果3. 2a)對步驟3. Ie)得到的信號預捕獲值設置15個不同的波束號OOOlb-Illlb ；3. 2b)比較步驟3. Ie)得到的15個信號預捕獲值的大小，獲得最大值及對應的波束號，該最大值即為最終捕獲結果的信號幅度大小，該對應的波束號即為最終捕獲結果的方位/俯仰所在位置信息；通過各計數器可以得到，信號捕獲模塊所需時間為10000X3個 40MHz時鐘周期，即為800微秒。步驟4.串行發送最終捕獲結果的信號幅度大小(4. I)利用鎖相環和分頻器，得到串行發送的波特率為115200 ；(4. 2)對最終捕獲結果的信號幅度大小進行截位得到8位的并行數據，其中，截位得到的8位數據是保留信號幅度大小值的I位符號位和7位數據大小位；(4. 3)將截位后的8位并行數據轉換為串行數據；(4. 4)通過2個RS-232串口將串行數據按照步驟(4. I)所得的波特率發送給伺服分系統；2個RS-232串口輸出包括16個字節，其中，15個字節是15個波束所對應的信號檢測值，另外I個字節是若將整個計算時間值，每個RS-232串口輸出還需要起始位和終止位各一位,若將整個計算時間也通過RS-232串口送出又多增了 12bit，即(10X8+12)/115200 =798. 61 微秒。步驟5.重復步驟I-步驟4，實現對實時信號的連續檢測，從而協助全系統完成目標跟蹤；將以上步驟所需時間相加，可得本發明檢測方法可以在2ms內完成成功的引導捕
-M-犾。本發明的檢測性能可通過以下仿真分析進一步說明I)仿真條件信噪比為OdB時，將多波束天線轉到俯仰上的波束I對準信號源，通過FPGA在線調試儀得到最終信號捕獲結果的幅度值I ;將多波束天線轉到俯仰上的波束16 對準信號源，通過FPGA在線調試儀器得到最終信號捕獲結果的幅度值2。2)仿真實驗參數信號采樣的信標為頻率是70MHz正弦波信號，ADC采樣率為 40MHz ο3)仿真內容仿真I，將最終信號捕獲結果的幅度值I從線調試儀中倒出來，倒入到MATLAB中仿真，結果如圖7。仿真2，將最終信號捕獲結果的幅度值2從線調試儀中倒出來，倒入到MATLAB中仿真，結果如圖8。4)仿真結果從圖7可以看出，當多波束天線對準俯仰上的波束I時，本發明的檢測方法可以檢測到OdB信號。從圖8可以看出，當多波束天線對準方位上的波束16時，本發明的檢測方法可以檢測到OdB信號；將多波束天線轉動100次，記錄每一次的檢測結果，可以得出，本發明的檢測方法可以達到100%的檢測概率。
權利要求
1.一種用于多波束快速角引導和角捕獲系統的多波束信號檢測器，其特征在于包括二塊相同的信號處理板卡，分別完成方位和俯仰各15個波束的檢測功能，每塊板卡包括數據采集模塊，由15片相同的模擬數字轉換器ADC芯片構成，用于對方位或俯仰方向的15個波束的中頻模擬信號進行中頻數字采樣；信號積累模塊，由I片現場可編程邏輯器件FPGA芯片構成，用于對方位或俯仰方向的 15個波束的低信噪比信號進行積累；信號捕獲模塊，與信號積累模塊在同一片FPGA芯片中實現，用于對方位或俯仰方向的 15個波束的低信噪比信號進行檢測；串行通信模塊，由2片RS-232實現，用于將方位或俯仰方向檢測結果送給伺服分系統完成快速角引導和角捕獲。
2.根據權利要求I所述的多波束信號檢測器，其中信號積累模塊，包括I X 15個基二的FFT IP核，用于對信號進行相干積累；2X 15個32位的乘法器和IX 15個32位的加法器,用于對信號進行非相干積累。
3.根據權利要求I所述的多波束信號檢測器，其中信號捕獲模塊，包括自適應噪聲門限獲取單元，用于實時的獲取15個波束內噪聲大小的門限值；波束間判別單元，用于對15個波束間的信號大小進行判別；控制單元，用于控制信號積累模塊、先進先出數據緩存器FIFO單元、累加單元、自適應噪聲門限獲取單元、波束間判別單元以及串行通信模塊的工作過程。
4.一種用于多波束快速角引導和角捕獲系統的多波束信號檢測方法，包括如下步驟(1)通過15個ADC芯片采樣得到的15路中頻數字實信號；(2)在FPGA中，對15路中頻數字實信號均采用如下步驟進行信號積累；2a)對中頻數字實信號進行快速傅立葉變化FFT，實現信號的相干積累，并輸出FFT IP 核輸出端的狀態指示信號；2b)將信號相干積累后的實虛部，分別取模求平方再相加，實現信號的非相干積累；(3)對15路信號積累值均采用如下步驟進行預捕獲3a)將信號非相干積累后的值，寫入FIF01、FIF02以及FIF03 ；3b)從FIF01、FIF02和FIF03中讀出數據，并對該數據中在最低位進行位與運算，其余高位進行位或運算；3c)判斷步驟3b)得到的值是否為正數，若是，則直接輸出步驟3b)得到的值，否則，對步驟3b)得到的值取反后輸出；3d)將非相干積累后的值與步驟3c)得到的值進行累加，并寫入/讀出FIF02和FIF03， 重復步驟3b) -3d) N個時鐘周期，N取7000 8000 ；3e)將步驟3d)得到的累加值S與實時產生的自適應噪聲門限值B的大小進行比較， SS > B，則輸出S，否則，輸出為零，即此輸出結果為信號的預捕獲值D，并輸出狀態使能信號;(4)獲取捕獲的最終結果4a)對步驟3e)得到的15個信號預捕獲值設置15個不同的波束號；4b)比較步驟3e)得到的15個信號預捕獲值的大小，獲得最大值及對應的波束號，該最大值及對應的波束號即為捕獲的最終結果；(5)串行發送捕獲的最終結果5a)利用鎖相環和分頻器，得到串行發送的波特率；5b)對步驟4b)得到的最終捕獲結果進行截位；5c)將截位后的并行數據轉換為串行數據；5d)通過RS-232將串行數據按照步驟5a)所得的波特率發送給伺服分系統；(6)重復步驟(1)_(5)，實現對實時信號的連續檢測，從而協助全系統完成目標跟蹤。
5.根據權利要求4所述多波束信號檢測方法，其中步驟3e)所述的實時產生的自適應噪聲門限值B，是按如下步驟產生3el)在信號源開啟前幾秒，先連通多波束弱信號檢測器；3e2)輸入噪聲到自適應噪聲門限獲取單元，設計一個狀態機來實現自適應噪聲門限值 B的獲取，當系統的自動復位信號為低電平O時，在空閑狀態IDLE等待，否則，在時鐘上升沿到來后，跳轉到狀態一；3e3)在狀態一中，給B賦初值0，當步驟3e)得到的輸出狀態使能信號為低電平O時， 繼續在狀態一等待，否則，在時鐘上升沿到來后，跳轉到狀態二 ；3e4)在狀態二中，比較步驟3e)得到的信號的預捕獲值D與B的大小，若D > B，則B =D，否則B不變，在時鐘上升沿到來后，直接從狀態二跳轉到狀態三；3e5)在狀態三中，設置一個加法計數器，在時鐘上升沿到來后，對加法計數器的值 Count加1，當Count < 2000時，跳轉到狀態二，否則，跳轉到輸出狀態；3e6)在輸出狀態中，輸出B的值，且把輸出狀態設為死循環；3e7)如果系統不復位，則該自適應噪聲門限值B不變，否則，重新得到B。
全文摘要
本發明公開了一種用于多波束快速角引導和角捕獲系統的多波束信號檢測器，主要解決現有多波束信號檢測器無法檢測低信噪比信號的問題。該多波束信號檢測器包括兩塊信號處理板卡，其中每塊板卡上有數據采集模塊、信號積累模塊、信號捕獲模塊和串行通信模塊，其中數據采集模塊包括15路模數轉換器ADC，用于15個波束的中頻模擬信號采樣；信號積累模塊和信號捕獲模塊是在同一片FPGA芯片中完成的，用于完成15個波束低信噪比信號的積累和方位/俯仰各15個波束的信號捕獲；串行通信模塊由2片RS-232芯片實現，用于將捕獲結果發送到伺服分系統。本發明能對信噪比在0dB以下的多波束弱信號進行100％檢測，并能在2ms內成功的引導跟蹤。
文檔編號H04B17/00GK102594416SQ20121000791
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月3日 優先權日2012年1月3日
發明者劉凱, 周游, 宮延云, 廖桂生, 曹紅鳳, 曾操, 朱圣旗, 李真芳, 陶海紅 申請人:西安電子科技大學