基于FPGA的电磁信号干扰检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于现场可编程门阵列FPGA的电磁信号干扰检测系统及方法，该系统包括信号处理模块、载频计算模块、信号采集模块和信号判决模块。该方法的步骤包括：(1)将采集到的数组分割成多帧数据序列；(2)计算每帧数据序列的频谱序列；(3)获取多帧频谱序列的功率谱均值序列；(4)将功率谱均值序列分段，求出检验统计量；(5)计算第一门限值，判断有无电磁信号干扰；(6)利用载频公式计算待检测干扰信号的载频。本发明专利技术具有对超宽带信号进行检测，系统集成度高，能够检测出低能量干扰信号等优点。

Electromagnetic signal interference detection system and method based on FPGA

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的电磁信号干扰检测系统及方法
本专利技术属于信号处理领域，更进一步涉及数字信号处理
中的一种基于现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammableGateArray)的电磁信号干扰检测系统及方法。本专利技术可用于在电磁干扰环境下对电磁信号干扰进行高频采样及超宽带检测。
技术介绍
广播、电视、通信、雷达和导航等系统广泛应用于军事和民用等领域，为便于信道的传输，信号会采用不同的调制技术，占用不同的带宽和频率。因此，设备或系统在工作时，有可能会给其它系统带来电磁干扰，这会给侦查方获取信号带来挑战。信号的检测是通信、雷达、广播以及电子对抗等领域信号处理中的一个重要问题，实际信道中的信号往往包含若干种不同调制方式的信号。目前常见的电磁干扰信号检测系统及方法存在着检测宽带范围小，系统集成度不高，对低能量电磁信号干扰漏报的问题。中国电子科技集团公司第二十九研究所在其申请的专利文献“一种基于两级FFT的数字宽带高精度测频方法及系统”(申请日：2018.04.16，申请号：201810337654.1，申请公开号：CN108490255A)中公开了一种利用硬件技术实现电磁干扰信号的数字宽带高精度测频系统及方法。该系统包括：信号采集模块，信号处理模块，求模运算模块，过门限检测模块，信号引导模块，有限长单位冲激响应FIR(FiniteImpulseResponse)抽取滤波模块和频率精测模块。其中，信号采集模块，用于对信号进行零中频模拟转数字设备AD(AnalogtoDigital)采样或采样后下变频为零中频后发送给信号处理模块；信号处理模块，用于在接收到原始信号后，将信号分为两路，一路作为原始数据进行保存，对另一路数据做快速傅里叶变换FFT(FastFourierTransform)；求模运算模块，用于将快速傅里叶变换FFT之后的结果做求模运算；过门限检测模块，用于将求模运算后的信号进行过门限检测，检测出过门限的信号；信号引导模块，用于以过门限检测到的信号为引导，对保存的原始信号进行数字下变频到的零中频位置；有限长单位脉冲FIR抽取滤波模块，用于将变频之后的信号进行抽取滤波；频率精测模块，用于将抽取滤波后的基带数据发送给上位机后，上位机对基带数据做比频率粗测中更大点数的傅里叶变换FFT，得到更高精度的频率结果。该系统存在的不足之处是：设计的信号处理模块的数据处理能力有限，无法快速地对大点数的数据进行傅里叶变换FFT，只能先在现场可编程门阵列FPGA中做小点数的快速傅里叶变换FFT，再根据求模运算模块和过门限检测模块的结果，判定是否将原始采样数据传给上位机中的频率精测模块，这就使得检测系统在两个硬件设备中实现，导致系统集成度不高。中国电子科技集团公司第二十九研究所在其申请的专利文献中公开的方法的实施步骤是：第一，对信号进行61.44MHz的零中频模拟转数字设备AD采样或采样后下变频为零中频后发送给信号处理模块；第二，信号处理模块接收到原始信号后，将信号分为两路，一路作为原始数据进行保存，对另一路数据做快速傅里叶变换FFT；第三，将快速傅里叶变换FFT之后的结果求模运算并进行过门限检测，检测出过门限的信号，以过门限检测到的信号为引导，对保存的原始信号进行数字下变频到的零中频位置，将变频之后的信号进行抽取滤波；第四，将抽取滤波后的基带数据发送给上位机，上位机对基带数据做比频率粗测中更大点数的快速傅里叶变换FFT，得到更高精度的频率结果。该方法存在的不足之处是：由于对信号的采样频率在百兆以内，导致在上位机进行更大点数的快速傅里叶变换FFT以得到更高精度的频率结果时，频率宽带范围较窄，不能用于对超宽带信号的检测；在对一帧采样数据做快速傅里叶变换FFT和求模运算后便进行门限检测，使得较低能量的干扰信号无法超过检测门限，导致系统漏报电磁信号干扰。深圳市嵘兴实业发展有限公司在其申请的专利文献“卫星通信宽带频谱信号自动监测方法及其系统”(申请日：2018.11.08，申请号：201811327199.3，申请公开号：CN109547126A)中公开了一种利用硬件技术实现的开放空间中多模块卫星通信宽带频谱信号自动监测系统及其方法。该系统包括卫星信号采集模块，数字信号处理模块，数据分析处理模块，监控模块。其中，卫星信号采集模块，用于采集卫星通信信号，并将采集到的所述卫星通信信号处理转换为数字信号；数字信号处理模块，用于对所述数字信号进行傅里叶变换得到与采集到的所述卫星通信信号相对应的频谱图像、及频率与功率的关系；数据分析处理模块，用于对所述频谱图像、及频率与功率的关系进行二次数据分析得到载波数据；监控模块，用于将所述频谱图像和/或所述载波数据与预置的基准数据进行对比分析进行信号异常检测，如果检测到信号异常，则产生告警事件并存储此时对应的所述频谱图像与所述载波数据。该系统存在的不足之处是：在数据分析处理模块与监控模块之间通过交换机进行数据传输，检测系统在两个硬件设备中实现，导致系统集成度低。深圳市嵘兴实业发展有限公司在其申请的专利文献中公开的方法的实施步骤是：第一，采集卫星通信信号并将采集到的所述卫星通信信号处理转换为数字信号；第二，对所述数字信号进行傅里叶变换得到与采集到的所述卫星通信信号相对应的频谱图像、及频率与功率的关系；第三，对所述频谱图像、及频率与功率的关系进行二次数据分析得到载波数据；第四，将所述频谱图像和/或所述载波数据与预置的基准数据进行对比分析进行信号异常检测，如果检测到信号异常，则产生告警事件并存储此时对应的所述频谱图像与所述载波数据。该方法存在的不足之处是：对所述数字信号进行快速傅里叶变换FFT得到与采集到的所述卫星通信信号相对应的频谱图像、及频率与功率的关系后，便直接对所述频谱图像、及频率与功率的关系进行二次数据分析得到载波数据，这将使得在对低能量的电磁信号干扰进行检测时，得到的载波数据无法超过预置的基准数据，导致该系统对低能量电磁信号干扰检测失效。专利技术的内容本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于现场可编程门阵列FPGA的电磁信号干扰检测系统及方法，以解决由于信号采样率低无法对超宽带干扰信号进行检测，系统集成度低，对低能量电磁信号干扰检测失效等问题。实现本专利技术目的的具体思路是：本专利技术的电磁信号干扰检测系统，包括信号处理模块，载频计算模块，信号采集模块，信号判决模块；信号处理模块，载频计算模块，信号采集模块，信号判决模块，均在同一硬件板卡中实现。其中：所述的信号处理模块，用于在每帧数据序列的末尾增补个零，得到补零后的帧数据序列，将补零后的帧数据序列按行转换为的矩阵X0，对矩阵X0每一行的元素做傅里叶变换，得到矩阵X1，其中，M表示补零后的帧数据序列中元素的总数，其值为大于的最小4k；生成的旋转因子矩阵；用矩阵X1点乘旋转因子矩阵W，得到矩阵X2；对矩阵X2每一列的元素做傅里叶变换，得到矩阵X3；对矩阵X3依照元素次序按列转换为补零后的帧数据序列的频谱序列，信号处理模块对U0帧分割后数据序列中的每一帧分别计算频谱序列，得到U1帧频谱序列，其中，U0表示对数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于现场可编程门阵列FPGA的电磁信号干扰检测系统，包括信号处理模块，载频计算模块，其特征在于，还包括信号采集模块，信号判决模块；信号处理模块，载频计算模块，信号采集模块，信号判决模块，均在同一硬件板卡中实现，其中，/n所述的信号处理模块，信号处理模块在每帧数据序列的末尾增补

【技术特征摘要】
1.基于现场可编程门阵列FPGA的电磁信号干扰检测系统，包括信号处理模块，载频计算模块，其特征在于，还包括信号采集模块，信号判决模块；信号处理模块，载频计算模块，信号采集模块，信号判决模块，均在同一硬件板卡中实现，其中，
所述的信号处理模块，信号处理模块在每帧数据序列的末尾增补个零，得到补零后的帧数据序列，将补零后的帧数据序列按行转换为的矩阵X0，对矩阵X0每一行的元素做傅里叶变换，得到矩阵X1，其中，M表示补零后的帧数据序列中元素的总数，其值为大于的最小4k；生成的旋转因子矩阵；用矩阵X1点乘旋转因子矩阵W，得到矩阵X2；对矩阵X2每一列的元素做傅里叶变换，得到矩阵X3；对矩阵X3依照元素次序按列转换为补零后的帧数据序列的频谱序列，信号处理模块对U0帧分割后数据序列中的每一帧分别计算频谱序列，得到U1帧频谱序列，其中，U0表示对数组分割后数据序列的总帧数，U1的取值与U0相同；
所述的载频计算模块，用于从功率谱均值序列中找出元素的最大值，将该最大值所对应的电磁信号作为待检测干扰信号；利用载频公式，计算待检测干扰信号的载频；
所述的信号采集模块，用于实时对电磁信号干扰进行5GHz/s的高频采样，将连续t秒采集得到的t×5×109点的数据组成数组，将数组每隔个元素分割成一帧，得到数据序列，其中，t表示信号采集模块对电磁信号干扰的采样时长，其值为大于1×10-3的任意一个实数，U0表示对数组分割后数据序列的总帧数；
所述的信号判决模块，用于信号判决模块对U1帧频谱序列中每个元素取绝对值求平方，将元素次序相同的元素求均值后组成该U1帧频谱序列的功率谱均值序列，对功率谱均值序列按元素均匀地分割为M/m个分段，其中，M表示功率谱均值序列中元素的总数，m表示每个分段中元素的总数，m的取值为被M整除的任意正整数；分别求每一分段中所有元素的累加值得到累加值序列，将该累加值序列中的每个元素除以功率谱均值序列中所有元素的累加值得到比值序列，从比值序列中找出最大值，将该最大值作为检验统计量；计算第一门限值，判断检验统计量是否大于第一门限值，若是，则说明有干扰信号，将功率谱均值序列传递给载频计算模块，否则，将功率谱均值序列中的所有元素的值均设置为零。


2.根据权利要求1所述电磁信号干扰检测系统的一种基于现场可编程门阵列FPGA的电磁信号干扰检测方法，其特征在于，对电磁信号干扰的U帧数据序列分别进行傅里叶变换得到U帧频谱序列，计算U帧频谱序列的功率谱均值序列；该方法的具体步骤包括如下：
(1)获取多帧数据序列：
信号采集模块实时对电磁信号干扰进行5GHz/s的高频采样，将连续t秒采集得到的t×5×109点的数据组成数组，将数组每隔个元素分割成一帧，得到数据序列，其中，t表示信号采集模块对电磁信号干扰的采样时长，其值为大于1×10-3的任意一个实数，U0表示对数组分割后数据序列的总帧数；
(2)计算每帧频谱序列：
(2a)信号处理模块在每帧数据序列的末尾增补个零，得到补零后的帧数据序列，将补零后的帧数据序列按行转换为的矩阵X0，对矩阵X0每一行的元素做傅里叶变换，得到矩阵X1，其中，M表示补零后的帧数据序列中元素的总数，其值为大于的最小4k；
(2b)信号处...

【专利技术属性】
技术研发人员：臧博，高雪川，张皓森，张佩贤，朱明哲，李林，张文博，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61