一种基于数字正交下变频和多级滤波抽取结构的地磁弱信号检测算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于数字正交下变频和多级滤波抽取结构的地磁弱信号检测算法。在频域探测模式下，利用基于数字正交下变频的弱信号检测算法对经过前端调理电路和AD采样电路的信号进行检测。基于数字正交下变频的弱信号检测算法流程分为三个步骤，首先对AD采样后的数字信号进行混频得到I/Q两路信号，使得信号向下变频至中频，以便后续基带处理；然后对I/Q两路信号进行滤波抽取处理，利用数字滤波器的稳定性，抑制带外噪声，提高输入弱信号的信噪比(SNR)；最后将滤波抽取后的信号通过做FFT后输出给上位机进行显示，将时域能量转换到频域，可以实现对多个任意频率信号的检测。可以实现对多个任意频率信号的检测。可以实现对多个任意频率信号的检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字正交下变频和多级滤波抽取结构的地磁弱信号检测算法


[0001]本专利技术属于一种信号检测算法，特别是一种基于数字正交下变频和多级滤波抽取结构的地磁弱信号检测算法。

技术介绍

[0002]弱信号检测技术广泛应用于雷达、机械故障诊断、通信传输等各个领域，目前针对弱信号的检测方法有很多种，例如：滤波算法、谱分析鉴相法、小波变换等等。但是混频+滤波+FFT的结构好处是信号首先经过前端模拟放大电路后，经模数转换器(ADC)，将模拟信号转换成数字信号，再通过窄带低通滤波器，滤除高频噪声，提高信噪比，从而完成对弱信号的检测。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种数字信号检测算法，这种算法能够实现弱信号的精确检测，且在同一时间只能对单一频点的信号进行检测。
[0004]实现本专利技术目的的技术解决方案为：利用数字滤波器的稳定性，抽取滤波模块可以对输入的信号进行降采样，通过数字滤波器抑制带外噪声，提高信号SNR；数字正交下变频算法先对AD采样后的信号进行混频，然后进行滤波抽取处理，最后将滤波抽取后的信号通过做FFT后输出给上位机进行显示，将时域能量转换到频域，可以实现对多个任意频率信号的检测。根据帕斯维尔定律，将时域连续的能量转变为频域离散的能量，提高信号检测精度。
[0005]滤波抽取模块采用CIC+HB+LPF的多级滤波结构，减小信号速率，提高SNR，降低后续数据传输和数字正交下变频算法实现难度。
[0006]数字正交下变频算法对采样后的信号进行混频，使得信号向下变频至中频，以便后续基带处理。利用数字滤波器的稳定性，抑制带外噪声，提高输入弱信号的信噪比(SNR)；大大提高检测精度。
[0007]根据帕斯维尔定律，将时域连续的能量转变为频域离散的能量，提高信号检测精度。
[0008]本专利技术与现有技术相比，其显著优点：(1)本专利技术采用数字正交下变频的弱信号检测算法使得信号向下变频至中频，以便后续基带处理。且在同一时间只能对单一频点的信号进行检测。
[0009](2)本专利技术利用数字滤波器的稳定性，抑制带外噪声，提高信号SNR，增强弱信号检测能力。
[0010](3)用模拟电路来生成本振信号时，很难实现幅度一致和相位正交，不可避免会产生镜频误差，镜频误差使得解调后输出的I支路和Q支路信号无法实现原有用信号的还原，因此模拟正交解调是不可取的方法。本专利技术所采用的数字正交解调方法先将模拟信号经过
模数转换器(A/D转换器)采样变成数字信号之后进行的数字处理，可以完全保留原始信号的幅度信息和相位信息，消除镜频误差的影响，方法简易可行，设计难度小，便于实现。
附图说明
[0011]图1是基于数字正交下变频和多级滤波抽取结构的地磁弱信号检测算法总体框图。
[0012]图2是滤波抽取模块结构图。
[0013]图3是系统工作流程图。
[0014]图4是基于数字正交下变频和多级滤波抽取结构的地磁弱信号检测算法具体框图。
具体实施方式
[0015]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明确，以下参照附图对本专利技术进一步详细说明。本专利技术一种基于数字正交下变频和多级滤波抽取结构的地磁弱信号检测算法。该算法的总体框图如图1所示，首先对AD采样后的信号进行混频得到I/Q两路信号，将不同频带的信号混到基带。然后对I/Q两路信号进行滤波抽取处理，利用数字滤波器的稳定性，抑制带外噪声，提高输入弱信号的信噪比(SNR)；抽取倍数可根据实际需要调整；最后将滤波抽取后的信号通过做FFT后输出给上位机进行显示，根据帕斯维尔定律，将时域连续的能量转变为频域离散的能量，提高信号检测精度，可以实现对多个任意频率信号的检测。下面对各部分结构进行详细介绍：
[0016]混频模块，数字正交解调将采样后的回波信号与本振信号进行混频，频域上得到和差分量，差分量为所需的基带信号，而和分量为高频干扰，通过数字低通滤波器(FIR滤波器)实现对高频分量的滤除，得到用来求信号能量的同相分量I和正交分量Q，其原理图如图2所示。其中f0是有用信号的频率，
[0017]2*cos(2*pi*(f0+f1)*n)和2*sin(2*pi*(f0+f1)*n)是本振信号。
[0018]假设x(n)的表达式为x(n)＝a(n)*sin(2*pi*f0*n)，那么混频后的信号为
[0019]x
’
I
(n)＝a(n)*cos(2*pi*f1*n)+a(n)*cos(4*pi*(2f0+f1)*n)
[0020]x
’
Q
(n)＝a(n)*sin(2*pi*f1*n)+a(n)*sin(4*pi*(2f0+f1)*n)
[0021]经过低通滤波器后的同相分量和正交分量表达式为：
[0022]y
I
(n)＝a(n)*cos(2*pi*f1*n)
[0023]y
Q
(n)＝a(n)*sin(2*pi*f1*n)
[0024]经过数字正交解调后的信号成为频率为f1的复信号。
[0025]数字正交下变频算法流程，首先对AD采样后的信号进行混频得到I/Q两路信号，然后对I/Q两路信号进行滤波抽取处理，滤除带外噪声，通过设计不同的低通滤波器，可以实现不同的带外抑制能力。最后将滤波抽取后的信号通过做FFT后输出给上位机进行显示，根据帕斯维尔定律，将时域连续的能量转变为频域离散的能量，提高信号检测精度。
[0026]滤波抽取模块，如图3所示，由积分梳状(CIC)滤波器+半带(HB)滤波器+(LPF)滤波器的组合级联而成。信号依次通过每一级滤波抽取结构，可以根据输入信号频率的不同，灵活地设计抽取率，实现数据率与接收信号匹配以及提高信号SNR。
[0027]FFT模块主要实现两个功能，一是根据帕斯维尔定律，将时域连续的能量转变为频域离散的能量，提高信号检测精度；二是利用FFT窄带滤波器组的特性，如图3所示，等效为一组均匀信道，利用滤波器带外抑制的能力，抑制带外噪声，提高SNR。
[0028]本设计中采用10Mhz的系统时钟，在数字正交解调中混频后得到的基带信号频率很低，为了避免滤波后还存在过多的噪声，设计此低通滤波器的通带为25hz，若设置10Mhz的采样率来设计通带为25hz的数字滤波器，得到的滤波器阶数极高，很难实现。为了降低数字正交解调后数据处理的压力以及滤波器实现的难度，此研究设计了多级滤波抽取模块，采用积分梳状滤波器(CIC滤波器)和半带滤波器(HB滤波器)共抽取10000倍，主要用来降低采样率和提高信号的信噪比。
[0029]本专利技术能够实现弱信号检测功能，核心思想是滤除带外噪声，提高信号信噪比，其中抽取倍数可以通过不同的组合实现，数字正交下变频算法中的数字滤波器带宽以及抽取倍数也都可以灵活配置。例如，将一个10M采样率频率为5k的信号与4.9805k本振信号进行混频，混频之后为频率19.5Hz的单频信号，然后用滤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字正交下变频和多级滤波抽取结构的地磁弱信号检测算法，其特征在于：首先将模拟信号经ADC(模数转换器)采样后得到的数字信号输入到混频模块进行混频处理，然后将混频模块输出的两路I/Q信号分别输入到多级滤波抽取模块进行抽取滤波从而降低信号采样率，最后将滤波抽取后的信号通过做FFT后输出给上位机进行显示；滤波抽取模块由CIC(积分梳状滤波器)+HB(半带滤波器)+LPF(低通滤波器)组成的多级滤波结构实现；数字正交下变频算法最后将滤波抽取后的信号通过做FFT后通过网口输出到上位机进行显示，整个算法在FPGA内部实现。2.根据权利要求1所描述的基于数字正交下变频和多级滤波抽取结构的地磁弱信号检测算法，其特征在于：混频模块为AD采样信号与本...

【专利技术属性】
技术研发人员：张芷维，杨勇，李洪涛，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：