基于FPGA的宽带信号检测设计概述

2FSK，4FSK，BPSK，QPSK）。在允许相对误差小于4%的情
况下统计出载波频率和带宽的精确度。
80 70
60 50
40 30
20
100
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
频率（Hz）
×106
图2 信号检测结果图
表1 检测信号载波频率和带宽精确度
信噪比(dB) 载波频率
带宽
6dB 88.6% 84.6%
点时就将 存储起来，并重复第3步。利用式子最大值可以 设置出每个信号区域的判决门限[3]。
1.2.4 对频域进行第三次扫频，将信号区域的点与之对应的
门限值进行比较，大于信号的部分就是精确估计的有效信号。
如下为算法检测出信号的结果。产生多个信号段，采样频率为
10MHz，信号信噪比为6~12dB，信号调制种类有5种（2ASK，
1 宽带检测算法
1.1 常用检测方法介绍
能量检测法中最常用的是双门限法[2]，工程实现中经常出
现。相对于传统的门限法，利用两个门限对信号进行筛选，进
而更加有效地对信号进行估计。在单门限检测模型的基础上再
加一个门限，设置成双门限检测模型。通常设置为：
（1）
双门限检测的判决过程为：当
，判决结果为 ，
14 科学与信息化2021年4月下
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TECHNOLOGY AND INFORMATION
谱数据，然后由信号检测部分估计出载波频率和带宽[4]。 使能
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标志信号，而计数器2告诉IP核当前输入的是第几个信号数据。IP 核会计算出数据信号的频域信息并依次输出，最后通过乘法器求 平方得到功率谱，同时配合计数器3依次将频域数据存入存储器 中。最后由标志信号经判断4模块判断数据是否完全存储完毕。
图4 信号检测状态图
上图为信号检测模块的状态图，在转换完成时，calcu_ p=1，状态机进入ST_FIND_MIN状态，此时会对频谱进行扫 描，找出频谱中的最小值，用最小值设置频谱的底噪并找出大 于底噪的部分，将该部分视为信号区间。扫描完成后进入ST_ FIND_MAX中进行第二次扫描。该次扫描主要用于找出信号区 间中的最大值，利用最大值设置一个判断门限，如果大于判断 门限的部分就认为是信号。第二次扫描完成后，进入ST_FIND_ MAXSUB3DB状态，在该状态中，模块会对每个信号区间的判 断门限与信号进行比较，精确估计出信号的载波频率和带宽， 判断完成后回到最开始的待机状态ST_IDLE中[4]。
如图5所示，状态机负责状态的转换并将当前状态输入到
其他模块中进行运算，当状态处于ST_FIND_MIN/ST_FIND_ MAX/ST_FIND_MAXSUB3DB状态时，系统都需要对频谱数据 进行扫描将信号数据从dpram存储器中读出来，其中判断2模块 就是输出NFFT个raddr读地址信号，从存储器中读出当前需要 的数据。当状态处于ST_FIND_MIN时，寻找底噪模块会找出频 谱中的最小值并设置一个最小的底噪值。当状态为ST_FIND_ MAX时，系统会将信号与底噪进行比较，将有信号的部分标志 出来，标志信号由判断1模块中输出。最大值模块则会找出每个 有信号区域的最大值，而设置门限模块会利用最大值和其点数 值位置生成每个有信号区域的门限值(用于检测信号频谱起始点 和终止点)和标志信号(FIFO模块的写使能)。这里的门限是将最
8dB 90.4% 87.8%
10dB 93.5% 92.9%
12dB 95.2% 93.6%
从图2和表1中可以看出，该方法可以较好地检测出各个信
号，验证了信号的可行性，接下来将介绍算法的FPGA设计。
2 模块设计 信号主要分为两大部分：频域转换部分和信号检测部分。
利用频域转换将时域数据转换成频域数据并计算出信号的功率
信号，大大降低漏检率。
90
80 70
60 50
40 30
20
100 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 频率（Hz）
图1 信号频谱图
1.2 改进的双门限算法
1.2.1 对信号进行一次扫频，设置第一个频点的值为矩阵
的初始值，之后将每个频点的值与 比较，如果小
于 ，就将
每位的值向前移一位，用该频点的值替换
，这样可以找出频谱上最小值。利用最小值，设置信号的
底噪。
1.2.2 进行第二次扫频，将每个频点的值与上步算出的底噪
进行比较，如果大于底噪的范围为有信号的区域。
1.2.3 然后设置信号区域的第一个点为
的初始值，再
将区域内的值与
比较，如果大于
，就将
每位
的值向前移位，该点的值替换 ，当运行到每个区域的结束
信息化技术应用 i_fft_in_st
o_scan_finish
图3 频域转换结构图
首先，使能信号控制状态机开始工作，输出当前状态送入 判断1、判断2、判断3模块中进行判断，以产生需要的标志信 号。判断2模块与状态机产生的状态配合控制计数器1对FFT IP核 转换次数进行计数。当计数器1计数到设置的数值时会告诉判断 1模块输出结束变换的标志信号。判断3模块产生IP核开始转换的
信息化技术应用
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基于FPGA的宽带信号检测设计概述
唐聆韬 四川大学 电子信息学院 四川 成都 610065
摘 要 本文针对非合作宽带多信号的带宽检测展开研究，研究信号带宽的检测与分选。在信号能量谱的基础上设 计一种高效且易于硬件实现的宽带信号检测方法，为信号载波的参数估计和调制识别提供基础；并在FPGA中实现 出来，最后通过运算出的结果和软件结果比较，验证方法的可行性。 关键词 宽带信号；能量谱；信号检测；FPGA
认为用户信号出现；当
时，判决结果为 ，则认为用户
信号不存在。
双门限法的检测效率虽然比单门限更精确，但也很容易受
噪声影响。如图1所示，有些信号因为功率能量不能达到门限的
要求，就会被算法判定是噪声而排除掉。这样检测效率就大大
降低了。针对这一问题，本文提出一种易于硬件实现，精确度
较高的门限检测算法，它能对每个信号设置单独的门限检测出
功率ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ功率
引言
当前主要的频谱检测方法有能量检测法、匹配滤波器法和 循环平稳特征检测法等。匹配滤波器法能使接收信号的信噪比 最大化，在短时间里获得高处理增益，但是进行信号检测必须 具有传输信号的先验信息，即要事先获得所有子信道用户的参 数信息。所以匹配滤波器法不适用于多信号的盲检测。循环平 稳特征检测法是利用调制后的信号的循环特征进行检测。调制 后信号的均值和自相关等特征具有循环平稳特性，而噪声的统 计特征不具有这一特性，利用这一特征可以有效地将噪声和信 号区分开来。但是其计算复杂度过高，检测周期较长，也不适 合大带宽多子带信号的频谱检测。与以上两种方法相比，能量 检测法[1]就相对简单，适合在硬件中实现。