Широкополосный анализ и обработка сигналов в частотной области

Широкополосный анализ и обработка сигналов в частотной области

Воробьев АА, Лебедев А.Н., Негрозов ЕА, МТУСИ

В статье рассматриваются алгоритмы параллельного анализа широкой полосы сигнала в частотной области. Обнаружение узкополосных излучений, определение их параметров, таких, как уровень, номинал частоты, полоса, а также время начала и завершения. Рассмотрены алгоритмы выделения (фильтрации и децимации) узкополосных сигналов в частотной области. Предложена программная реализация алгоритмов, а также рассмотрена возможность реализации алгоритмов на программируемых логических интегральных схемах.

Записи широкополосных сигналов представляют собой массивы пар знаковых 16-разрядных отсчётов квадратурных составляющих (на нулевой несущей частоте) оцифрованного с заданной частотой дискретизации нерегулярного некоординируемого группового сигнала с полосой до нескольких МГц, полученного с выхода ПЧ РПУ, настроенного на приём в диапазонах известных узкополосных систем связи. Помимо сигнальных отсчётов, в записях также присутствует сопроводительная информация.

Алгоритмы широкополосной регистрации сигналов

1. Накопление 2048 отсчетов сигнала. При этом отсчеты умножаются на коэффициенты оконной функции. Исследовались несколько оконных функций, таких, как треугольная, Хэннинга, Хэмминга, Блэкмана, Блэкмана-Харриса, точная Блэкмана и др. В результате исследований было принято решение использовать оконную функцию Блэкмана как наиболее подходящую для решения поставленной задачи.

2. Вычисление быстрого преобразования Фурье (БПФ). Получается 2048 спектральных отсчетов, что соответствует разрешению в несколько килогерц.

3. Выполнение усреднения за задаваемое количество буферов (в данном случае -128, размер буфера 2048 отсчетов).

4. Вычисление мощности усредненного сигнала в логарифмическом масштабе.

Результат представляется в виде 8-ми битных отсчетов, хранящих значения в диапазоне 0-127 дБмкВ (младшие семь бит). Старший бит равен 1, если значение превысило порог или 0, в противном случае используется для цветовой индикации на экране монитора ПЭВМ.

5. Опционально, если не задан порог обнаружения, автоматическое определение "шумового пола" во всей полосе частот, и, как результат — автоматическое определение порога обнаружения.

Для этого строится гистограмма распределения мощностей из 32 элементов с шагом 4. Младший максимум гистограммы соответствует шумовому полу. Порог определяется, как Ыех( тах(Ы$1ЬиА ) * 4 + X,

где X — задаваемое значение превышения над "шумовым полом" (по умолчанию задается +10 дБмкВ).

6. Определение участков спектра, содержащих следующие

подряд слева направо по оси частот отсчеты, превышающие порог.

7. На основании левой и правой границ спектров сигналов определяется ширина занимаемой полосы частот, центральная частота, а также определяется значение максимальной мощности в полосе сигнала.

8. Полученные результаты (мощность, полоса и центральная частота, время начала и завершения излучения, отношение сигнал/шум) запоминаются в ОЗУ и передаются для дальнейшей обработки, а также сохраняются в файл базы данных

Число записей в БД определяется числом излучений, обнаруженных в ходе широкополосной обработки, а каждая структура описывает параметры отдельного обнаруженного сигнала.

Моделирование показало, что предложенный алгоритм позволяет производить анализ спектра широкополосного сигнала с частотой более 6 МБ/б в ПЭВМ в режиме реального времени. Аппаратная реализация на программируемых логических интегральных схемах позволяет производить анализ полосы до 100 МГц в режиме реального времени.

Перенос сигнала и децимация в частотной области

Реализация классических алгоритмов цифрового переноса сигнала и децимации в ПЭВМ является достаточно простой, но связана со значительными затратами вычислительных ресурсов из-за необходимости применять длинные (до нескольких сотен отводов) КИХ фильтры. Таким образом, применение классической схемы построения цифрового переносчика спектра сигнала с децимацией (ЭЭС) позволяет обрабатывать сигналы лишь в полосе 100-150 кГц, либо производить обработку широкополосных сигналов (с полосой более 2,5 МГц) в отложенном режиме и за время, значительно превышающее реальное время записи. Предлагается применение технологии обработки сигналов в частотной области. Показано, что при таком подходе можно повысить быстродействие примерно в 10 раз, а при аппаратной реализации в программируемых логических интегральных схемах добиться работы в реальном масштабе времени при частотах оцифровки в десятки мегагерц.

Для простоты продемонстрируем перенос спектра и децимацию на примере 32-х точечного преобразования Фурье для входного сигнала и 8-ми точечного для выходного.

Поскольку отсчеты в спектральной области представлены в виде массива комплексных чисел, реальные индексы для отрицательных отсчетов вычисляются следующим образом:

іист = N+1, где і = -1, -2, ... -(N/2-1), N — размер пачки преобразования Фурье.

В представленном примере отсчеты переносятся следующим образом:

п0 ^ п4 = ^2

П3

п7= ^

где N — массив отсчетов входного сигнала, п — выходного.

Алгоритм работы

N — размер буфера для преобразования Фурье широкополосного (входного) сигнала, п — узкополосного (выходного), ісгїг — счетчик входных отсчетов. Коэффициент децимации равен N/1.

1. Инициализация нулями, счетчик входных отсчетов обнуляется.

2. Отсчет входного широкополосного сигнала последовательно помещается в буфер для БПФ размером N в ячейку с индексом ^/2+ісп1т), счетчик входных отсчетов увеличивается на 1 (істгїг = іспІт+1).

3. Если счетчик входных значений не достиг величины N/2, перейти к п. 2.

4. Выполнить БПФ для входного буфера.

5. Произвести копирование (перенос) нужных отсчетов частотной области в буфер обратного преобразования Фурье для выходного сигнала.

6. Произвести ОБПФ для выходного сигнала.

7. Полученные п/2 отсчетов временной области, начиная с индекса п/4, отдаются на выход.

8. N/2 отсчетов во входном буфере с индекса N/2 копируются в первую половину буфера (с индекса 0).

9. Обнуляется счетчик входных отсчетов ( ісгїг = 0).

10. При поступлении очередного отсчета перейти к п. 2.

Следует отметить, что номер отсчета в спектре входного широкополосного сигнала, соответствующий нулевому отсчету в спектре выходного сигнала должен быть четным.

Моделирование показало, что размер входного буфера следует подбирать таким образом, чтобы размер выходного буфера составлял 1024~4096 отсчетов. В предоставляемой модели размер входного буфера выбран, равным 262144 отсчета.

При переносе только одного узкополосного сигнала из спектра

широкополосного скорость обработки составляет 1,5 МБ/б, что позволяет обрабатывать в ПЭВМ в режиме реального времени широкополосные сигналы с полосой 1-1,25 МГц.

При переносе нескольких сигналов скорость обработки уменьшается незначительно, так как прямое преобразование Фурье выполняется одно для всех узкополосных сигналов, а увеличивается лишь количество обратных преобразований для размеров пачек, значительно меньших, чем размер пачки для прямого преобразования.

Литература

1. Аджемов С.С., Лебедев АН Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ "Программа для анализа радиотехнических систем и обработки сигналов" №2000611164 от 10.11.2000 г.

2. Аджемов С.С., Лебедев АН Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ "Программа для анализа радиосигналов" №2000611165 от 10.11.2000 г.

3. Аджемов С.С., Лебедев АН Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ "Имитационное моделирование радиотехнических систем и устройств цифровой обработки сигналов" №2007612096 от 23.05.2007 г.

4. Аджемов СС, Виноградов АН., Лебедев АН, Терешонок М.В. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ "Мониторинг систем мобильной радиосвязи" №2007612088 от 11.05.2007 г.

5. Аджемов СС, Лебедев АН Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ "Спектральная обработка цифровой записи сигналов в широкой полосе частот" №2007612095 от 24.04.2007 г.

6. Аджемов СС, Воробьев АА, Негрозов ЕА, Романов Э.Ю. Приемник прямого цифрового преобразования. Современные концепции приема и обработки сигналов в ВЧ диапазоне// Труды Московского технического университета связи и информатики. — М.: "ИД Медиа Паблишер", 2007. — С. 178-180.