CN112350691A - 一种基于多级滤波抽取和两级wola结构的地磁弱信号检测算法 - Google Patents
一种基于多级滤波抽取和两级wola结构的地磁弱信号检测算法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112350691A CN112350691A CN202011206347.3A CN202011206347A CN112350691A CN 112350691 A CN112350691 A CN 112350691A CN 202011206347 A CN202011206347 A CN 202011206347A CN 112350691 A CN112350691 A CN 112350691A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- stage
- wola
- signals
- signal
- filter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000000605 extraction Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 238000001914 filtration Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 9
- 238000013075 data extraction Methods 0.000 claims description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H21/00—Adaptive networks
- H03H21/0012—Digital adaptive filters
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
- H04B1/0003—Software-defined radio [SDR] systems, i.e. systems wherein components typically implemented in hardware, e.g. filters or modulators/demodulators, are implented using software, e.g. by involving an AD or DA conversion stage such that at least part of the signal processing is performed in the digital domain
- H04B1/0007—Software-defined radio [SDR] systems, i.e. systems wherein components typically implemented in hardware, e.g. filters or modulators/demodulators, are implented using software, e.g. by involving an AD or DA conversion stage such that at least part of the signal processing is performed in the digital domain wherein the AD/DA conversion occurs at radiofrequency or intermediate frequency stage
- H04B1/001—Channel filtering, i.e. selecting a frequency channel within the SDR system
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Noise Elimination (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于多级滤波抽取和两级WOLA(加权叠加滤波器组)结构的地磁弱信号检测算法。在频域探测模式下，利用基于WOLA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WOLA的弱信号检测算法流程如下所示：(1)首先对AD采样后的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)；(2)然后将滤波抽取后的信号输入信道化模块依次进行两级WOLA信道化处理，通过窄带滤波器滤除带外噪声，并将整个带宽内的信号分成若干个子信道输出；(3)最后信道选择模块根据发射信号频率计算出AD采样信号对应的子信道，并将该子信道输出的信号通过一组横向滤波器组后输出，横向滤波器组可用FFT(快速傅里叶变换)实现，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。
Description
技术领域
本发明属于一种信号检测算法，特别是一种基于多级滤波抽取和两级WOLA结构的地磁弱信号检测算法。
背景技术
弱信号检测技术广泛应用于雷达、小目标检测、飞行器拦截等各个方面，目前针对弱信号的检测算法大多是混频+滤波+FFT的结构，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。但是这种检测方法在同一时间只能对单一频点的信号进行处理，且数据率很高，如果低通滤波器的带宽过小会导致滤波器设计阶数过高，不易实现，而且会增加FPGA处理难度，浪费资源，所以对弱信号的检测能力会有很大限制。
发明内容
本发明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，且可以同时检测多个不同频率的信号。
实现本发明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，并可以根据输入信号频率的不同，灵活地设计抽取率，大大提高了***的适用范围及检测性能；信道化算法可以将整个频带分为若干个子频带，然后对每个子频带分别进行混频、滤波处理；因为每个子频带的带宽远小于***整个工作频带，因此大大降低了***工作频率及处理难度；可以同时检测整个频带内的多个任意频点的信号；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；利用FFT窄带滤波器组的特性，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。
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信道化算法实现难度。
信道化算法由两级WOLA结构实现，将整个频带的信号分成若干个子频带，分别搬移到基带进行处理，大大提高检测精度。
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，同时利用FFT窄带滤波器组的特性，抑制带外噪声，提高SNR。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明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，且可以根据输入信号频率的不同，灵活地设计抽取率，大大提高了***的适用范围及检测性能。
(2)本发明采用两级WOLA结构信道化算法，该结构适用性广，抽取率D和信道数K没有严格的约束关系，运算量和复杂度大幅降低，且可以同时检测整个频带内的多个任意频点的信号。
附图说明
图1是基于多级滤波抽取和两级WOLA结构的地磁弱信号检测算法总体框图。
图2是滤波抽取模块结构图。
图3是FFT算法的窄带滤波器组特性。
图4是第一级WOLA信道化FPGA设计结构。
图5是第二级WOLA信道化FPGA设计结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明确，以下参照附图对本发明进一步详细说明。
本发明一种基于多级滤波抽取和两级WOLA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采样后的信号进行多级滤波抽取，滤除带外噪声，提高SNR，抽取倍数可根据实际需要调整；将降采样后的信号经过两级WOLA信道化处理，该算法的核心思想是将整个频带的信号分成若干个子频带，分别搬移到基带进行处理，信号首先进行混频，将不同频带的信号混到基带，然后进入低通滤波器，滤除带外噪声；最后对两级信道化后的信号做FFT，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，同时利用FFT窄带滤波器组的特性，等效为一组均匀信道，如图3所示，利用滤波器带外抑制的能力，抑制带外噪声，提高SNR。下面对各部分结构进行详细介绍：
滤波抽取模块，如图2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。
WOLA信道化算法流程，先将整个频带的信号分成若干个子频带，然后进行混频，将不同频带的信号混到基带，然后进入低通滤波器，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。该结构输入序列x(n)的数据率为fs，因为每D个数据进行一次处理，所以整个结构的工作速率降为fs/D；滤波器只采用一组，运算量降低了K倍，并且滤波运算不需要使用卷积算法，运算量和复杂度大幅降低；采用FFT算法实现DFT变换，运算量降低了K log2K倍；该结构适用性广，抽取率D和信道数K没有严格的约束关系。
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。
第一级WOLA信道化FPGA设计结构，如图4所示，第一级信道化原型低通滤波器系数长度为M×N，所以移位寄存器为M×N级，分为N组，每组M级实现。全部采用双端口RAM存储数据。当抽取模块往移位模块输入一帧数据时，移位模块的第一级RAM将输入的数据写入，同时将旧的数据读出作为第二级RAM的输入。后续RAM依此类推，也就是将前一级的输出作为后一级的输入，完成M×N级移位。当最后一级RAM完成移位后，给出结束信号，此时将N组RAM数据全部同时读出，与存入ROM中的原型低通滤波器系数相乘。这N组乘法均使用Xilinx自带的乘法器IP核实现。与此同时，将N组乘法器输出的结果使用流水线结构相加。当N组M周期乘法全部计算结束时，延时几个周期后相加模块也计算完成。在前一级完成相乘相加后，将M点数据输入Xilinx公司自带的64点FFT IP核，FFT IP核经计算后将64点FFT的结果依次输出。至此，使用FPGA实现数据抽取、移位、相乘、相加、FFT等操作，即完成了第一级信道化算法。
第二级WOLA信道化FPGA设计结构，如图5所示，第二级信道化原型低通滤波器系数长度为R，所以移位寄存器为R级。移位寄存器只需使用一级RAM即可。当抽取模块往移位模块输入一帧数据时，移位模块的RAM将输入的数据写入。新的数据写入完毕后再将旧的数据读出，与存入ROM的原型低通滤波器系数相乘。每64点数据做为一组，分别累加，并将相加的结果存入FIFO缓存。而Xilinx公司的FFT IP核最多支持12通道数据同时计算。为使资源最大利用化，综合考虑将本***的64信道数据分为8组，每组8通道处理。至此，完成了第二级信道化算法。
本发明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，信道化算法中的划分信道数以及抽取倍数也都可以灵活配置。例如，将一个10M采样率的信号划分成2048个48.8Hz带宽的信道。首先用滤波抽取模块实现100抽取，可用CIC滤波器抽取5倍+HB滤波器抽取2倍+CIC滤波器抽取5倍+FIR滤波器抽取2倍的方式实现，抽取后信号采样率变为100kHz；然后经过两级信道化模块，第一级信道化信道数K1＝32，抽取倍数D1＝16，处理后信号带宽为3.125kHz、采样率为6.25kHz，第二级信道化信道数K2＝64，抽取倍数D2＝20，处理后信号带宽为48.8Hz，采样率为312.5Hz；最后再对每个信道的信号做FFT，即可知道输入信号对应的信道以及能量。在实际调试过程中，测得该发明对弱信号检测灵敏度达到1uvpp。
Claims (4)
1.一种基于多级滤波抽取和两级WOLA结构的地磁弱信号检测算法，其特征在于：首先将ADC(模数转换器)采样后得到的信号输入到多级滤波抽取模块进行处理，然后让滤波抽取模块输出的信号依次通过第一级和第二级信道化处理，最后信道选择模块根据发射信号频率计算出AD采样信号所在子信道，并将该子信道的信号通过一组横向滤波器组后输出；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；WOLA结构信道化算法由数据抽取、移位、与滤波器系数相乘、相加、FFT等操作完成，将滤波抽取后的信号分成若干个子信道；最后AD采样信号所在子信道的信号通过一组横向滤波器组之后通过网口输出到上位机显示，整个算法在FPGA内部实现。
2.根据权利要求1所描述的基于多级滤波抽取和两级WOLA结构的地磁弱信号检测算法，其特征在于：滤波抽取模块采用的CIC+HB+LPF的多级滤波结构由FPGA内部的数字滤波器实现，降低信号速率，提高SNR(信噪比)。
3.根据权利要求1所描述的基于多级滤波抽取和两级WOLA结构的地磁弱信号检测算法，其特征在于：两级信道化算法由WOLA结构实现，抽取率D和信道数K没有严格的约束关系，运算量和复杂度大幅降低，且可以同时检测整个频带内的多个任意频点的信号。
4.根据权利要求1所描述的基于多级滤波抽取和两级WOLA结构的地磁弱信号检测算法，其特征在于：横向滤波器组由FFT(快速傅里叶变换)实现，根据帕斯维尔定律，FFT将时域连续的能量转变为频域离散的能量，抑制带外噪声。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011206347.3A CN112350691A (zh) | 2020-11-02 | 2020-11-02 | 一种基于多级滤波抽取和两级wola结构的地磁弱信号检测算法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011206347.3A CN112350691A (zh) | 2020-11-02 | 2020-11-02 | 一种基于多级滤波抽取和两级wola结构的地磁弱信号检测算法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112350691A true CN112350691A (zh) | 2021-02-09 |
Family
ID=74355455
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011206347.3A Pending CN112350691A (zh) | 2020-11-02 | 2020-11-02 | 一种基于多级滤波抽取和两级wola结构的地磁弱信号检测算法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112350691A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115396079A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-11-25 | 湖南艾科诺维科技有限公司 | 基于fpga的多通道信道化方法 |
| CN116015248A (zh) * | 2022-12-16 | 2023-04-25 | 淮安汇鸿精密模具有限公司 | 一种cic-hb级联式数字滤波器及其验证方法 |
| CN116032310A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-04-28 | 西安瀚博电子科技有限公司 | 一种基于信道化滤波的信号自适应检测重构方法 |
| CN117251717A (zh) * | 2023-11-17 | 2023-12-19 | 成都立思方信息技术有限公司 | 多个不同信号同步信道化提取方法、装置、设备及介质 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103399304A (zh) * | 2013-07-22 | 2013-11-20 | 西安电子科技大学 | 外辐射源雷达自适应杂波抑制的fpga实现设备和方法 |
| CN103929387A (zh) * | 2014-05-08 | 2014-07-16 | 常州国光数据通信有限公司 | 基于fpga的大动态范围数字信道化接收机及工作方法 |
| CN107749762A (zh) * | 2017-09-26 | 2018-03-02 | 天津光电通信技术有限公司 | 一种多相滤波数字信道化实现方法 |
-
2020
- 2020-11-02 CN CN202011206347.3A patent/CN112350691A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103399304A (zh) * | 2013-07-22 | 2013-11-20 | 西安电子科技大学 | 外辐射源雷达自适应杂波抑制的fpga实现设备和方法 |
| CN103929387A (zh) * | 2014-05-08 | 2014-07-16 | 常州国光数据通信有限公司 | 基于fpga的大动态范围数字信道化接收机及工作方法 |
| CN107749762A (zh) * | 2017-09-26 | 2018-03-02 | 天津光电通信技术有限公司 | 一种多相滤波数字信道化实现方法 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115396079A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-11-25 | 湖南艾科诺维科技有限公司 | 基于fpga的多通道信道化方法 |
| CN115396079B (zh) * | 2022-07-15 | 2023-12-01 | 湖南艾科诺维科技有限公司 | 基于fpga的多通道信道化方法 |
| CN116015248A (zh) * | 2022-12-16 | 2023-04-25 | 淮安汇鸿精密模具有限公司 | 一种cic-hb级联式数字滤波器及其验证方法 |
| CN116032310A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-04-28 | 西安瀚博电子科技有限公司 | 一种基于信道化滤波的信号自适应检测重构方法 |
| CN117251717A (zh) * | 2023-11-17 | 2023-12-19 | 成都立思方信息技术有限公司 | 多个不同信号同步信道化提取方法、装置、设备及介质 |
| CN117251717B (zh) * | 2023-11-17 | 2024-02-09 | 成都立思方信息技术有限公司 | 多个不同信号同步信道化提取方法、装置、设备及介质 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112350691A (zh) | 一种基于多级滤波抽取和两级wola结构的地磁弱信号检测算法 | |
| CN102355273B (zh) | 数字信道化方法及电路 | |
| US20200011911A1 (en) | High-precision frequency measuring system and method | |
| CN103973324B (zh) | 一种宽带数字接收机及其实时频谱处理方法 | |
| CN101398480B (zh) | 一种灵活的子带重构宽带信道化装置 | |
| CN105281707B (zh) | 一种动态可重构滤波器组的实现方法 | |
| CN103929387B (zh) | 基于fpga的大动态范围数字信道化接收机及工作方法 | |
| CN109889213B (zh) | 一种信道化的方法、装置及计算机存储介质 | |
| CN106027179A (zh) | 一种基于综合互素分析的宽带频谱感知方法及其装置 | |
| CN110210101A (zh) | 一种基于cem frm的动态非均匀窄过渡带滤波器组及设计方法 | |
| CN110365351B (zh) | 一种基于滤波器复用架构实现信道化接收的方法及装置 | |
| CN110208755A (zh) | 一种基于fpga的动态雷达回波数字下变频***及方法 | |
| CN113341378B (zh) | 基于频谱差分熵检测的自适应信道化接收方法 | |
| CN107144821A (zh) | 宽带数字阵雷达中基于时延波束形成的高效接收通道 | |
| CN109474356B (zh) | 宽带多通道信号能量检测***及方法 | |
| CN106950544B (zh) | 一种基于dsp实现的大时宽信号分段识别的方法 | |
| JP2000505636A (ja) | 同一チャネル干渉低減用選択濾波方法 | |
| US20080222228A1 (en) | Bank of cascadable digital filters, and reception circuit including such a bank of cascaded filters | |
| CN115296647B (zh) | 基于frm技术的wola滤波器组及子带分割设计方法 | |
| US6990060B2 (en) | Polyphase-discrete fourier transform (DFT) sub-band definition filtering architecture | |
| CN110690909B (zh) | 一种低复杂度的动态非均匀信道化用户分离方法 | |
| CN114257285A (zh) | 一种通感一体化基站感知信号滤波方法及*** | |
| CN107347042B (zh) | 一种多级数字信道化子信道输出判决方法 | |
| CN100463457C (zh) | 一种多个通道复接的级联积分梳状滤波器 | |
| KR20100088513A (ko) | Ｆｆｔ를 이용하여 협대역 채널을 생성하는 다중 채널 하향 변환기 및 다중 채널 하향 변환 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Zhang Tao Document name: Notification of passing the preliminary examination of patent application for invention |
|
| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Zhang Tao Document name: Notice of the First Examination Opinion |
|
| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Zhang Tao Document name: Deemed withdrawal notice |
|
| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210209 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |