本发明属于信号处理的技术领域，具体而言，涉及一种宽带数字信号频率实时搜索方法及其装置。
背景技术：
随着芯片技术、数字相控阵技术、传输和处理器件发展越来越快，这也加速了高速宽带采样技术的发展，使宽中频采样以及射频采样技术在雷达中的使用变得越来越容易，也越来越普遍。
在宽中频采样系统中，采样后的中频数据中可能包含了多个窄带信号，因此需要对宽中频数字信号中所包含的信号进行提取，找到信号的频点，进行数字下变频、滤波等处理将信号变换到基带后再做后续的译码等信号处理流程。
目前现有的数字接收方案主要还是通过对确定中频信号或者零中频信号等单个窄带信号进行接收和后续的信号处理，该种方案构架简单、代价低，但是是在已知接收信号频点的条件下才可以进行，无法实现对未知频点下的信号接收或者多个窄带信号的同时接收，不满足数字接收机的发展要求。
技术实现要素：
鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种宽带数字信号频率实时搜索方法及其装置以达到能有效的标定各窄带信号的时域幅度、脉宽、频域幅度等信息，得到信号的频点值，实现未知频点情况下的信号接收和处理的目的。
本发明所采用的技术方案为：一种宽带数字信号频率实时搜索方法，该方法包括：
通过fpga运行搜索算法，该搜索算法包括对高速宽带中频信号进行信道化，以获得低速基带信号并对低速基带信号进行时域检测和频域检测，以获取时频信息；
通过fpga将检测所获取的时频信息实时输出至dsp，且dsp根据外场环境变化对搜索算法中的各项参数进行动态配置；
通过dsp将时频信息与高速宽带中频信号的特征进行比对，作出信号频点的最终判决；
该方法中搜索算法设计思路新颖、流程简洁高效、处理方法可靠，且具备实时性和动态可配置性。
进一步地，所述信道化包括：
根据高速宽带中频信号中多个窄带信号的载波频率，预置多个nco；
将各个nco的输出信号进行复数乘法运算，以获取相应的高速基带信号；
对高速基带信号进行多级抽取降速和抗混叠滤波，以获取低速基带信号。
进一步地，所述时域检测的方法包括：
根据速宽带中频信号中窄带信号的部分先验信息，对某个时刻的频点计算其时域平均幅度；
对该时刻左右各t时间范围内的频点进行噪声门限判决，再通过统计门限进行统计结果判别，若统计结果大于a，则认为该频点为有信号，且统计门限输出判别标志“1”；
通过统计门限判别标志筛选出时域幅度。
进一步地，通过统计门限输出判别标志为“1”的频点，利用脉冲上升沿、下降沿以对脉冲的到达时间以及脉冲宽度进行测量，以获取到脉冲宽度。
进一步地，所述噪声门限的门限参数是通过dsp选取m个窄带信号，各个窄带信号经滤波输出的复数信号幅度求平均值，将该平均值设为σ并以3σ作为门限参数，以保证噪声门限的判决结果最优。
进一步地，所述统计门限中的参数a由所述dsp根据外场环境变化进行动态配置，以保证统计门限的判决结果最优。
进一步地，所述频域检测的方法包括：
对低速基带信号进行去调制运算，以获取去调制复信号；
对去调制复信号进行fft运算，并根据时域检测的结果计算谱线位置；
通过fft运算结果计算频域幅度。
进一步地，在fft运算时，取数据的起始时刻由时域检测的结果进行指示，从脉冲上升沿开始，令：fft长度固定为n，以求得谱线位置。
本发明还公开了一种宽带数字信号频率实时搜索装置，该装置包括fpga、dsp、外围时钟和电源，所述fpga、dsp和外围时钟分别与电源连接并通过电源对其供电；
所述fpga装载有搜索算法并通过搜索算法输出时频信息；
所述dsp通过emif总线与fpga数据交互，且dsp用于对搜索算法进行动态配置并根据时频信息输出最终判决。
本发明的有益效果为：
1.采用本发明所提供的宽带数字信号频率实时搜索方法及装置，其采用fpga dsp协同工作模式，fpga根据目标信号的部分先验信息，利用多通道、窄带、固定载频并行接收与数字滤波，求得时域和频域的相关参数，输出至dsp进行最终判决；同时，dsp需根据外场具体环境对fpga中算法的参数进行动态配置，有效的保证了整机snr与灵敏度等关键指标最优化；该方法特别适合于雷达、通信、对抗等多种应用环境，能够实现无密码状态下的多种信号格式的频率搜索，为后续的信号解调、译码等提供了依据；同时，可自适应设备的更换、环境的变化，保证设备的性能始终自动处于可靠的状态。
附图说明
图1是本发明所提供的宽带数字信号频率实时搜索方法中搜索算法的工作流程图；
图2是本发明所提供的宽带数字信号频率实时搜索方法的搜索算法中时域检测的工作流程图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
名词解释：
(1)信道化：信道化主要包含数字下变频、多级抽取、抗混叠滤波三部分，用于将高速宽带中频信号变换为低速基带信号。
(2)时域检测：时域检测主要在时域对信号进行分析和运算，输入低速基带信号、噪声门限和统计门限，输出目标信号的时域平均幅度、脉冲宽度等参数；
(3)频域检测：频域检测用于对通过时域检测的信号进行频域分析和运算，输入低速基带信号及其时域平均幅度，输出谱线位置及频域平均幅度等参数；
(4)综合判决：dsp根据fpga计算出的各项时频参数，综合外场具体环境及目标信号的部分先验信息，得出目标信号频点的最终判决；
(5)动态配置：dsp可根据外场具体环境对时频检测中的噪声门限、统计门限等参数进行实时配置，使信噪比、灵敏度等关键指标最优化；
(6)nco：数字控制振荡器；
(7)fpga：现场可编程门阵列；
(8)dsp：数字信号处理器；
(9)fft运算：快速傅里叶变换运算。
实施例1
在本实施例中具体提供了一种宽带数字信号频率实时搜索方法，该方法包括：
1、通过fpga运行搜索算法，该搜索算法包括对高速宽带中频信号进行信道化，以获得低速基带信号并对低速基带信号进行时域检测和频域检测，以获取时频信息，并将时频信息进行实时更新输出，时频信息至少包括时域幅度、脉冲宽度、谱线位置、频域幅度；在本实施例中，fpga承担主要的搜索算法实现，根据高速宽带中频信号的部分先验信息，利用多通道、窄带、固定载频并行接收与数字滤波，求得时域和频域的相关参数，主要包括信道化、时域检测、频域检测三部分；如图1所示，具体如下：
a)对高速宽带中频信号进行信道化，该信道化包括：
1)根据高速宽带中频信号中多个窄带信号的载波频率，预置多个nco。
2)将各个nco的输出信号进行复数乘法运算，即输出信号分别与ad数据相乘，以获取相应的高速基带信号。
3)根据窄带信号的带宽，对高速基带信号进行多级抽取降速和抗混叠滤波，以获取低速基带信号。
通过上述步骤完成对接收的高速宽带中频信号进行信道化，在此过程中，通过对高速基带信号进行降速处理，可以大大降低fpga的功耗，并且提升时序性能。
b)对低速基带信号进行时域检测，该时域检测包括：
1)根据速宽带中频信号中窄带信号的部分先验信息，对某个时刻的频点计算其时域平均幅度。
2)对该时刻左右各t时间范围内的频点进行噪声门限判决，噪声门限判决的输出结果经滑窗统计之后再通过统计门限进行统计结果判别，若统计结果大于a，则认为该频点为有信号，且统计门限输出判别标志“1”。
上述噪声门限的门限参数是通过dsp在没有输入射频信号时，选取m个窄带信号并对该m个窄带信号经滤波输出的复数信号幅度求平均值，将该平均值设为σ，该σ与接收机增益有关，增益越高，σ越大，并以3σ作为噪声门限的门限参数，因为超过3σ的噪声概率低于千分之一，且宽度较窄，不连续。
上述统计门限中的参数a由所述dsp根据外场环境变化进行动态配置。
3)通过噪声门限、统计门限判别标志筛选出时域幅度，即图1中所出示的参考幅值统计，参考幅值统计则是对某个时刻的频点计算其时域平均幅度通过噪声门限、统计门限判别筛选后得到时域幅度，并以该时域幅度作为时频信息；如图2所示，一次判决门限为底噪门限，通过一次判决门限滤除底噪后，对信号或者信号叠加噪声毛刺以后的数据进行二次门限判决，二次门限判决主要通过滑窗统计滤除脉冲宽度较窄的噪声毛刺，得到所需要的目标信号。
4)通过统计门限输出判别标志为“1”的频点，利用脉冲上升沿、下降沿以对脉冲的到达时间以及脉冲宽度进行测量，以此获得时频信息中的脉冲宽度。
c)对低速基带信号进行频域检测，该频域检测包括：
1)对低速基带信号(也称为iq基带信号)进行去调制运算，输出去调制实部＝i2-q2与虚部＝2i×q，以获取去调制复信号；即去调制实部为：
cos2(ωt θ(t))-sin2(ωt θ(t))＝cos(2ωt 2θ(t))＝cos(2ωt)
去调制虚部为：
2×cos(ωt θ(t))×sin(ωt θ(t))＝sin(2ωt 2θ(t))＝sin(2ωt)
由于bpsk调制的θ(t)取值为0或π，2倍后始终为0，故去调制得到实部与虚部进行fft运算后，应该在2ω频率位置出现峰值，该机理为判别信号载频位置提供支撑。
在本实施例中，搜索算法将数字下变频、多级抽取、抗混叠滤波、快速傅里叶变换、数据综合处理等几项单项技术组合成一个完整的搜索算法用于数字相控阵的信号频率搜索，其设计思路新颖、流程简洁高效、处理方法可靠。
2)对去调制复信号进行fft运算，去调制信号为：(i2-q2) j×2×i×q，j表示复数，并根据时域检测的结果计算谱线位置；在fft运算时，取数据的起始时刻由时域检测的结果进行指示(需补偿检测的流水线延迟，进行数据对齐，即在做fft运算前，需要对数据进行一定的延迟，以补偿时域检测计算部分带来的流水线延迟，以保证参与时域和频域检测的数据为同一组数据)，从脉冲上升沿开始，令：fft长度固定为n，以求得谱线位置，其分辨率为：fs/n；
3)通过fft运算结果进行频域幅度计算，根据能量守恒定理(帕塞瓦尔定理)，可知，fft运算后的频域幅度与上述获取的时域幅度成固定比例关系，以此进行验证频域幅度和时域幅度是否正确。其中，计算频域幅度是指：通过fft运算结果，对3个区间的fft幅度进行比较判决后求大，以获得的最大的fft幅度作为频域幅度，在本实施例中，3个区间优选为：f0±156k、f0 1m±156k以及f0-1m±156k。
2、通过fpga将检测所获取的时频信息实时输出至dsp，且dsp根据外场环境变化对搜索算法中的各项参数(即上述搜索算法工作流程中的m、σ、t、a、n)进行动态配置，以使搜索算法的精度以及整机的信噪比、灵敏度等指标最优化；该dsp主要负责对搜索算法进行控制和最终判决，同时根据外场具体环境对算法中的各个搜索算法中噪声门限和统计门限进行动态配置。
3、通过dsp将时频信息与高速宽带中频信号的特征进行比对，作出综合判决，即dsp根据fpga计算出的各项时频信息，综合外场具体环境及高速宽带中频信号的部分先验信息，得出目标信号频点的最终判决。
实施例2
在本实施例中具体提供了一种宽带数字信号频率实时搜索装置，该装置采用fpga dsp的协同工作模式，该装置包括fpga、dsp、外围时钟和电源，所述fpga、dsp和外围时钟分别与电源连接并通过电源对其供电；
所述fpga装载有搜索算法并通过搜索算法输出时频信息，现场可编程门阵列fpga作为搜索算法的主要实现芯片，fpga的性能对搜索性能有着直接的影响，考虑到搜索过程包含了nco、ddc、fir、fft等大量运算，因此对资源有一定的需求，典型的lut资源约十万个以上，乘法器资源(dsp)约一千个以上；
所述dsp通过emif总线与fpga数据交互，且dsp用于对搜索算法进行动态配置并根据时频信息输出最终判决。该数字信号处理器dsp在搜索算法中主要承担控制作用，包括最终判决结果的输出以及动态配置参数的下发。
所述电源用于对板上芯片进行供电并提供接口适配电路以及用于外围数据存储电路等；所述外围时钟用于系统时钟输出、复位输出、高速串行接口专用时钟输出。
采用本方案所提供的宽带数字信号频率实时搜索装置，性能可靠、成本合理、易于工程实现。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
1.一种宽带数字信号频率实时搜索方法，其特征在于，该方法包括：
通过fpga运行搜索算法，该搜索算法包括对高速宽带中频信号进行信道化，以获得低速基带信号并对低速基带信号进行时域检测和频域检测，以获取时频信息；
通过fpga将检测所获取的时频信息实时输出至dsp，且dsp根据外场环境变化对搜索算法中的各项参数进行动态配置；
通过dsp将时频信息与高速宽带中频信号的特征进行比对，作出信号频点的最终判决。
2.根据权利要求1所述的宽带数字信号频率实时搜索方法，其特征在于，所述信道化包括：
根据高速宽带中频信号中多个窄带信号的载波频率，预置多个nco；
将各个nco的输出信号进行复数乘法运算，以获取相应的高速基带信号；
对高速基带信号进行多级抽取降速和抗混叠滤波，以获取低速基带信号。
3.根据权利要求1所述的宽带数字信号频率实时搜索方法，其特征在于，所述时域检测的方法包括：
根据速宽带中频信号中窄带信号的部分先验信息，对某个时刻的频点计算其时域平均幅度；
对该时刻左右各t时间范围内的频点进行噪声门限判决，再通过统计门限进行统计结果判别，若统计结果大于a，则认为该频点为有信号，且统计门限输出判别标志“1”；
通过统计门限判别标志筛选出时域幅度。
4.根据权利要求3所述的宽带数字信号频率实时搜索方法，其特征在于，通过统计门限输出判别标志为“1”的频点，利用脉冲上升沿、下降沿以对脉冲的到达时间以及脉冲宽度进行测量。
5.根据权利要求3所述的宽带数字信号频率实时搜索方法，其特征在于，所述噪声门限的门限参数是通过dsp选取m个窄带信号，各个窄带信号经滤波输出的复数信号幅度求平均值，将该平均值设为σ并以3σ作为门限参数。
6.根据权利要求5所述的宽带数字信号频率实时搜索方法，其特征在于，所述统计门限中的参数a由所述dsp根据外场环境变化进行动态配置。
7.根据权利要求1所述的宽带数字信号频率实时搜索方法，其特征在于，所述频域检测的方法包括：
对低速基带信号进行去调制运算，以获取去调制复信号；
对去调制复信号进行fft运算，并根据时域检测的结果计算谱线位置；
通过fft运算结果计算频域幅度。
8.根据权利要求7所述的宽带数字信号频率实时搜索方法，其特征在于，在fft运算时，取数据的起始时刻由时域检测的结果进行指示，从脉冲上升沿开始，令：fft长度固定为n，以求得谱线位置。
9.一种宽带数字信号频率实时搜索装置，其特征在于，该装置包括fpga、dsp、外围时钟和电源，所述fpga、dsp和外围时钟分别与电源连接并通过电源对其供电；
所述fpga装载有搜索算法并通过搜索算法输出时频信息；
所述dsp通过emif总线与fpga数据交互，且dsp用于对搜索算法进行动态配置并根据时频信息输出最终判决。
技术总结