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国际创新研究期刊》的研究在科学、工程和技术

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实现插值算法在FPGA的频率精度

A.K.辛格1,k . Subba Rao教授2
  1. 科学家,国防电子研究实验室(DLRL)、海得拉巴,印度
  2. Osmania大学教授,部门的ECE海得拉巴,印度
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文摘

在今天的雷达电子战场景功能越来越先进。拦截和分析来自这样的雷达信号,ESM接收器也要有现代和先进的功能和技术。有许多ESM接收器发达/正在开发基于模拟和数字技术来测量截获雷达信号参数。信号的频率是一个重要的基本参数来衡量ESM接收器。更好的频率分辨率和精度是可取的接收器的规格。系统基于数字接收机的采样信号系统。通过快速傅里叶变换(FFT)算法,截获信号的频率可以从其位置在离散谱估计的分辨率取决于数量的点FFT。但计算或其他限制经常限制点的数量,而相应的限制提供的估计FFT的决议。本文提出的插值算法在FPGA实现精细频率精度不增加FFT的大小。

关键字
EW-Electronics战争,ESM -电子支持措施,DSP-Digital信号处理、FFT-Fast傅里叶变换,FPGA(现场可编程门阵列,LSA-Logic状态分析仪,MATLAB-Matrix实验室硬件描述语言(VHDL) - VASIC高描述性的语言

我的介绍。
电子支援措施(ESM)是非常重要的部分在电子战领域,用于搜索、截获、定位和识别敌人雷达信号的来源和提取特定的雷达信号的参数。ESM所提供的资料是用于识别和威胁的战术部署部队或电子对抗措施(ECM)等资产。有许多ESM接收器发达/正在开发基于模拟(DIFM零差接收机,超外差接收机,信道化接收机等)和数字技术[1]- [3]。因为数字接收机的再生和it功能,现在一天对模拟接收机的更好的选择。在系统的角度来看,数字接收机还提供高处理所得的参数信号的提取。使用数字信号处理(DSP)通常可以提高稳定性,和系统的整体性能,同时减少规模和成本,相比模拟方法。
雷达信号的频率是一个重要的基本参数来衡量ESM接收器。接收机的性能可以评估的频率分辨率和精度。更好的频率分辨率和精度是可取的接收器的规格。FFT是用来测量信号的频率。但计算或其他限制经常限制点FFT的数量,而相应的限制提供的估计FFT的决议。选择点数的FFT是一个权衡的收集的数据处理或计算和决议/频率的准确性。获得优良的频率分辨率和精度,许多ESM接收器使用更高的FFT点数,但硬件密集和将消耗更多的能量。
运行短FFT来实现良好的频率精度,同时是这个工作的动机。论述了数字接收机中实现一个简单的技术,实时FFT后提高频率精度和最小数量的计算。这项工作背后的概念是,在许多情况下孤立的音调的频率估计可以通过曲线拟合,辅助或插值FFT interbin能级的输出。

二世。频率插值法
曲线拟合[4],[5]构造一条曲线的过程中,或数学函数,它有最适合的一系列数据点,可能受到约束和用于直线或曲线中找到最适合的一系列的数据点。大多数时候,曲线拟合将产生一个方程,可用于任何地方找到点沿曲线。曲线拟合可以包括插值,完全适合的数据是必需的,或平滑,构造一个光滑函数,大约与数据的吻合程度。拟合曲线可以作为援助数据可视化,函数值来推断的,没有数据可用,并总结两个或两个以上变量之间的关系。插值是构建新的数据点的曲线拟合方法的范围内一组离散的数据点。通过快速傅里叶变换算法,频率的各个组件可以从它们的位置计算离散谱的分辨率取决于样本的数量。如果一个信号的实际频率不落在FFT的中心频率,几个垃圾箱附近会出现实际频率信号分量。在这种情况下,我们可以使用附近的垃圾箱的大小来确定实际的信号频率。的频率正弦分量可以提高分辨率取决于曲线拟合抛物线插值方法通过相对应的三个最大的连续光谱箱组件。最大的横坐标是更好的频率近似。 The frequency response of a FFT is shown in Fig. 1. The x-axis is the frequency bin and the y-axis is the logarithmic magnitude of the N points FFT spectrum. K-1, K and K+1 are the locations of previous peak bin, peak bin and next peak bin of the spectrum respectively. The respective logarithmic amplitudes of the bins are α, The center point p gives us interpolated peak location (in bins). The frequency resolution for N points FFT is Fs/N. The proposed FFT Curve Fitting Frequency Estimation method calculates the offset in frequency bin ‘p’ using the three maximum amplitude samples to estimate the frequency of the signal with high accuracy. The similar approaches are also published in [6], [7].
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输入频率信号的FFT频谱分析是由后正常
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三世。数字接收机技术
图2显示了ESM系统基于数字接收机技术[2]。它由接收天线覆盖的频率范围0.5 - 40 GHz。使用前端变换器这个频率范围的射频信号转换为如果500 MHz的频率带宽或1 GHz变成了数字接收机的输入。数字接收机的主要基本组件是adc和fpga。因为可用性的高速adc,高端fpga和dsp、直接抽样如果信号的频率带宽是可行的。处理500 MHz带宽信号,大部分的数字接收机采用带通采样频率约1.2 - 1.5 GHz和实时FFT的256分或512分是用来找出信号的参数。最后测量参数显示在系统显示为发射器跟踪。
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四、频率插值算法在FPGA的实现
程序在FPGA实现FFT和频率估计如图3所示。首先,从ADC采样数据锁存的FPGA。然后执行N个点FFT。FFT频谱测量的大小在对数刻度。从FFT谱三个最大振幅值α,及其对应的频率垃圾箱K - 1 K, K + 1存储。
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存储这些值以下步骤后所需的频率估计。
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诉仿真结果
执行仿真工作频率估计在MATLAB和伊势环境使用256点。在伊势的环境中,随着试验台硬件描述语言(VHDL)编写代码。选择ADC的采样频率带通采样频率为1.35 GHz。频率估计算法的性能评估不同的脉冲宽度和不同功率的信号。信号不同步骤的输入频率为0.5 MHz和RMS频率测量误差计算
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MATLAB仿真图4中显示的输出256点FFT。所选频率1200 MHz拥有200 nSec的脉冲宽度。使用正常的FFT分析测量频率误差为2.3438 MHz而使用频率估计算法测量频率误差是0.5106 MHz的MATLAB仿真图5所示的输出256点FFT。在这个模拟RMS频率测量误差计算750 - 780 MHz的频率范围的步骤0.5 MHz,使用正常的FFT分析测量的均方根误差频率为1.5231 MHz和峰值频率误差为2.6953 MHz而使用频率估计算法测量RMS频率误差为0.3459 MHz频率和峰值误差为0.8186 MHz

使用数字接收机VI。实时测试结果
频率估计算法提出了实现在Xilinx FPGA Virtex-5 LX240。ADC用于数字接收机硬件ADC08D1500。ADC的采样频率为1350 MHz的带通采样频率为750 - 1250 MHz (500 MHz带宽)频率范围的信号。算法的性能评估通过实现256点。内置管道FFT的IP核心FPGA用于光谱分析。算法分析的输出不同的频率和脉冲宽度信号的使用逻辑状态Analser (LSA)通过JTAG端口实时编程的fpga。
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图6显示了ChipscopePro 256点FFT的输出。信号的频率为1100 MHz的脉冲宽度200 nSec - -40 dBm功率。使用正常的FFT分析的测量频率为1102.00 MHz即误差2 MHz,而使用频率估计算法,测量信号的频率为1100.25 MHz即误差0.25 MHz,这些结果也显示了三个最大峰值振幅值在数据库中用于计算频率本价值的转变。图7显示了LSA 256点FFT的输出。信号的频率为1000 MHz的脉冲宽度200 nSec - -40 dBm功率。使用正常的FFT分析测量频率为1001.75 MHz即误差1.75 MHz,而使用频率估计算法测量信号的频率为1000.00 MHz即误差0 MHz

七世。FPGA资源利用率
完整的硬件描述语言(VHDL)的频率估计算法和FFT实现已经完成在Xilinx FPGA Virtex-5 LX 240。表1显示了资源利用率提出了通过这个特殊的算法。这个利用率非常少按最新的fpga片就是有大量的逻辑,公羊,和DSP片资源,[8]中描述。
图像

八世。结论
从曲线拟合提出了FFT频率估计算法的方法,可以看出有巨大的改进频率分辨率和测量精度。在256分的情况下,这种方法的频率测量精度小于0.5 MHz rms对1.56 MHz rms与普通FFT频谱分析。在fpga的FFT实现后,这种方法可以应用在以上FFT频谱精细频率测量。最小的FPGA资源,可以提高频率分辨率和精度大因素使用频率估计算法,将有助于实现良好的ESM系统基于数字接收机的电子战的应用程序。

确认
作者表达自己真诚的承认s p·弗莱德,DS & DLRL主任他不断鼓励、指导和支持这项工作。作者还想承认高级军官和他的同事们的指导和支持来执行这项工作。

引用
  1. 理查兹硕士,“基本的雷达信号处理”,纽约;山,2005
  2. 詹姆斯•徐“数字宽带接收器的技术”,Artech Inc .,诺伍德,马萨诸塞州,1995年
  3. 詹姆斯•徐“特别设计在宽带数字接收机”主题,Artech Inc .,诺伍德,马萨诸塞州,2010年
  4. Akima, h .“光滑的曲线拟合的一种方法”,艾萨科技,话务量101 - 73年美国政府印刷局,华盛顿特区。,1969年1月。
  5. “Kaleida曲线拟合图指南》,http://www.synergy.com/Tools/curvefitting.pdf
  6. b·g·奎因”估计频率通过插值使用傅里叶系数,IEEE反式。信号处理、42卷,第1268 - 1264页,1994年5月。
  7. p . Voglewede“抛物线近似确定峰值”全球DSP杂志,3(5):2004年5月,北京
  8. 从www.xilinx.com“fpga数据表”