一种脉冲信号检测方法的设计与实现

摘要：针对信号分析仪脉冲信号的检测定位需求，本文设计并实现了一种有效的脉冲信号检测方法。该方法包括预处理、阈值运算和条件筛选等处理单元，总体算法复杂度较小，方便工程应用。实例测试结果表明该方法具有较好的检测效果，能够实现了脉冲位置的准确检测。该方法已经应用于信号分析仪脉冲信号分析功能中，为后续准确进行脉冲信号参数测量提供了基础。

关键词：信号分析仪；脉冲信号；脉冲检测；阈值

Abstract： Aiming at the detection and positioning requirements of signal analyzer pulse signal， an effective pulse signal detection method is designed and implemented in this paper. The method includes preprocessing， threshold operation and condition screen module， the overall algorithm complexity is mall， convenient for engineering applications. The test results show that this method has a good detection effect and can realize the accurate detection of pulse position. This method has been applied to the pulse signal analysis function of the signal analyzer， and provides a basis for the accurate measurement of pulse signal parameters.

Keywords： signal analyzer； pulse signal； pulse detection； threshold

1 引言

现代信号分析仪采集的脉冲信号数据中有时会存在成千上万脉冲组成的脉冲序列，并且每个脉冲的脉宽、周期、功率、调制等信息可能都不相同，这就需要对每个脉冲进行波形及调制等参数的测量，考察脉冲之间的参数趋势变化等[1]。为了实现对脉冲信号各种特征参数的测量分析，首先是要进行脉冲信号的快速检测，准确定位出脉冲序列中每个脉冲信号所在时间轴上的位置区间，才能提取出时间区间内的脉冲采样数据进行特征参数的测量分析。由于脉冲信号具有振铃、下垂和纹波等复杂特征，且易受噪声毛刺等影响，因此对脉冲的准确无误检测是一件困难的事情。目前脉冲信号检测的方法比较多，如小波变换检测法[2]、自相关检测法以及高阶谱检测法等方法[3]，但算法复杂度高，计算量大，不能够满足信号分析仪实时测试分析的工程应用需求，也无法实现对指定特征条件的脉冲信号进行筛选检测。针对这些问题，本文设计了一种脉冲信号检测方法，能够快速准确地检测出脉冲，并可实现对指定脉冲的测量分析。

2 实现原理

本文脉冲信号检测方法的基本原理如图1所示，包含预处理单元、阈值检测单元和条件筛选单元。输入信号数据为脉冲信号经过信号分析仪变频接收、采样量化和数字下变频后产生的基带IQ数据。

信号预处理单元包含包络检波、信噪比估计和平滑滤波三个处理模块。包络检波模块实现对输入信号的包络幅度计算，计算得到的信号包络幅度数据作为后续处理的数据。信噪比估计模块实现对信号的包络检波数据进行信号和噪声之间比值的估计，并将信噪比量值作为后续执行统计和滤波处理的判断条件。平滑滤波模块实现对信号包络检波数据进行移动多点平均处理，以提高信号的信噪比，达到对低信噪比脉冲信号的检测能力。

阈值检测单元包含阈值计算、边沿检测两个处理模块。阈值计算模块实现对经过预处理后的信号包络数据进行阈值计算，根据阈值类型，建立合适的检测阈值。边沿检测模块实现对脉冲信号中每个脉冲过渡边沿的检测，利用阈值条件完成边沿过渡点的判断，并保存所有过渡边沿时间上的位置信息。

条件筛选单元包含噪声毛刺消除、幅度缺口消除、功率条件筛选和时间条件筛选四个处理模块。脉内调制类型多样，还需要从细微特征判断分析【3】。噪声毛刺消除模块实现对边沿信息中噪声毛刺的判断和消除，通过此处理来减少将噪声毛刺误判为脉冲的情况。幅度缺口消除模块实现对脉冲内部幅度凹陷的判断和消除，以减少将幅度缺口边沿误判为脉冲边沿的情况。功率条件筛选模块和时间条件筛选模块只对满足功率及时间条件的脉冲信号进行检测，以达到对指定特定功率和时间特性的脉冲的检测分析。

3 设计实现

本文脉冲信号检测方法的步骤包括如下九个步骤，算法流程图如图2所示。

步骤1：包络检波。对输入信号进行包络检波，求取信号的幅度。对于正交采样得到的信号IQ数据，可通过下式计算信号包络幅度：

其中Av（i）为第i个数据点对应的包络检波电压，i = 1，2，3，…，Nsample，Nsample为采样数据长度。

步骤2：信噪比估计。根据脉冲信号的包络检波数据，计算信号和噪声之间的比值，估计出脉冲信号的信噪比[6]。为了提高检测效率，该信噪比量值将用于决定后续平滑滤波的执行条件，以提高检测效率。

步骤3：平滑滤波。通过移动平均平滑滤波器来进行平滑滤波，根据如下公式，把每个数据点及两侧各n个数据点的数据平均值作为平滑滤波器的输出结果，并保存经过平滑滤波后的脉冲信号包络数据。当数据点一侧的点数不够n个时，则该侧点数按实际能够取到的点数计算。

步骤4：阈值计算。将脉冲边沿检测的检测阈值记录为Levelthresh，统计脉冲信号包络幅度数据，查找出包络数据最大值Amax和最小值Amin，将幅度数据分成Nhist个统计区间，则统计区间为Nhist= 取整[（Amax-Amin）/幅度分辨率]。统计区间数越大，则幅度统计精度越高，但也会花费更多的统计时间。为兼顾统计精度和时间，可将统计区间数Nhist固定。幅度直方图统计完成后，根据直方图统计特性，采用密度分布法【5】获得脉冲信号包络数据的顶值Atop和底值Abase，并由此计算出脉冲信号的幅值信息（Atop-Abase）。根据脉冲幅度信息来建立合适的检测阈值，Levelthresh=（Atop-Abase）*X，其中X取值在0.1～0.9之间。

步骤5：边沿检测。阈值确定以后，根据脉冲信号包络幅度数据，由阈值Levelthresh来检测脉冲信号的上升沿和下降沿位置。判断脉冲边沿上连续多个采样数据点的幅度变化趋势，三个采样点的幅度分别记录为A1、A2和A3，如果A1小于或等于阈值Levelthresh，A2和A3均大于阈值Levelthresh，并且A3> A2> A1，则将该边沿记录为上升沿；如果A3小于或等于阈值Levelthresh，A1和A2均大于阈值，并且A3< A2< A1，则将该边沿记录为下降沿；以此类推，检测出所有符合阈值条件的脉冲边沿，并保存脉冲边沿信息。

步骤6：噪声毛刺消除。对于由噪声引起的尖锐起伏构成的毛刺，大于检测阈值的毛刺会被误判为有用脉冲，因此要对步骤5得到的脉冲边沿信息进行毛刺消除。计算每个上升沿和下降沿之间的采样数据个数为Npulse，对于噪声引起的毛刺，毛刺的两个边沿间多个连续采样点同时大于阈值的概率相对于真正脉冲来说是很低的[4]，因此通过判断Npulse是否小于一定的点数，可以达到消除毛刺的目的。将不满足条件的脉冲记录为毛刺，并从脉冲边沿信息表中去除对应的边沿信息。

步骤7：幅度缺口消除。对脉冲内部由幅度尖锐的起伏构成缺口，当缺口边沿小于检测阈值时会被误判为脉冲的边沿，从而导致脉冲边沿检测不正确，因此要对需要步骤6得到的脉冲边沿信息进行进一步的幅度缺口消除处理。计算每个脉冲下降沿和上升沿之间的采样数据个数为Noff，对于由幅度起伏引起的缺口，缺口的两个边沿间多个连续采样点同时小于阈值的概率相对于真正脉冲来说是很低的，因此通过判断Noff是否小于一定的点数，可以达到消除缺口的目的，将不满足条件的下降沿和上升沿记录为缺口的边沿，并从脉冲边沿信息表中去除对应的边沿信息。

步骤8功率条件筛选。经过之前的步骤后，获得了准确的脉冲边沿信息。根据实际测试中功率电平的要求，对每个脉冲的功率特性进行判断，假设功率电平限制条件为Levellimit，将每个脉冲边沿之间的功率电平与限定电平进行比较，当脉内电平大于限制电平Levellimit时，记录此脉冲边沿，以此类推，判断所有脉冲，并保存满足功率电平限定条件的脉冲边沿信息，完成对指定功率电平的脉冲的检测分析。

步骤9：时间条件筛选。时间条件筛选部分实现对满足给定脉宽时间、关闭时间等条件的脉冲的检测。设定脉宽最小值为PWmin，脉宽最大值为PWmax，关闭时间最小值为OffTimemin。计算检测到的脉冲宽度和关闭时间，并分别记录为PW[i]和OFFT[i]，i = 1，2，3…N，N为脉冲个数。对每个脉冲宽度PW[i]进行判断，当脉冲宽度PW[i]>= PWmin并且PW[i]<= PWmax时，保存此脉冲边沿信息，否则，去除此脉冲的边沿信息。对每个脉冲关闭时间OFFT[i]进行判断，当OFFT[i]>= OffTimemin时，保存此边沿信息，否则，去除此边沿信息。以此类推，判断所有脉冲的时间条件，并保存满足时间条件的脉冲边沿信息，完成对指定特定时间特性的脉冲的检测分析。

4实现效果

实例1：输入频率1GHz，功率0dBm，脉内线性调频，上升时间100ns，下降时间100ns，脉宽1us，关闭时间10us，采样带宽50MHz，采样时间60us。检测结果如表1所示，使用本文方法实际检测到5个脉冲，每个脉冲的上升时间和下降时间测试结果均在5%以内，检测效果较好。

实例2：输入频率1GHz，-22dBm，脉内无调制，上升时间50ns，下降时间50ns，脉宽1us，关闭时间10us，采样带宽100MHz，采样时间50us。检测结果如表2所示，使用本文方法实际检测到4个脉冲，时间测量误差均在5%以内，检测结果与信号设置符合。

5结论

本文从工程应用中信号分析仪脉冲信号的检测定位实际需求入手，设计并实现了一种脉冲信号检测方法，给出了具体的实现步骤，并通过实例说明了该方法具有较好的检测效果。该方法已经应用于信号分析仪脉冲信号分析功能中，能够实现了脉冲信号的实时检测定位，为后续准确进行脉冲信号参数测量提供了基础。

参考文献

[1]沙祥.脉内分析综述.现代电子，1998，65（4）：1-8.

[2]吴江标，万方，郁春来．基于小波变换法的相位编码信号脉内特征提取[J]．航天电子对抗，2005，21（3）：38-40．

[3]冯学良，刘震.基于相关算法的脉冲信号检测性能分析[Ｊ].电讯技术，2008，48（7）：80-83.

[4]郭伟民， 陈曙光. 一种改进的脉冲幅度比较测量法[J]. 信息与电子工程，2005，3（2）：118-122.

[5]刘东霞，赵国庆． 脉内调制信号参数测量与分析[J]．现代雷达，2003，25（ 11） ：17-20.

[6]王军. 一种宽带脉冲信号检测算法[J]. 实验科学与技术，2010，8（1）：4-6.