寬帶數(shù)字信道化設(shè)計

張 慶,王 玉

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.河北省財政廳,河北石家莊050000)

0 引言

在現(xiàn)代電子環(huán)境中,信號一般都具有密集化、復(fù)雜化的特點,而且占用的頻譜越來越寬,從而對寬帶數(shù)字信道化接收機(jī)實現(xiàn)高概率接收提出了高的要求。實現(xiàn)全概率信號截獲的接收機(jī)是非常需要的,而其關(guān)鍵是實時處理。由于寬帶信號接收系統(tǒng)的采樣速率很高,很難直接進(jìn)行實時處理,采用多相濾波結(jié)構(gòu)后,信道化濾波器被分解成多個支路,每個支路的數(shù)據(jù)經(jīng)過抽取后可以降低數(shù)據(jù)率,便于實現(xiàn)并行處理。

1 數(shù)字信道化原理

所謂的數(shù)字濾波器組是指具有一個共同輸入,K個輸出端的一組濾波器。如果這K個濾波器的功能是把寬帶信號s(n)均勻分成若干個(K個)子頻帶信號輸出,那么就把這種濾波器叫作信道化濾波器。

實現(xiàn)數(shù)字信道化的直接方法是設(shè)計多個單獨的濾波器,每個濾波器具有特定的中心頻率和帶寬。從理論上來說,每個濾波器都可以獨立設(shè)計,它們可具有不同的帶寬或濾波器特性。這種方法在濾波器組工作時的運(yùn)算很復(fù)雜。

對濾波器組的另一種實現(xiàn)形式就是所謂的低通型實現(xiàn),如圖1所示,其結(jié)構(gòu)與模擬信道化相似。圖1中,HLP(n)為原型低通濾波器,加權(quán)系數(shù)的作用是把第k個子頻帶(信道)移至基帶(零中頻)。

圖1 濾波器組的低通實現(xiàn)

由于數(shù)字信道化接收機(jī)的抽取器位于濾波器之后,故當(dāng)抽取率D很大或濾波器的階數(shù)比較高時,圖1所示的信道化結(jié)構(gòu)效率將非常低,利用多相濾波的概念將可以得到上述結(jié)構(gòu)的高效實現(xiàn)。

2 數(shù)字信道化設(shè)計

2.1 復(fù)信號無盲區(qū)設(shè)計

基于多相濾波器結(jié)構(gòu)的數(shù)字信道化方法由圖1所示的結(jié)構(gòu)推導(dǎo)而來,所有運(yùn)算在抽取以后進(jìn)行,因此大大降低了后面數(shù)字信號處理的實現(xiàn)難度。

一般多相濾波器在監(jiān)視整個頻段時,由于相鄰信道間往往會存在盲區(qū),有可能丟失信號,為了實現(xiàn)無盲區(qū)信號接收,信道劃分采用如圖2所示。

圖2 復(fù)信號無盲區(qū)信道劃分方式

對于復(fù)信號,均勻信道常見的劃分方式有偶型劃分和奇型劃分2種。在偶型劃分中第k個帶通濾波器中心頻率為 ωk=2πk/K,在奇型劃分中第k個帶通濾波器中心頻率為ωk=2πk/K+π/K。

2.2 實信號無盲區(qū)設(shè)計

上面的數(shù)字模型是針對輸入信號 x(n)為復(fù)信號時的結(jié)果,但實際系統(tǒng)中接收到的信號大多是實信號,針對實信號的特點,無盲區(qū)信道劃分可采取如圖3所示的信道劃分方法。這種劃分方法只取信道的正邊帶或負(fù)邊帶,不損失信息。在這種劃分方式下,第 k個信道的頻移因子可表示為:ωk=2πk/K+π/(2K),k=0,1,…,K-1。

圖3 實信號信道劃分方式

2.3 非嚴(yán)格抽樣設(shè)計

大部分文獻(xiàn)中,數(shù)字信道化模型數(shù)學(xué)推導(dǎo)都是假設(shè)數(shù)字濾波器是理想的,即濾波器不存在過渡帶。然而,由于實際濾波器過渡帶的存在以及不同信道劃分方法,易產(chǎn)生盲區(qū)。為了解決這個問題,設(shè)計濾波器時令其過渡帶寬度不大于通帶寬度,并且相鄰信道的頻譜按50%重疊,使各信道的通帶拼接后覆蓋整個監(jiān)視頻帶同時降低接收機(jī)的抽取倍數(shù),下面推導(dǎo)實信號非嚴(yán)格抽樣數(shù)字信道化設(shè)計數(shù)學(xué)模型。

第k個信道的輸出為:

若子信道數(shù)K與抽取率D的關(guān)系可以表示為K=FD,F為某個整數(shù),則對上式進(jìn)行D倍抽取有:

若假定N=KL,K為總的子信道數(shù),L為某個整數(shù),則上式可以用多相形式表示為:

令xp(m)=x(mD-p),hp(m)=hLP(mK+p)。則上式可以改寫為:

式中,h′p=h(l/F);h′p為hLP(n)的多相支路hp(l)經(jīng)F倍內(nèi)插后的結(jié)果。進(jìn)一步可把上式寫成卷積的形式:

子信道數(shù)K與抽取率D的關(guān)系可以表示為K=FD,ωk=2πk/K+π/(2K),代入上式得:

由上式可以獲得非嚴(yán)格抽樣數(shù)字信道化多相濾波結(jié)構(gòu),如圖4所示。圖4所示的數(shù)字信道化多相濾波器結(jié)構(gòu),為濾波器組的高效實現(xiàn)形式,根據(jù)需要可設(shè)定接收機(jī)的抽取倍數(shù),為工程實現(xiàn)具有一定的指導(dǎo)意義。

圖4 非嚴(yán)格抽樣數(shù)字信道化多相濾波結(jié)構(gòu)

2.4 仿真

針對實信號無盲區(qū)信道劃分方式以及非嚴(yán)格抽樣信道化設(shè)計進(jìn)行了算法仿真,仿真條件:8路數(shù)字信道化,4倍抽取,即F=2,采樣頻率Fs=640 MHz,輸入信號為線性調(diào)頻信號,帶寬B=320MHz(覆蓋范圍Fs/2),8路信道化輸出時域包絡(luò)圖形如圖5所示。從圖5中可以看出,8路信道輸出通帶相連,實現(xiàn)了無盲區(qū)信道劃分。

圖5 8路信道輸出時域包絡(luò)圖形

3 虛假信號判斷

無盲區(qū)信道劃分方式雖然可以實現(xiàn)整個頻段監(jiān)視,但容易產(chǎn)生虛假信號。單信道窄帶接收機(jī)的設(shè)計和有多個窄帶信道寬帶接收機(jī)的設(shè)計,二者有明顯的區(qū)別。在窄帶接收機(jī)中,通過改變本地振蕩器的頻率可以把信道調(diào)諧到濾波器的中心,一旦信號移到濾波器中心,瞬態(tài)響應(yīng)的影響將會最小化。在寬帶信道化接收機(jī)中,本振的頻率和濾波器的頻率都是固定的,信號可能落到濾波器的中央,也可能位于2個信道之間。此時,需進(jìn)行虛假信號判斷,這也是數(shù)字信道化設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。

當(dāng)信道中存在信號時,可根據(jù)信號的幅度及相位信息進(jìn)行綜合判斷。當(dāng)信號同時處于2個信道時,相位值會存在2π模糊問題,這時可增大輸出數(shù)據(jù)速率以消除相位模糊問題。

根據(jù)信號的幅度信息可進(jìn)行信號有無的判決,但易出現(xiàn)虛假信號。此時結(jié)合相位信息特征,可進(jìn)行虛假信號的判斷。如果信號相位值在[-π/2F,+π/2F]外,則認(rèn)為信號為虛假信號,可根據(jù)需要選擇是否給予剔除。

如采樣頻率為320 MHz,輸入信號頻率為2*π*fs/2/8*4.1的雷達(dá)脈沖信號,信號經(jīng)過8倍抽取的8路信道化(f=1),在信道4、5均有輸出,相位統(tǒng)計值分別為 1.885 0、-1.256 8,根據(jù)[-π/2F,+π/2F]原則,可把信道4輸出進(jìn)行剔除,信道4和信道5輸出時域包絡(luò)圖形如圖6所示。

圖6 信道4和信道5輸出時域包絡(luò)圖形

4 信道合并

數(shù)字信道化后存在的另一個問題是跨信道問題,這將直接導(dǎo)致某些信號頻譜發(fā)生改變。同時對于脈沖信號來說,將影響脈沖寬度等參數(shù)測量,解決辦法是信道合并。相鄰信道通帶相連,信道合并前如經(jīng)過一個低通濾波器,對通帶相連處進(jìn)行3 dB衰減,之后進(jìn)行合并,這樣既不損失單個信道的增益,合并后通帶又比較平坦,特性較優(yōu),如圖7所示。

圖7 信道合并特性圖

5 硬件實現(xiàn)

通過上述設(shè)計仿真很好地解決了系統(tǒng)設(shè)計中的多層次開發(fā)問題,能夠在統(tǒng)籌總體設(shè)計的同時兼顧算法和真實復(fù)雜信號狀態(tài)的系統(tǒng)性能分析,大大加深了設(shè)計的深度和廣度,充分地進(jìn)行了全數(shù)字仿真。使用Simulink設(shè)計工具,對硬件實現(xiàn)起到很好的指導(dǎo)作用。

設(shè)計流程主要有3步:①原理模型設(shè)定。在該設(shè)計中根據(jù)實際需求以及前面的數(shù)學(xué)推導(dǎo)模型,得到數(shù)字信道化接收機(jī)的原理框圖,為仿真提供理論依據(jù);②搭建設(shè)計Simulink模型。主要完成原理模型向Simulink仿真框圖的轉(zhuǎn)變,通過Simulink仿真,可對算法以及硬件設(shè)計的正確性進(jìn)行驗證,同時對硬件實現(xiàn)起到指導(dǎo)作用;③FPGA實現(xiàn)。參考Simulink框圖,實現(xiàn)硬件語言轉(zhuǎn)換。

6 結(jié)束語

為實現(xiàn)無盲區(qū)全頻段監(jiān)測,該文采用了無盲區(qū)信道劃分方式,同時針對實信號非嚴(yán)格抽樣模式進(jìn)行了嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo),解決了虛假信號檢測以及信號跨信道問題,對工程設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]TSUI J.寬帶數(shù)字接收機(jī)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[2]ZAHIRNIAK D R,SHARPIN D L,FIELDS T W.A Hardware-Efficient,Multirate,Digital Channelized Reciver Architecture[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1998,34(1):137-149.

[3]FIELDS T W,SHARPIN D L,TSUI J B.Digital Channelized IFM Receiver[J].IEEE MTT-S Digest,1994(5):1667-1670.

[4]楊小牛,樓才義,徐建良.軟件無線電原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[5]楊書玲,王玉林,趙 研.寬帶數(shù)字信道化EDA設(shè)計[J].無線電工程,2007,37(6):23-25.