基于寬帶陣列的數(shù)字信道化接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅進(jìn)川, 朱然剛, 鄧武振

（1 中電集團(tuán)38所 安徽合肥 230037；2 解放軍電子工程學(xué)院 安徽合肥 230037；3 南昌陸軍學(xué)院 江西南昌 330103）

0 引言

數(shù)字陣列接收機(jī)相對于傳統(tǒng)接收機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)，諸如能降低對數(shù)字接收機(jī)動態(tài)范圍的要求，易于實(shí)現(xiàn)超低副瓣，易于實(shí)現(xiàn)同時(shí)多功能，易于實(shí)現(xiàn)軟件化，易于實(shí)現(xiàn)寬帶相控陣寬角掃描，提高強(qiáng)雜波背景中弱小目標(biāo)檢測能力等等。而對于電子對抗偵察系統(tǒng)，總是希望接收機(jī)有足夠的帶寬，覆蓋足夠頻譜寬度，以截獲感興趣的信號進(jìn)行分析處理——在帶寬太寬的時(shí)候，接收機(jī)的靈敏度會降低，對于小信號難以檢測；同時(shí)對于陣列接收機(jī)來說，在很寬的頻段內(nèi)保持多路接收機(jī)之間的一致性是很困難的[1-2]。綜合考慮，就是選取適當(dāng)?shù)慕邮諜C(jī)帶寬，力爭接收機(jī)的頻譜覆蓋最大化，以減少設(shè)備量。同時(shí)，對接收后的信號進(jìn)行頻段細(xì)化，易于實(shí)現(xiàn)多個(gè)接收通道之間的不一致進(jìn)行補(bǔ)償，對數(shù)字波束的形成是有利的；對接收機(jī)頻段細(xì)分，易于提高信號的信噪比，對于微弱信號的檢測時(shí)有利的；而且采用數(shù)字化的處理方法，易于實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的軟件化，對實(shí)現(xiàn)波束的快速切換和信道的快速切換是有利的。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，本文采用在AD采樣之后用數(shù)字信道化的方法進(jìn)行接收處理。下面就實(shí)際工程中的實(shí)踐討論信道化的一種實(shí)現(xiàn)方法并仿真分析試驗(yàn)結(jié)果，最后給出了所設(shè)計(jì)的多通道接收機(jī)的實(shí)物。

1 數(shù)字信道化接收機(jī)的基本思想

信道化接收機(jī)的基本原理是對感興趣的帶寬范圍內(nèi)的全頻帶進(jìn)行分割，即用一組性能相同的帶通濾波器組將全頻帶劃分為一系列的子頻帶[3]。濾波器組對各個(gè)子頻帶的輸出反映了信號的頻率信息，且采用濾波器組的方法能夠提高每個(gè)信道內(nèi)信號的信噪比，有利于信號檢測和信號特征分析。信道化有多種結(jié)構(gòu)和不同的實(shí)現(xiàn)方法，但是最終都是歸結(jié)于等效成多個(gè)濾波器對頻段進(jìn)行濾波分割。

2 用頻域抽取法實(shí)現(xiàn)頻域信道化

圖1 FFT系數(shù)作為濾波器的頻率響應(yīng)

以N等于32為例子，如果構(gòu)建由32個(gè)濾波器并聯(lián)組成的濾波器陣列，濾波器的濾波系數(shù)分別為hk[n]，如圖2所示。

圖2 用FFT的32組系數(shù)作為濾波器組

32個(gè)濾波器的輸出覆蓋了輸入信號的整個(gè)頻段，實(shí)現(xiàn)了對信號的32頻帶分割，實(shí)現(xiàn)了信道化處理，如圖3所示。

圖3 32個(gè)濾波器的頻域覆蓋圖

以上基于FFT的方法，用FFT實(shí)現(xiàn)信道化，需要大量的運(yùn)算，在目前硬件水平下，實(shí)現(xiàn)較為困難[4]。并且每個(gè)通道的濾波器過渡特性不好，旁瓣過高，每個(gè)信道的動態(tài)不高，不能實(shí)現(xiàn)信道之間很好的隔離，也就是在一個(gè)信道中的信號會泄露到臨近信道中去[5]。實(shí)際工程中，有時(shí)候需要的不僅僅是信道劃分越細(xì)越好，而是需要關(guān)心每個(gè)信道的濾波器形狀，主要就是信道之間的隔離度，良好的濾波器形狀有利于跨信道信號的檢測。

以上面N=32的情況為例，假設(shè)我們只需要4信道就足夠了。不妨就取k=0、8、16、24時(shí)為我們所需要的信道，如圖4所示。

圖4 抽取出的四個(gè)濾波器的頻率響應(yīng)

這樣運(yùn)算量就減少為原來的1/8。但是帶來的問題是FFT濾波器組不能覆蓋輸入信號中的全部頻率成分，濾波器出現(xiàn)了空洞，出現(xiàn)在空洞中頻率的信號就不能被檢測，并且濾波器的特性仍然沒有得到改善，旁瓣仍然過高，如圖4所示。

對濾波器系數(shù)加窗可以改善濾波器的頻率響應(yīng)，時(shí)域加窗對應(yīng)于頻率域卷，可以展寬濾波器帶寬。對于我們選中的4個(gè)輸出，只要把每個(gè)輸出的濾波器寬度擴(kuò)展為頻帶的1/4，就可以解決頻率漏洞問題，為此設(shè)計(jì)一個(gè)32點(diǎn)的濾波器，其通帶為整個(gè)頻段寬度的1/4，截止頻率為整個(gè)頻段寬度的1/8，得到32個(gè)系數(shù)w[n]，和圖4中的hk[n]加窗后作為濾波器系數(shù)，如圖5所示。

圖5 對抽取的四個(gè)信道進(jìn)行加窗

可以得到濾波器的輸出結(jié)果如圖6所示。作為對比，可以看到經(jīng)過加窗以后，抽取出的4個(gè)濾波器的帶寬展寬，覆蓋了信號的整個(gè)頻帶，不再有頻域漏洞現(xiàn)象，且濾波器的形狀也變得很好，副瓣降低。

對hk[n]采用加窗的辦法實(shí)現(xiàn)了信道化的目的，但是不能充分利用高效FFT的優(yōu)點(diǎn)，不妨把加窗函數(shù)往前移動，形成如圖7所示的結(jié)構(gòu)，以期望能利用FFT算法的高效性。

圖6 抽取的四個(gè)信道加窗后的頻率響應(yīng)

圖7 加窗函數(shù)前移

下面以N=32為例加以推導(dǎo)[1]。

這樣就把加窗FFT四個(gè)抽頭輸出轉(zhuǎn)化成了新輸入z[n]的4點(diǎn)FFT運(yùn)算，可充分利用FFT高效運(yùn)算特點(diǎn)。于是可以用如下的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)4點(diǎn)的信道化處理，如圖8所示。

圖8 加窗函數(shù)前移后等效結(jié)構(gòu)圖

其中 Hk[n]={w[4n+k]|n=0、1、 2…7}

3 多級信道化數(shù)字接收機(jī)

采用頻域抽取的方法對信號進(jìn)行頻域分割，可以有效降低運(yùn)算量，有利于在FPGA器件中實(shí)現(xiàn)，但是當(dāng)信號的帶寬過于寬時(shí)，粗略的信道分割還不能有效提高檢測微弱信號的能力，需要提高信道的分辨率，這可以通過把信道分割之后的信道再次進(jìn)行信道化分割，直到滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為止。采用多級信道化的方法，只要恰當(dāng)選取各級信道化信道分割的信道數(shù)，能有效減少資源需求量[6]，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)信道瞬時(shí)頻段覆蓋的寬度的快速切換，兼顧寬頻掃描和頻譜精細(xì)分析。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了一款寬帶信道化接收機(jī)，部分實(shí)物照片如圖9所示。

圖9 20路寬帶信道化接收機(jī)實(shí)物圖

該接收機(jī)實(shí)現(xiàn)了對瞬時(shí)400 MHz帶寬信號的16信道的初級信道化處理，其頂層示意圖如圖10所示。其中，輸入的IQ信號先經(jīng)過128點(diǎn)加窗以后，進(jìn)入一個(gè)16點(diǎn)的FFT運(yùn)算模塊，輸出16個(gè)子帶信號，其對一個(gè)寬帶線性調(diào)頻脈沖的信道化輸出如圖11所示，其中上面為輸入信號波形，下面為信道化IQ輸出的結(jié)果。可以看到隨輸入信號頻率的線性增加，在16個(gè)子帶中依次輸出一個(gè)線性調(diào)頻子脈沖。

圖10 FPGA信道化設(shè)計(jì)邏輯模塊示意圖

圖11 信道化處理結(jié)果示意圖

4 應(yīng)用分析

成功應(yīng)用于某多波束陣列接收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程對雷達(dá)脈沖信號的檢測。本文基于工程實(shí)踐，探討了信道化的一種實(shí)現(xiàn)途徑，給出了總體思路及實(shí)例。該信道化方法劃分頻率子帶，能有效提高輸出子帶信號的信噪比，有利于信號的檢測和分析。同時(shí)，本文為超寬帶信號檢測分析和超高速跳頻信號解析提供了實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)硬件平臺的實(shí)踐參考，具有重要借鑒意義。

寬帶信道化接收機(jī)也還存在一些問題，比如兔耳效應(yīng)問題，定點(diǎn)運(yùn)算數(shù)據(jù)截?cái)鄦栴}等。另外，由于信道化以后有較高的處理增益，前端AD轉(zhuǎn)換器的抗混疊濾波器必須確保在對應(yīng)頻段外有足夠的信號抑制，否則在子帶信噪比提高以后，信道的輸出會出現(xiàn)大量的虛假信號。以上這些問題還需進(jìn)一步探討。

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

[2]付永慶,李裕.基于多相濾波器的信道化接收及其應(yīng)用研究[J].信號處理, 2004,20(5).

[3]Sanjit K, Mitra.數(shù)字信號處理——基于計(jì)算機(jī)的方法[M].2版.孫洪 譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[4]朱然剛,王梅.超寬帶信號監(jiān)測處理中關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電光與控制,2009(4).

[5]蘇濤.并行處理技術(shù)在雷達(dá)信號處理中的應(yīng)用研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),1999.

[6]洪路峰,楊曉非.OFDM系統(tǒng)中同步問題研究[J].電子測試,2009(7).

[7]魏旭光,任輝.寬帶數(shù)字接收機(jī)的研究及實(shí)現(xiàn)[J].國外電子元器件,2009(9).

[8]郜麗鵬,王浩.寬帶信道化接收機(jī)研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù),2011(6).