采用MonoDFT測頻的單比特接收機(jī)性能分析

段國文

(海軍裝備部裝備采購中心，北京100071)

隨著電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，電子戰(zhàn)裝備對電子戰(zhàn)接收機(jī)提出了更高的要求，理想的電子戰(zhàn)接收機(jī)包括瞬時覆蓋寬的頻域、高靈敏度、大動態(tài)范圍、高截獲概率、同時多信號探測能力強(qiáng)、頻率測量準(zhǔn)確且處理全實(shí)時，但是滿足這些要求的理想接收機(jī)并不存在，現(xiàn)實(shí)過程往往是采用多種接收機(jī)類型結(jié)合的方式來兼顧各種技術(shù)指標(biāo)。

單比特接收機(jī)最早由美國空軍實(shí)驗室AFRL[1]提出，隨后一些公司開發(fā)了各種類型的單比特接收機(jī)。作為一種數(shù)字接收機(jī)類型,單比特接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)大的瞬時頻率覆蓋，處理實(shí)時，且體積小，靈敏度高，但是不具備同時多信號能力。這些特點(diǎn)都與模擬IFM接收機(jī)相似，可以作為一種新的寬帶頻率測量方法應(yīng)用于電子戰(zhàn)領(lǐng)域[2-3]。

本文首先介紹了單比特接收機(jī)的組成和單比特采樣的特點(diǎn)，然后通過Matlab仿真的方法分析了采用MonoDFT方法測頻的單比特接收機(jī)在靈敏度、相位測量等指標(biāo)上與標(biāo)準(zhǔn)DFT的差異，最后通過FPGA工具分析了采用MonoDFT處理的單比特處理算法的資源消耗和處理延遲時間。

1 單比特接收機(jī)的組成

單比特接收機(jī)基本組成如圖1所示。

從圖1可以看到,單比特接收機(jī)主要由微波通道、單比特采樣器和FPGA處理器組成。微波通道完成射頻信號的放大變頻，單比特采樣器完成中頻信號的1 bit量化，得到結(jié)果送到FPGA中進(jìn)行數(shù)字處理，完成參數(shù)測量。

圖1 單比特采樣和接收的基本組成結(jié)構(gòu)

單比特采樣器是實(shí)現(xiàn)單比特接收機(jī)的物理基礎(chǔ)，決定了整個單比特接收機(jī)的基本性能。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

單比特采樣具有以下幾個方面的特點(diǎn)：

(1)單比特采樣過程中存在大壓小的現(xiàn)象；

(2)信號的幅度信息基本消失；

(3)只有1和0，較易實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理；

(4)量化位數(shù)只有1 bit，較易實(shí)現(xiàn)高帶寬、高速率采樣。

單比特采樣的速率和射頻帶寬基本決定了單比特接收機(jī)的瞬時帶寬[4]?？偟膩碚f，單比特接收機(jī)具有采樣率高(數(shù)十億赫茲)、帶寬大的特點(diǎn)，這對后續(xù)在FPGA中完成參數(shù)測量帶來了較大的處理壓力。

2 MonoDFT測頻方法的性能分析

在單比特接收機(jī)中,對高速1 bit數(shù)據(jù)的處理算法主要包括相關(guān)法測頻、計數(shù)法測頻、頻域DFT測頻等方法，采用頻域DFT處理方法與其他處理方法相比具有靈敏度高等優(yōu)勢，因此單比特接收機(jī)一般都采用DFT處理的方法完成頻率測量。

DFT處理與其他處理方法相比，具有計算密度高、處理消耗資源大等特點(diǎn)，對高達(dá)數(shù)十億赫茲的高速單比特采樣來說，處理壓力較大。由于是單比特，其動態(tài)范圍有限，因此可以在DFT運(yùn)算中對傅里葉變換的旋轉(zhuǎn)因子 G(ejφ)=e-j2πkn/N進(jìn)行簡化[2，5-6]，簡化原則如式(2)所示。

從式(2)可以看到，經(jīng)過簡化后，在進(jìn)行DFT計算過程中只有加法和減法運(yùn)算，對DFT算法的FPGA實(shí)現(xiàn)具有重要意義，這種簡化旋轉(zhuǎn)因子的處理思想稱之為MonoDFT處理算法。

由于采用了簡化運(yùn)算，與標(biāo)準(zhǔn)DFT相比，必然會存在一定的差異，針對靈敏度、頻率、相位測量等問題利用Matlab進(jìn)行了仿真分析。

圖2是在假設(shè)10 GS/s單比特采樣，不同輸入頻率條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)DFT和MonoDFT各自得到的峰值幅度，其中虛線表示MonoDFT的峰值，從圖中可以看到MonoDFT的峰值幅度比標(biāo)準(zhǔn)DFT低0.5～1 dB左右。

假設(shè)如果沒有信號輸入，只有噪聲，可以得到256點(diǎn)DFT和MonoDFT的功率譜，如圖3所示，其中虛線部分是MonoDFT的計算結(jié)果。從圖中可見，噪聲情況下MonoDFT和DFT結(jié)果相比功率譜幅度基本保持一致。

從上面分析可見，采用了MonoDFT測頻方法的單比特接收機(jī)，在進(jìn)行信號檢測過程中,與采用標(biāo)準(zhǔn)DFT相比會損失約1 dB。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)256點(diǎn)DFT和MonoDFT(虛線)在不同頻率點(diǎn)幅度響應(yīng)比較圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)256點(diǎn)DFT和MonoDFT(虛線)在輸入白噪聲情況下最大幅度比較圖

按照數(shù)字接收機(jī)靈敏度常用計算公式[1]：

其中：Lum是失配損耗,從圖2中可以看到,其值為 3 dB；D為檢測系數(shù)，一般按14 dB計算；NF為通道噪聲系數(shù)，取6 dB；B為處理帶寬，單位MHz，D為數(shù)字處理積累時間t的倒數(shù)；假設(shè)按照單比特采樣率為10 GS/s計算，對256點(diǎn)MonoDFT運(yùn)算的處理每幀的積累時間為25 ns。

另外考慮到MonoDFT會損失1 dB，微波通道的幅頻不平坦度±2 dB，通過式(3)計算后可以得到，在 10 GS/s采樣情況下,256點(diǎn)MonoDFT測頻方法的靈敏度約為-70 dBm。

一般利用DFT測頻過程中,希望可以獲得相位信息，可用于精測頻、比相等。采用標(biāo)準(zhǔn)DFT和MonoDFT方法測量的相位值之差，在不同信噪比條件下的結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看到，采用MonoDFT方法，隨著信噪比的降低，二者之間的測量誤差會增大，但總的來說誤差值較小。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)DFT和MonoDFT測量相位差值

從上面的分析可以看到，采用MonoDFT方法可以有效地測量信號的頻率和相位信息，其具體性能與標(biāo)準(zhǔn)DFT相當(dāng)。

3 FPGA實(shí)現(xiàn)

利用FPGA如何實(shí)現(xiàn)MonoDFT是單比特數(shù)字接收機(jī)的關(guān)鍵，假設(shè)對于10 GS/s采樣的高速單比特數(shù)據(jù)，其FPGA處理采用如圖5所示的處理框圖[3]。

圖5 FPGA處理算法框圖

圖中接收模塊主要是和外部串并轉(zhuǎn)換器配合，將10 GS/s高速單比特數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為156 MHz速率，64 bit寬的數(shù)據(jù)，便于后續(xù)FPGA進(jìn)行進(jìn)一步的處理；

在計算256點(diǎn)MonoDFT過程中，采用分幀處理的方式實(shí)現(xiàn)，每幀時間 25 ns，在每計算一個 256點(diǎn) DFT之前首先收集滿256個數(shù)據(jù)，然后再按照圖6所示的MonoDFT實(shí)現(xiàn)方法計算k=1～128的DFT結(jié)果。

圖6 MonoDFT實(shí)現(xiàn)框圖

利用VHDL語言實(shí)現(xiàn)了圖4中的處理算法，并在ISE工具中進(jìn)行了布局布線，利用一片XC5VSX95T芯片實(shí)現(xiàn)單比特處理算法所需要的資源如表1所示。

從表1中可以看到，利用256點(diǎn)MonoDFT完成測頻的單比特處理算法，需要消耗一片SC5VSX95T大約31%的邏輯資源，其他方面的資源則消耗較少。

在完成算法同時利用ModelSim仿真工具對圖4中的處理延遲進(jìn)行分析，得到結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看到,采用256點(diǎn)MonoDFT方法實(shí)現(xiàn)頻率測量，延遲時間約為450 ns。

表1 完成單比特處理算法的FPGA資源消耗表

圖7 利用ModelSim得到的仿真結(jié)果

4 總結(jié)與展望

從上面的分析可以看到，采用MonoDFT方法實(shí)現(xiàn)單比特的頻率測量，可以獲得與標(biāo)準(zhǔn)DFT測頻方法相近的性能，而在FPGA實(shí)現(xiàn)過程中則主要消耗邏輯資源，與標(biāo)準(zhǔn)DFT相比消耗資源大大降低。

如果采用不同長度的積累時間，則在靈敏度、處理延遲時間、資源消耗等方面得到不同的結(jié)果，采用本文中同樣的分析方式，在不同長度MonoDFT具體性能如表2所示。

表2 采樣率10GS/s下不同MonoDFT點(diǎn)數(shù)的性能

從表2可以看到，靈敏度、處理延遲時間是相互制約的，頻率分辨率是積累時間的倒數(shù)；如果要求處理延遲時間小，則會降低靈敏度，減小積累時間，降低頻率分辨率。在實(shí)際具體應(yīng)用過程中，需要根據(jù)不同的應(yīng)用場合要求,綜合各方面因素選擇合適長度的MonoDFT算法。

單比特數(shù)字接收機(jī)采用單比特MonoDFT的處理方法，以較小的體積和處理資源，可以獲得較大的瞬時覆蓋帶寬、較高的靈敏度和較快的處理延遲時間，且具備數(shù)字處理的靈活性，能夠在一個單片F(xiàn)PGA中就可以實(shí)現(xiàn)全部的數(shù)字處理功能。作為一種寬帶接收機(jī)，同模擬IFM相比具有靈敏度高的優(yōu)勢，同時多信號環(huán)境下不會測量錯誤等多方面優(yōu)勢，目前世界上一些電子戰(zhàn)公司都將單比特接收機(jī)作為未來寬帶接收機(jī)的一種解決方案，相信在不久的將來，隨著國內(nèi)高速單比特采樣、處理架構(gòu)等方面技術(shù)的成熟，單比特接收機(jī)將應(yīng)用到電子戰(zhàn)的各個領(lǐng)域中去。

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