基于FPGA的數(shù)字信道化接收機(jī)

黎琴LI Qin；楊宇宸YANG Yu-chen

（①常州國光數(shù)據(jù)通信有限公司，常州 213023；②南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京 210094）

（①Changzhou Guoguang Data Communication Co.，Ltd.，Changzhou 213023，China；②School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science&Technology，Nanjing 210094，China）

基于FPGA的數(shù)字信道化接收機(jī)

黎琴①LI Qin；楊宇宸②YANG Yu-chen

（①常州國光數(shù)據(jù)通信有限公司，常州 213023；②南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京 210094）

（①Changzhou Guoguang Data Communication Co.，Ltd.，Changzhou 213023，China；②School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science&Technology，Nanjing 210094，China）

本文提出一種基于FPGA的數(shù)字信道化接收機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對寬帶信號(hào)的中頻帶通采樣，并利用信道化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全帶寬內(nèi)任意頻帶信號(hào)的隨機(jī)檢測。為中頻帶寬信號(hào)的檢測提供了一種可行的技術(shù)方案。

信道化；接收機(jī)；FPGA

0 引言

現(xiàn)代電子戰(zhàn)接收機(jī)的主要作用是在復(fù)雜的電磁環(huán)境背景下，將反射的雷達(dá)回波信號(hào)，通過天線接收、高頻放大、下變頻、中頻濾波等一系列處理，把較低信噪比的射頻回波轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂凶銐蚰芰康囊曨l數(shù)字信號(hào)，最后將處理得到的視頻信號(hào)傳輸給后端的數(shù)據(jù)處理終端或雷達(dá)終端設(shè)備?，F(xiàn)代雷達(dá)電子戰(zhàn)的信號(hào)環(huán)境正朝著高帶寬、高變頻、數(shù)字化、自適應(yīng)的方向發(fā)展，因此發(fā)展數(shù)字化寬頻帶接收機(jī)的需求越來越大。

現(xiàn)代接收機(jī)正向著高帶寬，數(shù)字化方向發(fā)展。文獻(xiàn)[1-3]研究了數(shù)字化中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，但其僅僅研究了模擬到數(shù)字的變換原理，未對高帶寬的應(yīng)用深入研究；文獻(xiàn)[4-6]研究了數(shù)字化信道化算法，研究了如何針對數(shù)字化高帶寬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化運(yùn)算的方法，但未對中頻采樣及其理論進(jìn)行探討。本文在上述研究的基礎(chǔ)之上，重點(diǎn)研究了中頻數(shù)字化接收機(jī)對高帶寬信號(hào)的接收以及后續(xù)的高效信道化處理算法及其具體實(shí)現(xiàn)，為未來寬帶數(shù)字化中頻接收機(jī)的發(fā)展，探索一條可行之路。

1 數(shù)字化接收機(jī)

數(shù)字化接收機(jī)由模擬射頻前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)字信號(hào)處理三部分組成。其中根據(jù)ADC三種不同的采樣方式對應(yīng)了三種基本結(jié)構(gòu)的數(shù)字接收機(jī)：射頻帶通采樣數(shù)字化接收機(jī)、寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化接收機(jī)以及視頻低通采樣數(shù)字化接收機(jī)。其中應(yīng)用的最為廣泛的是視頻低通采樣數(shù)字化接收機(jī)與寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化接收機(jī)。

視頻低通采樣數(shù)字化接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。低通采樣的數(shù)字接收機(jī)模擬前端最復(fù)雜，需要利用混頻器將接收到的射頻信號(hào)下變頻到視頻，然后經(jīng)過低通濾波器以及放大器后，將回波信號(hào)放大到適合ADC采樣的幅度，最后將ADC采樣得到的數(shù)字信號(hào)送入FPGA或DSP等數(shù)字信號(hào)處理芯片進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。

圖1 視頻低通采樣數(shù)字化接收機(jī)結(jié)構(gòu)

中頻帶通采樣數(shù)字化接收機(jī)將接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過射頻濾波放大后得到的信號(hào)經(jīng)過一次混頻，下變頻到中頻，然后利用ADC對中頻信號(hào)帶通采樣，最后將采樣后的數(shù)字信號(hào)送入數(shù)字信號(hào)處理模塊進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理。中頻帶通采樣數(shù)字化接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。中頻帶通采樣數(shù)字化接收機(jī)由于在中頻對信號(hào)進(jìn)行直接處理，與視頻低通采樣數(shù)字化接收機(jī)相比，其接收信號(hào)具有正交性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此受到越來越多廣泛的應(yīng)用。

圖2 中頻帶通采樣數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于FPGA的數(shù)字信道化接收機(jī)

2.1 寬帶信道化接收機(jī)數(shù)學(xué)模型 信道化接收是目前雷達(dá)以及電子戰(zhàn)接收機(jī)的一個(gè)發(fā)展趨勢，特別是針對頻率捷變信號(hào)、跳頻信號(hào)等寬帶信號(hào)，因此如何對全帶寬內(nèi)信號(hào)的可靠接收是目前數(shù)字化接收機(jī)的一個(gè)研究重點(diǎn)。寬帶信道化接收機(jī)首先對整個(gè)帶寬內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行劃分，將整個(gè)帶寬均勻劃分為N個(gè)均勻的信道，如圖3所示。

對接收到的中頻信號(hào)在滿足如下條件下，可以進(jìn)行無失真采樣

其中f0，fs分別為信號(hào)的中心以及采樣頻率。

n為滿足式（2）的整數(shù)，B為信號(hào)帶寬。

對圖3所示的信道劃分，可以利用FFT進(jìn)行快速運(yùn)算[7，8]，其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

圖3 信道分配圖

圖4 信道化算法快速算法結(jié)構(gòu)圖

利用圖4所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行信道化處理，可以對信號(hào)進(jìn)行先抽取再運(yùn)算，因此可以大大節(jié)約硬件資源，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低系統(tǒng)的運(yùn)行頻率。

2.2 基于FPGA的信道化接收機(jī) 根據(jù)上節(jié)的分析，本節(jié)提出基于FPGA的信道化接收機(jī)模型，如圖5所示。

圖5 基于FPGA的數(shù)字信道化接收機(jī)

首先將經(jīng)過ADC采樣后得到的數(shù)字信號(hào)送入IQ解調(diào)模塊，進(jìn)行中頻IQ數(shù)字正交解調(diào)[7]，在滿足式(2)的前提下，可以以一種簡單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)字IQ解調(diào)，而省去數(shù)字硬件乘法器[7]，其具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 IQ正交解調(diào)模塊

其中，HI（ejw），HQ（ejw）分別為IQ兩支路的調(diào)相濾波器，利用圖6的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻，只需改變IQ兩支路信號(hào)的符號(hào)位，而省去硬件乘法器，因此可以提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，節(jié)約系統(tǒng)硬件資源。

對經(jīng)過解調(diào)后得到的視頻IQ兩支路數(shù)字信號(hào)送入FFT信道化算法模塊進(jìn)行信道化處理，最后對需要分析的信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)信道抽取，得到希望得到頻帶的信號(hào)。

3 結(jié)論

隨著現(xiàn)代接收機(jī)向著高帶寬，數(shù)字化方向發(fā)展?？梢詫?shí)現(xiàn)全帶寬中頻采樣的數(shù)字化接收機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代接收機(jī)的一個(gè)發(fā)展趨勢。本文提出的基于FPGA的數(shù)字信道化接收機(jī)，利用信道化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)全帶寬內(nèi)任意頻帶信號(hào)的隨機(jī)檢測。本文提出的基于FPGA的接收機(jī)為現(xiàn)代接收機(jī)的發(fā)展，探索了一條可行之路。

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Digital Channelized Receiver Based on FPGA

This paper presents a digital channelized receiver based on FPGA,which can realize IF-sampling of broadband signal,and can realize random detection of any frequency band signal in the whole bandwidth using channelized technology.It provides a feasible technical solution for intermediate frequency bandwidth signal detection.

channelized；receiver；FPGA

黎琴（1959-），女，江蘇常州人，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槎滩ㄍㄐ诺龋粭钣铄罚?990-），男，安徽合肥人，研究生，研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)等。

TP393

A

1006-4311（2014）11-0220-02