馬元良

（青海民族大學(xué)，西寧 810007）

0 引言

數(shù)字信道化技術(shù)在軟件無線電系統(tǒng)和寬帶數(shù)字接收機(jī)中使用較為普遍，該技術(shù)的應(yīng)用可以將高速采集到的數(shù)據(jù)均勻分配到各個子帶信道進(jìn)行同時處理，且彼此之間具有獨(dú)立性。數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)設(shè)計是該技術(shù)能否工程化實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)，即在考慮可實(shí)現(xiàn)問題上，需要采用高效結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。由于信道化處理通常會耗費(fèi)很大的運(yùn)算量和硬件資源，因此如何高效地實(shí)現(xiàn)信道化過程一直是電子通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn) 。本文重點(diǎn)研究數(shù)字信道化的高效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)以及FPGA實(shí)現(xiàn)問題。

1 數(shù)字信道化方法研究

1.1 基于多相濾波結(jié)構(gòu)的數(shù)字信道化

多相濾波結(jié)構(gòu)是從低通結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換而來的，令s(n)為輸入信號，h(n)為低通濾波器沖激響應(yīng)，假設(shè)均勻劃分為K個信道，抽取比為D，在采用臨界抽取條件下，即K=D，可以由低通結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出多相濾波結(jié)構(gòu)，則第K路信道的輸出為[2～4]

如果假設(shè)信號D倍抽取后多相結(jié)構(gòu)表達(dá)式為（sp(m)=s(mD-p)，而多相濾波器分量表達(dá)式為（hp(m)=h(mD-p) ，用 帶入公式中，可得：

圖1 數(shù)字信道化高效結(jié)構(gòu)

從低通結(jié)構(gòu)到多相結(jié)構(gòu)的推導(dǎo)和轉(zhuǎn)換過程，可得到高效信道化接收模型，如圖1所示。

該轉(zhuǎn)換中首先將高速A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行D倍抽取，并將抽取置于混頻之前，然后再混頻、濾波，之后采用DFT結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。利用FFT代替DFT，可提高數(shù)據(jù)處理速度，同時多相結(jié)構(gòu)濾波器階數(shù)僅為低通結(jié)構(gòu)濾波器階輸?shù)?/D倍，節(jié)省了大量硬件資源，充分體現(xiàn)了該結(jié)構(gòu)的高效性[5]。

1.2 基于短時傅立葉變換的數(shù)字信道化

短時傅立葉變換也稱為加窗傅立葉變換，是對信號時域加窗后再做傅立葉變換求信號的局部譜，其定義為：

其中ω*(m-n)為時間窗；m為時間窗的延遲參數(shù)。信號通過濾波器組，可以看成信號與此濾波器組的卷積，即每個頻率分量均為信號與某個相應(yīng)濾波器的卷積結(jié)果，即采用FFT方法實(shí)現(xiàn)該種濾波器組。短時傅立葉變換是通過矩形滑動窗去截取采樣信號，窗長度為N，對截取后的信號進(jìn)行FFT。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)率與輸出數(shù)據(jù)率相同時，每輸入數(shù)據(jù)滑動一點(diǎn)，則做一次FFT，其輸出為

圖2 短時傅立葉變換信道化結(jié)構(gòu)

根據(jù)短時傅立葉變換推導(dǎo)可以得到該信道化結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)角度看，同樣可采用基于多相濾波的方法和結(jié)構(gòu)，只是需要用窗函數(shù)代替其中的補(bǔ)零濾波器，基于STFT的方法具有靈活性，只要輸出數(shù)據(jù)率滿足帶寬要求，輸出數(shù)據(jù)率便可靈活改變，而多相濾波結(jié)構(gòu)輸出數(shù)據(jù)率只能為信道寬度的F倍。但是就硬件實(shí)現(xiàn)來說，這種方法不能用同一個時鐘工作；而多相濾波結(jié)構(gòu)方法可以用同一個時鐘工作，易于實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)

數(shù)字信道化設(shè)計指標(biāo)如下：

1）采樣率：0.8GHz；

2）無模糊帶寬：400MHz；

3）子信道數(shù)：8；

4）濾波器阻帶衰減：≧60dB；

針對以上設(shè)計指標(biāo)，本設(shè)計采用了ATMEL公司模數(shù)轉(zhuǎn)換器AT84AS003，采樣精度10Bits，最高采樣率1.5Gsps，F(xiàn)PGA采用了ALTERA公司StratixII系列EP2S60芯片。數(shù)字信道化在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，選擇多相濾波結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)無模糊帶寬400MHz、子帶數(shù)目為8，可知子帶寬度為50MHz。按照實(shí)信號信道化分結(jié)構(gòu)，實(shí)信號濾波器組劃分結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 實(shí)信號濾波器組信道劃分

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)多相濾波結(jié)構(gòu)，原型濾波器按照通帶頻率25MHz，截止帶頻率30MHz，阻帶衰減60dB設(shè)計，原型濾波器階數(shù)為316階?？紤]到該芯片乘法器資源有限，為了減少乘法器的使用，該部分采用分布式算法實(shí)現(xiàn)FIR濾波，無需占用乘法器資源。復(fù)系數(shù)乘法和8點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT采用乘法器實(shí)現(xiàn)。表1給出了FPGA實(shí)現(xiàn)該數(shù)字信道化接收機(jī)系統(tǒng)資源占用情況。

表1 系統(tǒng)FPGA資源占用情況

3 系統(tǒng)仿真

輸入信號分別為正弦信號和LFM信號，具體參數(shù)如下：正弦信號頻率89MHz；LFM信號：中心頻率443MHz，調(diào)制帶寬6MHz。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 各子帶信道輸出結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看到：LFM信號出現(xiàn)在信道0，正弦信號出現(xiàn)在信道3。對照圖2所示的信道劃分結(jié)構(gòu)，可知該仿真結(jié)果與實(shí)際信道劃分結(jié)構(gòu)相符，信道化輸出結(jié)果正確。

4 結(jié)論

本文介紹了一種數(shù)字信道化高效結(jié)構(gòu)的FPGA實(shí)現(xiàn)方法，分別對多相濾波結(jié)構(gòu)和短時傅立葉變換結(jié)構(gòu)兩種信道化技術(shù)進(jìn)行了分析對比。設(shè)計了一個實(shí)際的數(shù)字信道化系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)仿真和實(shí)際系統(tǒng)測試，驗(yàn)證了該數(shù)字信道化結(jié)果的正確性。由于該數(shù)字信道化基于軟件無線電設(shè)計思想，對于不同的技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)，只需改變部分軟件程序即可實(shí)現(xiàn)，因此具有一定的通用性和實(shí)用價值。

[1] James Tsui.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.hardwar-eefficient,multirate,digital channelized receiver architecture[J].Aerospace and Electronic Systems,IEEE Transactions on.Volume 34,Issue 1,Jan.1998 Page(s):137-152.

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

[4] HARRIS F,DICK C,RICE M.Digital receivers and transmitters using polyphase filter banks for wireless communications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2003,51(4):1395-1412.

[5] 張文旭,司錫才,孫強(qiáng)毅.一種高效信道化接收機(jī)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008.11.

[6] Maharatna,K.;Banerjee,S.;Grass, E.;Krstic, M.;Troya,A.Modified virtually scaling-free adaptive CORDIC rotator algorithm and architecture[J].Circuits and Systems for Video Technology,IEEE Transactions on.Volume 15,Issue 11,Nov.2005 Page(s):1463-1474.

[7] Gruciiala,H.;Slowik,A.The complex signals instantaneous frequency measurement using multichannel IFM systems[C].