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(cái)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(diǎn),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(shí)現(xiàn)高概率接收提出了高的要求。實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(gè)支路,每個(gè)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(shí)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(gè)共同輸入,K個(gè)輸出端的一組濾波器。如果這K個(gè)濾波器的功能是把寬帶信號s(n)均勻分成若干個(gè)(K個(gè))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(shí)現(xiàn)數(shù)字信道化的直接方法是設(shè)計(jì)多個(gè)單獨(dú)的濾波器,每個(gè)濾波器具有特定的中心頻率和帶寬。從理論上來說,每個(gè)濾波器都可以獨(dú)立設(shè)計(jì),它們可具有不同的帶寬或?yàn)V波器特性。這種方法在濾波器組工作時(shí)的運(yùn)算很復(fù)雜。

對濾波器組的另一種實(shí)現(xiàn)形式就是所謂的低通型實(shí)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(gè)子頻帶(信道)移至基帶(零中頻)。

圖1 濾波器組的低通實(shí)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?yàn)V波器的階數(shù)比較高時(shí),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(shí)現(xiàn)。

2 數(shù)字信道化設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)信號無盲區(qū)設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)難度。

一般多相濾波器在監(jiān)視整個(gè)頻段時(shí),由于相鄰信道間往往會(huì)存在盲區(qū),有可能丟失信號,為了實(shí)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(gè)帶通濾波器中心頻率為 ωk=2πk/K,在奇型劃分中第k個(gè)帶通濾波器中心頻率為ωk=2πk/K+π/K。

2.2 實(shí)信號無盲區(qū)設(shè)計(jì)

上面的數(shù)字模型是針對輸入信號 x(n)為復(fù)信號時(shí)的結(jié)果,但實(shí)際系統(tǒng)中接收到的信號大多是實(shí)信號,針對實(shí)信號的特點(diǎn),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(gè)信道的頻移因子可表示為:ωk=2πk/K+π/(2K),k=0,1,…,K-1。

圖3 實(shí)信號信道劃分方式

2.3 非嚴(yán)格抽樣設(shè)計(jì)

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(shí)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(gè)問題,設(shè)計(jì)濾波器時(shí)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(gè)監(jiān)視頻帶同時(shí)降低接收機(jī)的抽取倍數(shù),下面推導(dǎo)實(shí)信號非嚴(yán)格抽樣數(shù)字信道化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。

第k個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了無盲區(qū)信道劃分。

圖5 8路信道輸出時(shí)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(shí)現(xiàn)整個(gè)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(jì)和有多個(gè)窄帶信道寬帶接收機(jī)的設(shè)計(jì),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(huì)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(gè)信道之間。此時(shí),需進(jìn)行虛假信號判斷,這也是數(shù)字信道化設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。

當(dāng)信道中存在信號時(shí),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(shí)處于2個(gè)信道時(shí),相位值會(huì)存在2π模糊問題,這時(shí)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(shí)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(jì)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(shí)域包絡(luò)圖形如圖6所示。

圖6 信道4和信道5輸出時(shí)域包絡(luò)圖形

4 信道合并

數(shù)字信道化后存在的另一個(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)

通過上述設(shè)計(jì)仿真很好地解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的多層次開發(fā)問題,能夠在統(tǒng)籌總體設(shè)計(jì)的同時(shí)兼顧算法和真實(shí)復(fù)雜信號狀態(tài)的系統(tǒng)性能分析,大大加深了設(shè)計(jì)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(jì)工具,對硬件實(shí)現(xiàn)起到很好的指導(dǎo)作用。

設(shè)計(jì)流程主要有3步:①原理模型設(shè)定。在該設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)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(jì)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(jì)的正確性進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)對硬件實(shí)現(xiàn)起到指導(dǎo)作用;③FPGA實(shí)現(xiàn)。參考Simulink框圖,實(shí)現(xiàn)硬件語言轉(zhuǎn)換。

6 結(jié)束語

為實(shí)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(shí)針對實(shí)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(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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