基于寬帶陣列的數字信道化接收機設計與實現

羅進川, 朱然剛, 鄧武振

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

0 引言

數字陣列接收機相對于傳統接收機有許多優點，諸如能降低對數字接收機動態范圍的要求，易于實現超低副瓣，易于實現同時多功能，易于實現軟件化，易于實現寬帶相控陣寬角掃描，提高強雜波背景中弱小目標檢測能力等等。而對于電子對抗偵察系統，總是希望接收機有足夠的帶寬，覆蓋足夠頻譜寬度，以截獲感興趣的信號進行分析處理——在帶寬太寬的時候，接收機的靈敏度會降低，對于小信號難以檢測；同時對于陣列接收機來說，在很寬的頻段內保持多路接收機之間的一致性是很困難的[1-2]。綜合考慮，就是選取適當的接收機帶寬，力爭接收機的頻譜覆蓋最大化，以減少設備量。同時，對接收后的信號進行頻段細化，易于實現多個接收通道之間的不一致進行補償，對數字波束的形成是有利的；對接收機頻段細分，易于提高信號的信噪比，對于微弱信號的檢測時有利的；而且采用數字化的處理方法，易于實現接收機的軟件化，對實現波束的快速切換和信道的快速切換是有利的。

基于以上優點，本文采用在AD采樣之后用數字信道化的方法進行接收處理。下面就實際工程中的實踐討論信道化的一種實現方法并仿真分析試驗結果，最后給出了所設計的多通道接收機的實物。

1 數字信道化接收機的基本思想

信道化接收機的基本原理是對感興趣的帶寬范圍內的全頻帶進行分割，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信道內信號的信噪比，有利于信號檢測和信號特征分析。信道化有多種結構和不同的實現方法，但是最終都是歸結于等效成多個濾波器對頻段進行濾波分割。

2 用頻域抽取法實現頻域信道化

圖1 FFT系數作為濾波器的頻率響應

以N等于32為例子，如果構建由32個濾波器并聯組成的濾波器陣列，濾波器的濾波系數分別為hk[n]，如圖2所示。

圖2 用FFT的32組系數作為濾波器組

32個濾波器的輸出覆蓋了輸入信號的整個頻段，實現了對信號的32頻帶分割，實現了信道化處理，如圖3所示。

圖3 32個濾波器的頻域覆蓋圖

以上基于FFT的方法，用FFT實現信道化，需要大量的運算，在目前硬件水平下，實現較為困難[4]。并且每個通道的濾波器過渡特性不好，旁瓣過高，每個信道的動態不高，不能實現信道之間很好的隔離，也就是在一個信道中的信號會泄露到臨近信道中去[5]。實際工程中，有時候需要的不僅僅是信道劃分越細越好，而是需要關心每個信道的濾波器形狀，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，假設我們只需要4信道就足夠了。不妨就取k=0、8、16、24時為我們所需要的信道，如圖4所示。

圖4 抽取出的四個濾波器的頻率響應

這樣運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，濾波器出現了空洞，出現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。

對濾波器系數加窗可以改善濾波器的頻率響應，時域加窗對應于頻率域卷，可以展寬濾波器帶寬。對于我們選中的4個輸出，只要把每個輸出的濾波器寬度擴展為頻帶的1/4，就可以解決頻率漏洞問題，為此設計一個32點的濾波器，其通帶為整個頻段寬度的1/4，截止頻率為整個頻段寬度的1/8，得到32個系數w[n]，和圖4中的hk[n]加窗后作為濾波器系數，如圖5所示。

圖5 對抽取的四個信道進行加窗

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

對hk[n]采用加窗的辦法實現了信道化的目的，但是不能充分利用高效FFT的優點，不妨把加窗函數往前移動，形成如圖7所示的結構，以期望能利用FFT算法的高效性。

圖6 抽取的四個信道加窗后的頻率響應

圖7 加窗函數前移

下面以N=32為例加以推導[1]。

這樣就把加窗FFT四個抽頭輸出轉化成了新輸入z[n]的4點FFT運算，可充分利用FFT高效運算特點。于是可以用如下的結構實現4點的信道化處理，如圖8所示。

圖8 加窗函數前移后等效結構圖

其中 Hk[n]={w[4n+k]|n=0、1、 2…7}

3 多級信道化數字接收機

采用頻域抽取的方法對信號進行頻域分割，可以有效降低運算量，有利于在FPGA器件中實現，但是當信號的帶寬過于寬時，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行信道化分割，直到滿足系統設計要求為止。采用多級信道化的方法，只要恰當選取各級信道化信道分割的信道數，能有效減少資源需求量[6]，同時還能實現信道瞬時頻段覆蓋的寬度的快速切換，兼顧寬頻掃描和頻譜精細分析。

根據以上設計思想設計了一款寬帶信道化接收機，部分實物照片如圖9所示。

圖9 20路寬帶信道化接收機實物圖

該接收機實現了對瞬時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信號先經過128點加窗以后，進入一個16點的FFT運算模塊，輸出16個子帶信號，其對一個寬帶線性調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輸出的結果。可以看到隨輸入信號頻率的線性增加，在16個子帶中依次輸出一個線性調頻子脈沖。

圖10 FPGA信道化設計邏輯模塊示意圖

圖11 信道化處理結果示意圖

4 應用分析

成功應用于某多波束陣列接收系統，實現超遠程對雷達脈沖信號的檢測。本文基于工程實踐，探討了信道化的一種實現途徑，給出了總體思路及實例。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，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現可重構硬件平臺的實踐參考，具有重要借鑒意義。

寬帶信道化接收機也還存在一些問題，比如兔耳效應問題，定點運算數據截斷問題等。另外，由于信道化以后有較高的處理增益，前端AD轉換器的抗混疊濾波器必須確保在對應頻段外有足夠的信號抑制，否則在子帶信噪比提高以后，信道的輸出會出現大量的虛假信號。以上這些問題還需進一步探討。

[1]Tsui, J.寬帶數字接收機[M].楊小牛 譯.北京:電子工業出版社,2002.

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

[3]Sanjit K, Mitra.數字信號處理——基于計算機的方法[M].2版.孫洪 譯.北京:電子工業出版社,2006.

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

[5]蘇濤.并行處理技術在雷達信號處理中的應用研究[D].西安:西安電子科技大學,1999.

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

[7]魏旭光,任輝.寬帶數字接收機的研究及實現[J].國外電子元器件,2009(9).

[8]郜麗鵬,王浩.寬帶信道化接收機研究與實現[J].電子技術,2011(6).